不同工藝參數(shù)對DP780內(nèi)高壓成形D柱型面凹陷的影響

戴國強

（歐冶云商股份有限公司，上海 201900）

作為汽車輕量化的手段之一，內(nèi)高壓成形技術已經(jīng)得到越來越廣泛的應用[1-7]。對于汽車安全性的提升，除了傳統(tǒng)的提升材料強度外，管件內(nèi)高壓成形零件可以通過封閉截面的空間結(jié)構優(yōu)化來提升整體的結(jié)構強度，達到輕量化和安全性的要求。此外，將超高強鋼材料和內(nèi)高壓成形技術相結(jié)合，會進一步提升整車的安全性和輕量化效果，包括DP1000的A柱、DP780的B柱、QP980的B柱、780MPa級別的扭力梁等[8-12]，有效的拓展了內(nèi)高壓成形技術的應用范圍。

內(nèi)高壓成形過程中較為復雜，密封、補料量、補料速度、內(nèi)壓力控制等，均會對成形性產(chǎn)生影響，控制不穩(wěn)定時，容易出現(xiàn)各種缺陷。湯澤軍等研究了成形過程中應力變化與失穩(wěn)起皺之間的關系。劉剛等研究了外壓對內(nèi)高壓成形的屈曲的影響，宋國橋等研究了影響內(nèi)高壓成形過程中的開裂因素，何成等研究了管件扭力梁端部凹陷的問題。

本文以DP780內(nèi)高壓成形D柱零件為研究對象，采用低壓液壓成形工藝，對不同低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力與凹陷量的關系進行研究，并進行試驗驗證。

1 成形仿真模型建立

1.1 產(chǎn)品幾何分析

零件長寬高分別為289mm、277mm、57mm，壁厚1.5mm，零件典型截面如圖1所示。管坯直徑根據(jù)零件中心軸線截面線長變化來確定，通過Autoform軟件進行分析，確定最大截面線長等效直徑為60.9mm，最小截面線長等效直徑為58.6mm，為了保證零件良好的成形性，管徑選擇靠近中間位置的59mm，保證正負截面變化率都較小。超高強鋼焊管采用激光焊管工藝，能夠有效保證內(nèi)高壓成形對于焊縫質(zhì)量的要求。

圖1 典型截面

1.2 DP780材料性能

研究用板材材質(zhì)為超高強鋼DP780，含有質(zhì)量分數(shù)為0.07%的C，0.09%的Si ，2.13%的Mn，0.01%的P，0.001%的S，屈服強度為483.2MPa，抗拉強度為805.1 MPa，斷裂延伸率為19.1%，應變強化系數(shù)為1265.1MPa，加工硬化指數(shù)n為0.12。模擬中，采用Ludwik模型：

式中σ為應力；ε為應變；K為應變強化系數(shù)；n為加工硬化指數(shù)。

1.3 有限元模型建立

考慮與實際樣件開發(fā)保持一致，將左右兩個對稱零件拼接在一起進行分析，如圖2所示。零件的主要成形工藝為彎管、預成形、低壓內(nèi)高壓成形，如圖3所示。成形過程的數(shù)值模擬軟件采用Autoform，水平缸軸向進給為8mm，最大合模力3000噸，低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力值根據(jù)分析要求進行調(diào)整設定。

圖2 零件拼接方式

圖3 成形工藝

仿真分析有限元模型如圖4所示，包括彎管模具、預成形模具、內(nèi)高壓成形模具，全部為剛體殼單元，管坯為殼單元。采用庫侖摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.12。

圖4 有限元模型

2 D柱成形仿真分析

根據(jù)CAE分析軟件結(jié)果，DP780內(nèi)高壓成形D柱主要凹陷區(qū)域如圖5所示，針對不同工藝參數(shù)的凹陷進行測量分析。

圖5 凹陷測量區(qū)域

2.1 不同低壓壓力對凹陷的影響

將低壓合模高度設定為5mm，高壓壓力設定120MPa，低壓壓力分別設定為10MPa、15MPa、20MPa。通過分析，當?shù)蛪簤毫Ψ謩e為10MPa、15MPa、20MPa時，凹陷量分別為隨著低壓壓力的上升而減小，分別為0.71mm、0.51mm、0.37mm，凹陷量隨著低壓壓力的增加而減小，如圖6所示。

圖6 不同低壓壓力對凹陷的影響

2.2 不同低壓合模高度對凹陷的影響

分析低壓合模高度對凹陷的影響時，低壓壓力設定為10MPa，高壓壓力設定為120MPa，低壓壓合模高度分別設定為5mm、10mm、15mm進行仿真分析。通過分析，當?shù)蛪汉夏８叨确謩e為15mm、10mm、15mm時，凹陷量分別為0.71mm、0.15mm、0mm，凹陷量隨著低壓合模高度的增加而減小，如圖7所示。

圖7 不同低壓合模高度對凹陷的影響

2.3 不同高壓壓力對凹陷的影響

分析高壓壓力對凹陷的影響時，低壓壓力設定為10MPa，低壓合模高度設定為5mm，高壓壓力分別設定為120MPa、150MPa、180MPa進行仿真分析。通過分析，當高壓壓力分別為120MPa、150MPa、180MPa時，凹陷量分別為0.71mm、0.38mm、0.23mm，凹陷量隨著高壓壓力的增加而減小，如圖8所示。

圖8 不同高壓壓力對凹陷的影響

3 試驗樣件驗證

根據(jù)仿真分析結(jié)果和對應的仿真參數(shù)，制定對不同低壓壓力、不同低壓合模高度和不同高壓壓力工藝進行調(diào)試，零件無開裂、起皺缺陷，成形性均良好，如圖9所示。每個參數(shù)凹陷量均選取5個樣件件進行測量，測量區(qū)域如圖9紅框所示區(qū)域，取平均值后進行分析。

圖9 試制樣件

3.1 不同低壓壓力樣件的凹陷量

在低壓合模高度5mm、高壓壓力120MPa條件下，低壓壓力分別為10MPa、15MPa、20MPa時，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結(jié)果，分別為0.92mm、0.61mm、0.41mm，凹陷量隨著低壓壓力的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖10所示。

圖10 實測凹陷量與低壓壓力的關系

3.2 不同低壓合模高度樣件的凹陷量

在低壓壓力為10MPa、高壓壓力120MPa條件下，低壓合模高度為5mm、10mm、15mm，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結(jié)果，分別為0.92mm、0.25mm、0mm，凹陷量隨低壓合模高度的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖11所示。

圖11 實測凹陷量與低壓合模高度關系

3.3 不同高壓壓力樣件的凹陷量

在低壓壓力為10MPa、低壓合模高度為5mm條件下，高壓壓力分別為120MPa、150MPa、180MPa，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結(jié)果，分別為0.92mm、0.41mm、0.26mm，凹陷量隨高壓壓力的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖12所示。

圖12 實測凹陷量與高壓壓力關系

4 結(jié)論

通過對DP780內(nèi)高壓成形D柱的仿真分析和試驗樣件驗證，確定了低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力對零件凹陷量的影響，同時仿真分析和實際樣件的影響趨勢一致。

（1）隨著低壓壓力的增加，凹陷量減小，呈正相關。

（2）隨著低壓合模高度的增加，凹陷量減小，呈正相關。

（3）隨著高壓壓力值的增加，凹陷量減小，呈正相關。