汽車后地板拉延件成形裕度提升及參數優化研究

韓文峰，揭招財，HANDISO Selamu Yisihak，袁斌先

（天津職業技術師范大學 機械工程學院汽車模具智能制造技術國家地方聯合工程實驗室，天津 300222）

隨著汽車沖壓模具設計、制造工藝日趨復雜，在模具開發前對成形過程進行精確的模擬、分析和論證是非常有必要的[1-2]。利用試沖件驗證數值模擬結果，對生產工藝參數進行優化，可提高零件的成形裕度，有效保證大規模生產條件下的零件質量[3]。胡義華等[4]以汽車后橋殼為研究對象，進行了拉延工藝的有限元模擬，以壓邊力與沖壓速度為影響因素，設計了正交實驗，獲得了最優拉延工藝成形參數。談順強等[5]以汽車發動機罩為研究對象，建立了響應面模型分析成形參數，通過遺傳算法求取了拉延筋最優成形參數，控制了零件的減薄與回彈。湯云翔[6]將汽車門外板的沖壓工藝參數與成形指標關聯分析，實現了工藝參數的多目標優化。Wang 等[7]用DYNAFORM 軟件對汽車前地板零件的沖壓成形過程進行了數值模擬，獲得了成形極限圖（Forming Limit Diagram，FLD）、減薄率及材料流動情況，通過調整壓邊力和拉延筋等參數，得到了最佳成形參數方案。全場網格應變測量技術可通過零件上印制的網格點在拉延前后的變化表征材料的應變行為。Xue 等[8]基于網格應變測量技術獲取了脹形件的應變、厚度分布及成形極限圖，通過交替脹形工藝獲得了等壁厚的球形零件。陽學等[9]基于網格應變測量技術對汽車側圍外板成形過程中出現的縮頸開裂問題進行了分析，并利用測量結果指導了修模及拉延筋與壓邊力的設置。利用數值模擬結合全場網格應變測量技術，可有效提高拉延件成形裕度，優化成形參數[10-12]。

本文以某汽車后地板為例，首先利用有限元分析軟件Autoform 對零件拉延工藝進行模擬分析，獲得后地板拉延件的全場減薄云圖、成形極限圖以及潛在風險區域位置。其次，通過全場網格應變測量技術獲得試沖件的全場應變、壁厚分布和成形裕度，驗證模擬分析結果并準確定位需要修模的位置，通過對模具局部圓角拋光來提升風險區域的成形裕度。最后，針對成形過程中零件局部位置成形裕度仍然偏低的問題，通過調整壓邊力及拉延筋參數，提出解決方案，優化拉延工藝參數。

1 汽車后地板零件

1.1 零件特點

后地板作為汽車受力系統的重要組成部分之一，具有構型復雜、尺寸精度和表面質量要求高等特點。某汽車后地板拉延件三維模型如圖1 所示，該零件成形工序包括落料、拉延、修邊、沖孔、整形等。其中，拉延為最重要的工序，可將其視為復雜化的筒形拉深，具體可分為4 個區域：區域Ⅰ為平臺凸緣區，以少量的變形為主；區域Ⅱ為筒壁區，在拉延過程中因受凸模拉力影響而表現為徑向受拉，存在少量的縱向伸長和壁厚減薄現象；區域Ⅲ為筒底區，在拉延過程中徑向受拉、切向受拉，存在一定壁厚減薄現象；區域Ⅳ為區域Ⅱ與區域Ⅲ的過渡圓角區域，不但承受凸模對板料厚度方向的壓應力，且板料在徑、切雙向均受到拉應力作用。所以從理論分析可知，區域Ⅳ內局部筋狀特征區域具有拉深與脹形復合成形的特點，為拉延過程中零件減薄程度最大、全場最危險的區域。

圖1 后地板拉延件Fig.1 Rear floor drawing part

1.2 材料特性

材料為冷軋深沖鋼DC05，其化學成分如表1 所示，料厚為0.7 mm。通過拉伸試驗獲得板料0°、45°、90° 3 個方向上的工程應力-工程應變曲線如圖2 所示，所得材料力學性能如表2 所示。

表1 DC05 化學成分Tab.1 Chemical composition of DC05 wt.%

表2 DC05 材料力學性能Tab.2 Mechanical properties of DC05

圖2 DC05 工程應力-工程應變曲線Fig.2 Engineering stress-engineering strain curves of DC05

成形極限曲線（Forming Limit Curve，FLC）是判斷材料失效與否的主要手段[13]?？赏ㄟ^Keeler[14]總結的經驗公式構建FLC，如式（1）～（2）所示。通過向下偏置FLC 獲得了由成形臨界區、破裂風險區、安全區構成的成形極限圖（FLD）。將模擬或測量獲得的主次應變點導入FLD 中獲得零件的成形裕度，以表征材料經拉延后距離破裂風險區的剩余程度，判斷板料是否符合安全要求。

