CAE技術(shù)在提升汽車沖壓部品品質(zhì)的研究與應(yīng)用

摘 要：通過汽車后縱梁產(chǎn)品進行全工序CAE成形性分析，探尋提升高強板（抗拉強度≥590MPa）拉延部品尺寸合格率的方法。對部品各工序進行CAE分析，并評估各工序的回彈、起皺、翹曲、減薄率、邊緣開裂的情況，同時，在對應(yīng)工序進行CAE回彈補償，將開模CAE精度提升至±0.5mm，通過進一步跟蹤實物T0品的品質(zhì)狀況，評價此方法的有效性。結(jié)果表明，對高強板產(chǎn)品進行全工序CAE分析，并對工序數(shù)據(jù)進行回彈補償，將開模CAE精度提升至±0.5mm后，可以大幅度提升T0品的合格率，并有效縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：汽車鈑金 后縱梁 高強板（抗拉強度≥590MPa） J/Stamp 全工序CAE分析 CAE精度提升 T0品質(zhì)

0 引言

新能源汽車崛起帶來的變革，對汽車沖壓產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展提出更高的要求。輕量化的需求，加速沖壓產(chǎn)品材料高強板化的趨勢發(fā)展。短周期的開發(fā)要求，對沖壓產(chǎn)品快速提升品質(zhì)及縮短開發(fā)周期也帶來更多的課題。

實現(xiàn)車身輕量化和滿足汽車敏捷開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用已成為必然趨勢。然而由于高強鋼冷成型困難、易開裂和回彈等問題，會直接影響零件的尺寸穩(wěn)定性及開發(fā)周期。

對于以上的課題，如何掌握材料特性，基于全工序CAE分析精度的提升控制品質(zhì)及交期，而不僅僅依賴后期鉗工經(jīng)驗調(diào)試模具，將是重要的解決方案之一。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，以后縱梁為例類似的高強板（抗拉強度≥590MPa）深拉延部品，主要通過對單一成形工序的分析進行前期的判斷，產(chǎn)品品質(zhì)提升主要通過后續(xù)產(chǎn)品實物試模時根據(jù)試模結(jié)果，結(jié)合調(diào)試人員經(jīng)驗進行改模，按照此現(xiàn)狀會有幾個問題：

（1）CAE分析結(jié)果與試模實物檢測結(jié)果差異很大，CAE分析不能有效指導(dǎo)模具開發(fā)。

（2）產(chǎn)品的品質(zhì)特性如翹曲、回彈、開裂、減薄不能準(zhǔn)確預(yù)測并有效對策。

（3）產(chǎn)品品質(zhì)提升慢，存在無法滿足品質(zhì)要求風(fēng)險。

（4）調(diào)試周期長，無法滿足敏捷開發(fā)要求。

（5）調(diào)試頻次多、長時間的改模調(diào)試會導(dǎo)致模具開發(fā)成本急劇上升。

（6）無法有效積累開發(fā)經(jīng)驗。

2 產(chǎn)品特征

圖１所示為乘用車的后縱梁主體部品，材質(zhì)HC340/590DP，料厚2.0mm，是保證車身碰撞性能的核心部件。該零件縱向連接門檻，兩側(cè)法蘭邊和內(nèi)輪罩、B柱內(nèi)板焊連接在一起，因此法蘭邊尺寸精度要求高。零件表面有較多特征，兩側(cè)立壁拔模角度小于5°，拉延深度H＞100mm。綜上，此部品具有材料強度高、產(chǎn)品尺寸大、尺寸精度要求高、造型復(fù)雜等特點。

基于此部品結(jié)構(gòu)及品質(zhì)要求，采用拉延工藝，部品品質(zhì)風(fēng)險點如（圖2）所示，會出現(xiàn)扭曲、回彈、起皺、開裂的風(fēng)險。

針對以上各原因，如果開發(fā)前期CAE分析精度質(zhì)量差，只單一對成形類工序作分析，在模具調(diào)試階段只能更多依賴改模工程師和模具鉗工的經(jīng)驗，這樣在帶來品質(zhì)、交期無法保證的同時，也會增加模具開發(fā)成本。反之將大幅縮短開發(fā)周期和降低模具成本。因此通過全工序CAE分析及提升CAE分析精度很有必要。

