基于SAPH440熱軋酸洗材料汽車副車架上片成形優化分析

廖博文， 譚必丁， 陸軍合

（湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司 柳州分公司， 廣西 柳州 545006）

0 引 言

汽車車架由多個零部件組合而成，每個零部件結構會根據性能、輕量化要求以及成本價格而選用不同型號材質的板材。這些零部件在生產過程中，因材料性能、板材厚度、零件結構復雜程度等，給實際汽車制造增加了難度[1]。在汽車追求輕量化的條件下熱軋酸洗材料作為一種高強度鋼，可以有效的代替普通強度鋼板，提高白車身的安全性能。熱軋酸洗材料屈服應力大于305 MPa，以其具備高強度特性、良好的韌性、良好的沖壓性能以及焊接性能得到了汽車企業的使用[2]。熱軋酸洗材料降低了在設計階段因零件問題而引起的開裂、起皺等缺陷，減少了模具研合調試時間，保證了新車型的上市時間[3]。現以某車型的汽車副車架上片為例，介紹了熱軋酸洗材料在汽車副車架上片的成形性，根據CAE分析結果，對存在問題缺陷的區域進行優化[4]。通過理論分析結果對零件進行可行性評估，了解零件成形中存在的風險問題，結合實際生產調試對風險問題進行跟蹤，證明熱軋酸洗材料在汽車車架上應用的可靠性。

1 副車架上片沖壓有限元模擬分析

1.1 零件結構介紹

某車型副車架上片如圖1所示，外形尺寸為504 mm×974 mm×163 mm，料厚為2.5 mm，前后立壁面拔模角度較小，在沖壓方向上只有3°左右，整體結構復雜，中間是擴張U型結構，方形材料成形時流動困難，需要增加1副落料模，零件兩端的凸臺開裂風險較大。

圖1 零件數模造型

成形零件選擇SAPH440熱軋酸洗材料，屬于高強度鋼，Q/BQB 310-2018 《汽車結構用熱連軋鋼板及鋼帶》[4]對SAPH440的成分規定如表1所示，對其力學性能要求如表2所示。

表1 SAPH440 化學成分 w/%

表2 SAPH440 力學性能

1.2 副車架CAE模擬仿真分析

1.2.1 導入設置

將零件以IGES格式導入軟件中，調整其角度使其滿足沖壓成形角度要求，定義板料材質SAPH440，厚度2.5 mm，完成零件導入的初步設定，材質參數設置如圖2（a）所示。

以零件重心為基準，旋轉X、Y、Z軸角度，調整符合零件成形要求的沖壓方向，即沖壓角度下直接拉深的區域無負角，如果存在負角區域則需進行翻邊或者整形處理，白色面為0～3°拔模角度，中間淺色區域為負角度區，如圖2（b）所示

圖2 導入零件參數設置

1.2.2 工藝模面設計

根據副車架的結構復雜程度，初步規劃零件成形工序為4道：拉深、修邊、整形、沖孔，如圖3（a）所，并在CAE仿真軟件中設置全工序排序。

CAE仿真軟件工序的工藝面設計與實際工序順序相反，即先從最后工序開始模面處理，然后處理倒數第2道工序模面，依此類推，這種設計方法方便提前處理整形型面和翻邊型面，保證拉深型面為無負角狀態，以滿足零件成形性分析要求。

在工藝補充面設計過程中，首先將零件邊界光順，提高構建工藝補充的效率；其次通過適當增加控制線來調整壓料面到零件的距離，使其與零件最低點距離保持在10 mm左右，同時要求壓料面與零件邊界隨形設置，過渡圓角做到R50 mm，如圖3（b）所示；最后根據分析結果，對起皺和開裂區域進行優化設計工藝補充面，將凹圓角做到R12 mm，凸圓角做到R15 mm，側壁拔模角做到15°，轉角做到R30 mm，尖點做倒R15 mm的球角，優化后如圖3（c）所示。

圖3 CAE仿真工藝面參數設置

1.2.3 仿真分析結果

仿真分析結果如圖4所示，副車架上片在拉深過程中，拐角過渡急劇位置發生鼓起，如圖4（a）所示，到底后起皺數值最大值達到了0.188 mm，如圖4（b）所示 ，CAE分析評估起皺風險較高。

U型結構內部板料流入量受限，此結構為擴張型拉深，板料減薄率達到31.4%，凸臺內側立壁面最大減薄率達到37%，如圖4（c）所示，減薄1.714 mm，如圖4（d）所示，CAE分析評估開裂風險較大。

圖4 仿真分析結果

1.2.4 零件數據優化

如圖5所示，根據CAE仿真分析結果判斷，零件過渡急劇的區域需要優化變緩，即過渡面的高度方向的落差控制在80 mm左右，水平方向的距離控制在230 mm，并在起皺位置增加5 mm高的凹/凸筋緩解起皺。開裂風險區域在不影響搭接關系時，將尖點位置倒三角面，面積做到980 mm2、開裂R角做到R10 mm、側壁面做到車身Z向15°，以降低現場調試模具難度和零件開裂風險。

圖5 數模造型更改

1.2.5 數據優化的CAE分析結果

零件優化后CAE分析結果如圖6所示，副車架在拉深過程中，拐角過渡位置鼓起降低，如圖6（a）所示，到底后起皺數值最大值為0.067 mm，如圖6（b）所示，CAE分析評估起皺有改善，滿足造車要求，但起皺無法完全消除。

U型結構內部位置優化落料線、工藝和零件后，拉深開裂得以解決。板料最大減薄率控制在18.9%以內，凸臺區域優化零件后內側立壁面減薄控制在17.8%以內，如圖6（c）所示，最小厚度控制在2.026mm以上，凸臺區域最小厚度控制在2.069 mm以上，如圖6（d）所示，CAE分析評估滿足沖壓成形性要求。

圖6 優化后仿真分析結果

2 零件現場狀態

2.1 首次出件問題及優化策略

如圖7（a）所示，橢圓處凸包內側存在開裂是因為拉深時板料減薄導致，通過打磨凸模可消除該處缺陷；U型結構擴張撕裂如圖7（b）橢圓處所示，需要調整凸凹模間隙；變化急劇拐角處拉深起皺如圖7（c）橢圓處所示，需確保裝配面的平面度及面輪廓度符合設計要求。上述缺陷與前期CAE仿真分析結果判斷一致，考慮首次出件結果，需要繼續對模具零件進行拋光研合到位，以完全消除這些缺陷。

圖7 首次出件零件狀態

2.2 模具研合完成后零件狀態

為檢查模具是否合格，在完成全部工序生產后需要對零件尺寸精度進行測量，主要檢測零件的整體外觀，確保整體外觀沒有明顯的劃痕、起皺、開裂等缺陷，之后再使用檢具檢測零件尺寸精度，即基準、孔、型面、邊界的檢測，如圖8所示。對最終模具研合后成形的零件檢測，結果表明零件的合格率均在 92%以上，符合造車要求。

圖8 模具完成研合后零件狀態

3 結束語

基于CAE仿真軟件對熱軋酸洗SAPH440材料成形進行仿真，以某車型副車架上片為例，研究了SAPH440材質對副車架上片成形性的影響。在造型階段，通過CAE仿真分析板料的成形性，根據分析結果判斷板料成形的缺陷，前期將工藝模面和零件結構進行優化，能夠在模具鑄造前及時判斷SPAH440材質成形的可行性。對于CAE分析結果暴露的問題，通過調整板材厚度和工藝實現副車架上片的成形，避免后期因要更換材質而帶來的損失，同時縮短了模具開發周期，提高了設計的可靠性。