式中：ε1為主應變；ε2為次應變；t為板料初始厚度；n為應變硬化指數；εflc0為平面應變狀態極限應變；fmin(t,3.0)表示當板厚初始小于3 mm 時視為3 mm 進行計算。

為保證不同批次材料的可用性，n值取0.21。經計算可知，DC05 的εflc0=32.94%，成形極限圖（FLD）如圖3 所示。

圖3 DC05 成形極限圖Fig.3 Forming limit diagram (FLD) of DC05

2 數值模擬

2.1 模擬工藝參數設置

利用Autoform R8 進行有限元分析，坯料規格如圖4 所示。通過調整沖壓角度排除沖壓負角度，以保證凸模、板料、凹模完全接觸。在拉延過程中，拉延筋可以通過對板料的約束作用提高板料流動阻力，繼而提高材料的變形能力，增大徑向拉應力，減小切向壓應力，調整板料在拉延過程中的流動，從而有效控制起皺，減少回彈，降低零件在拉延過程中的缺陷[15]。當拉延筋高度過大時，提供的阻力過小，會導致零件出現起皺、隆起、剛度不足、表面暗坑等缺陷；當拉延筋高度或寬度過大時，則會因為阻力過大而導致板料流動性能不夠，零件出現開裂、縮頸、減薄率過大、成形裕度不足等缺陷。在后地板兩側對稱設立同規格拉延筋，如圖5 所示。

圖4 坯料規格Fig.4 Blank specification

圖5 拉延筋設置Fig.5 Draw bead layout

在拉延成形中，壓邊圈壓緊板料，為拉延過程中的板料提供合適的材料流入量和拉應力，保證零件的塑性變形。壓邊力為主要調節參數，當壓邊力過大時，會減少板料流入量，導致減薄率過高或成形裕度過低；當壓邊力過小時，提供的阻力不足以支撐零件成形或出現成形不完全等現象，合適的壓邊力是零件精準成形的基礎。設置初始壓邊力為807 kN，摩擦因數為0.135，壓邊圈行程為205 mm，成形力為3 572 kN，得到的板料流入情況如圖6 所示。最大板料流入量為179.55 mm，位于區域Ⅲ邊緣處，最小板料流入量為4.14 mm，位于區域Ⅰ的上部。

圖6 模擬板料流入量示意圖Fig.6 Schematic diagram of simulated plate inflow

2.2 模擬結果

模擬得到的壁厚減薄情況如圖7 所示。DC05 允許的最大減薄率為25%，超過25%則被認為在實際沖壓過程中零件存在較高的破裂風險。圖7 中零件模擬的最大減薄率為24.10%，符合生產要求。

在工程分析中，可通過偏置FLC 曲線定位風險區域，為試沖件提供重點測量位置。將FLC 向下偏置12%，如圖8a 所示，可以看到，少量點超出偏置FLC 曲線，存在一定破裂風險。預警點1 在零件上的分布情況見圖8b，該點位于區域Ⅳ的局部筋狀拉深與脹形復合成形部位，模擬結果驗證了理論分析的正確性。此外，模擬結果還顯示，區域Ⅰ平臺凸緣區域預警點2 存在一定風險。

3 全場網格應變測量技術及測量結果

3.1 全場網格應變測量技術

為驗證Autoform 模擬分析結果的準確性，引入全場網格應變測量技術對試沖件進行全場測量，采用德國GOM 公司的ARGUS 網格應變測量系統進行檢測。試沖前按照ARGUS 系統要求利用電化學腐蝕[16]對初始板料印制由圓點陣列組成的矩陣[17]。根據模擬提供的工藝參數完成試沖，獲得試沖件P1如圖9 所示。對試沖件進行分區塊的不同高度多角度攝像，綜合標尺、定位片及圓點的空間位移量進行網格應變分析計算，本文通過拼接區塊結果獲得了零件的全場主次應變云圖、全場壁厚減薄云圖與成形裕度云圖。

圖9 試沖件P1Fig.9 Test part P1

3.2 測量結果及其修正

試沖件P1全場FLD 如圖10 所示，偏置10%FLC曲線以上的點代表試沖件中成形裕度小于10%的位置，表明該區域不符合大規模生產的安全要求，須設法提高成形裕度。

試沖件P1全場主、次應變分布如圖11 所示，結合圖10 可以看出，風險點位置分布與Autoform 分析結果趨勢一致，驗證了模擬計算的準確性。

圖11 實測全場應變云圖Fig.11 Measured full-field strain cloud image: a) major strain cloud image, b) minor strain cloud image