3 產(chǎn)品工藝

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料、尺寸及品質(zhì)要求，采用（1+5）工序的沖壓工藝開發(fā)，具體工藝OP05落料、OP10拉延、OP20修邊沖孔、OP30側(cè)成形、OP40沖孔/側(cè)沖孔/側(cè)修邊、OP50沖孔/側(cè)沖孔/側(cè)修邊。

為了提高產(chǎn)品材料利用率，增加OP05PRG落料工序，其余工序則綜合工序成形力、加工成本及生產(chǎn)效率等因素、因此選用3000噸TRF設(shè)備。

4 材料性能驗證

此部品使用的材料HC340/590DP t=2.0mm雖然已經(jīng)是成熟的汽車用材，材料屈服強度區(qū)間是360～590Mpa，延伸率24%～36%，屈服及延伸率波動范圍較大。

材料的力學(xué)性能會影響到?jīng)_壓產(chǎn)品的品質(zhì)及穩(wěn)定性。CAE分析中使用的材料機械性能是否同實際材料機械性能的一致性，也是決定CAE分析精度的因素之一。

尤其是高強板材料，對于相同牌號的材料，即使同一家鋼材廠家不同高爐、不同產(chǎn)線、不同批次的材料力學(xué)性能也存在較大差異。這種差異，會對模具開發(fā)調(diào)試和量產(chǎn)生產(chǎn)帶來很多品質(zhì)波動。所以，在進行模擬分析前，如何評價并得到可靠的材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)顯得尤為重要。

①通過對目標(biāo)材料進行拉伸試驗、摩擦力測試及FLD試驗，獲取實際使用材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。形成最終的材料卡及Y-U曲線。

②用實物樣件試沖壓進行結(jié)果對比，獲得實物與材料標(biāo)準(zhǔn)的差異。

5 CAE分析及回彈補償

采用的CAE分析軟件是J/Stamp和AutoForm，AutoForm主要用于前期的工藝設(shè)定參考，可快速地分析產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷。J/Stamp用于對分析結(jié)果偏離的回彈及翹曲數(shù)據(jù)獲得，結(jié)合回彈數(shù)據(jù)進行補償，可以有效提升開模CAE分析精度。根據(jù)分析問題在工序內(nèi)進行工藝及數(shù)據(jù)優(yōu)化，通過數(shù)字階段的數(shù)據(jù)優(yōu)化迭代，取代實物階段的改模調(diào)試。

5.1 工藝設(shè)計說明：對OP10～OP50進行全工序的CAE分析

（1）此產(chǎn)品特征：高度Z=45mm方向上較大的落差，在寬度Y方向是歪扭的結(jié)構(gòu)。

（2）工藝設(shè)計因素：需要考慮因高度導(dǎo)致的局部開裂、起皺和因結(jié)構(gòu)歪扭導(dǎo)致的翹曲等風(fēng)險。

（3）采取方案：

①通過設(shè)置拉延筋結(jié)構(gòu)及布置從而對材料流動進行控制缺陷產(chǎn)生。

②為了提高坯料利用率獲得最大的產(chǎn)品利潤和消除坯料應(yīng)力對產(chǎn)品成形品質(zhì)影響，根據(jù)制件輪廓，采取開卷落料套材的形式，同時因產(chǎn)品高度較高、拉延深度深產(chǎn)品材料比較厚2mm的特性，而采用半開口式拉延的形式拉延工藝。

綜合以上考慮，對各工序要素進行設(shè)置、優(yōu)化，經(jīng)過分析，得到制件優(yōu)化的成形結(jié)果，OP10 DR工序分析產(chǎn)品R角測量值存在開裂風(fēng)險，經(jīng)過優(yōu)化工藝面及產(chǎn)品數(shù)據(jù)后，各工序成形性合格，詳細(xì)見圖３。

5.2 減薄率分析

減薄率分析是成形分析中的重要指標(biāo)，考慮實際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的來料會存在機械性能波動的問題，所以不同材料減薄率的判定標(biāo)準(zhǔn)不同，為確保量產(chǎn)后材料波動影響品質(zhì)，分析時需要預(yù)留安全裕度，判定標(biāo)準(zhǔn)會提高一個等級。對于關(guān)鍵的邊緣開裂，產(chǎn)品形狀中間位置和邊緣位置因為鋼板橫縱力學(xué)結(jié)構(gòu)不同的原因，減薄率的評判標(biāo)準(zhǔn)也不同，數(shù)據(jù)監(jiān)測時應(yīng)選取不同位置進行檢測。圖４是各工序減薄率情況，通過全工序分析可以充分預(yù)判各工序件潛在的減薄失效風(fēng)險。

5.3 各工序起皺分析

對于產(chǎn)品的起皺，通過全工序分析可以模擬材料在各工序流動情況，并根據(jù)分析結(jié)果及時更改工藝補充面和調(diào)整拉延筋的分布情況。在避免產(chǎn)品出現(xiàn)品質(zhì)缺陷的同時，還可以最大限度提升拉延工藝產(chǎn)品的材料利用率。對于起皺、疊料的判斷，在基于CAE分析結(jié)果的同時，也要參考產(chǎn)品圖紙中的外觀及對應(yīng)面的精度要求綜合評判，避免品質(zhì)要求過剩。詳細(xì)分析件圖５，各工序起皺情況符合要求。

5.4 各工序回彈分析

高強度鋼板應(yīng)力，由于其殘余應(yīng)力增大引起面畸變和回彈效應(yīng)，易產(chǎn)生成形后彈性引起回彈和翹曲問題，回彈和翹曲是高強板深拉延部品最難解決的課題，會存在以下課題：

（1）采用拉延的產(chǎn)品因成形過程中材料應(yīng)力導(dǎo)致會結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，需要通過全工序分析評估各工序的風(fēng)險，并且針對各工序分析結(jié)果對工藝及模具結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

（2）采用拉延工藝的產(chǎn)品在修邊后，因為廢料去除后產(chǎn)品外形的改變，會導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，需要全工序分析評估各修邊工序回彈情況，并根據(jù)各工序回彈情況對工序數(shù)據(jù)進行補償優(yōu)化。

（3）修邊后的輪廓如果在后工序繼續(xù)進行如翻邊、壓包等成形工藝，會出現(xiàn)邊緣開裂的風(fēng)險，全工序分析能及時發(fā)現(xiàn)風(fēng)險并對策。

通過全工序的CAE分析評價，對DR和C-FO工序數(shù)據(jù)進行回彈補償后，達(dá)成關(guān)鍵尺寸±0.5mm的開模要求，詳細(xì)見圖６。

6 實物驗證

完成前期的工藝設(shè)定、全工序CAE分析及回彈面補償后，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時還要充分考慮高強板對模具剛性的影響，及后續(xù)加工工序的精細(xì)模面工作。

實物階段，對TO品的合格率檢測，獲取實物數(shù)據(jù)。確認(rèn)全工序CAE分析在產(chǎn)品工藝及模具結(jié)構(gòu)中各項參數(shù)的一致性。

此例證產(chǎn)品，通過全工序CAE分析，相對于只對成形工序進行CAE分析及CAE分析精度由原來±2mm提升到±0.5mm，產(chǎn)品T0合格率由58%提升至82%。

通過對比只針對成形工序進行CAE分析的傳統(tǒng)方法，全工序CAE分析在提升產(chǎn)品品質(zhì)的同時，CAE分析的各工序分析結(jié)果同實際工序件的回彈、翹曲、減薄、起皺結(jié)果一致。詳細(xì)見表1。

7 結(jié)語

對于高強板（抗拉強度≥590MPa）深拉延產(chǎn)品，通過全工序的CAE分析，實時更新CAE材料庫數(shù)據(jù)，可以縮小CAE分析結(jié)果與T0實物數(shù)據(jù)的差異，更好掌握高強板成形規(guī)律及成形缺陷整改的對策，通過大量的實際產(chǎn)品應(yīng)用將數(shù)據(jù)經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)化，讓CAE模擬分析真正能夠為實際生產(chǎn)提供更好的支持。

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