在進行FLC 分析時，通過拉延筋進入零件的部分板料，其應變點遠超成形極限曲線，但在實際生產中仍可進行大規模量產且不產生開裂等缺陷，可通過量化拉延筋的板料彎曲和拉直影響（Δεflc0）[14]完成該區域數據修正。如式（3）所示，當板料通過拉延筋彎曲變形時，凈應變每增大1%，則Δεflc0增大0.6%。

式中：ΔεBCF（Bead Correction Factor）為拉延筋修正系數；Δt為當板料通過拉延筋時，真實厚向應變的增量，其值為對板料流進拉延筋前后比值取自然對數，即ln(tbeadexit/tbeadenter)，其中tbeadexit表示板料通過拉延筋后的厚度，tbeadenter表示板料流入拉延筋之前的厚度。

針對圖10 中經拉延筋流入零件的風險點，進行ΔεBCF補償計算，結果如表3 所示。點1、2、3、10、11 均經過拉延筋流入零件，經計算可知，它們對應的新成形裕度分別為?20.62%、?20.09%、?22.85%、?20.05%、?19.51%，均滿足成形裕度要求。風險點8位于區域Ⅳ，實測FLC 值為?9.29%，位于臨界區，存在潛在破裂風險，不符合成形裕度要求。實測風險點8 的減薄率達23.50%，相較于模擬結果存在2.50%的差值，實測減薄率在安全范圍內。

表3 實測風險點數據Tab.3 Measured risk point data

3.3 局部修模

將理論分析與模擬測量的主次應變及FLD 結果相結合，最終確定風險區域為區域Ⅳ，特別是局部筋狀拉深和脹形復合成形部位。通過對風險區域的模具對應位置進行再次拋光，特別是打磨局部筋狀位置的圓角，從而降低進料阻力，以提高該位置的板料流入量，進一步提升該位置的成形裕度。再次試沖得到試沖件P2如圖12 所示，并對風險點8 所在區域進行局部測量，得到的FLC 云圖如圖13 所示，可以看出，風險點8 的成形裕度提高至?10.65%，符合成形裕度要求。為保證大批量生產安全，需進一步提高成形裕度。

圖12 試沖件P2 風險區域Fig.12 Risk area of test part P2

圖13 試沖件P2 局部FLC 云圖Fig.13 Local FLC cloud image of test part P2

4 工藝參數優化方案

由于后地板拉深深度大，拉延過程中材料流入量較大，因此，當材料流入量不足時，會引起成形區域減薄率過大或成形裕度過低的現象，材料流入量主要受拉延筋、壓邊力及摩擦因數的影響。通過合理調整壓邊力與拉延筋以及適當潤滑均可提高零件的成形裕度[18]?；诎辶狭魅肓渴疽鈭D與風險點位置，確定需調節的拉延筋位置B[19]。分析拉延筋阻力對零件成形裕度的影響[20]?？赏ㄟ^減小壓邊力或降低拉延筋等效阻力等方法來提高成形裕度，當壓邊力無法降低時，可采用降低拉延筋深度及圓角半徑的方法。在壓邊力為782 kN、B 處拉延筋深度為4.5 mm、圓角半徑為4.5 mm 的條件下進行第3 次試沖，得到試沖件P3，實物如圖14 所示。圖15 為第3 次試沖件的成形極限圖，圖16 為試沖件P3的全場FLC 圖。可以看出，經過BCF 補償后，成形裕度最大值為?14.33%，符合安全要求。

圖14 試沖件P3Fig.14 Test part P3

圖15 試沖件P3 測量成形極限圖Fig.15 Forming limit diagram of test part P3

圖16 試沖件P3 全場FLC 云圖Fig.16 Full-field FLC cloud image of test part P3

圖17 為實測試沖件P3的減薄云圖，其中點8 為原試沖件P2中的最大風險點，其減薄率僅為17.94%，相較于優化前提高了5.56%。

圖17 試沖件P3 全場減薄云圖Fig.17 Full-field thinning cloud image of test part P3

5 結論

1）針對后地板拉延件的成形特點，采用理論分析、數值模擬結合全場網格應變測量技術對后地板拉延件成形過程進行了研究，準確定位了風險區域，經局部拋光后，整體成形裕度由?9.29%優化至?10.65%，滿足工藝要求，驗證了有限元軟件與全場網格應變測量技術協作的有效性。

2）在保證成形裕度的前提下，通過將壓邊力調整為782 kN、B 處拉延筋深度調整為4.5 mm、圓角半徑為調整4.5 mm，得到最大成形裕度為?14.33%、最大減薄率為17.94%的試沖件，符合大批量生產的要求。