汽車車身用高強(qiáng)度鋼板沖壓成形模擬

王祖勇，陶長城，歐陽可居，王德財

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，十堰 442001）

汽車車身用高強(qiáng)度鋼板沖壓成形模擬

王祖勇，陶長城，歐陽可居，王德財

（東風(fēng)商用車有限公司技術(shù)中心，十堰 442001）

選擇三個零件采用高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行試沖，并檢測其破裂、主應(yīng)變、減薄率和起皺情況。另外，借助PAMSTAMP沖壓軟件模擬這三個零件成形過程。通過對比模擬和實測結(jié)果，仿真精度可以達(dá)到85%以上。

高強(qiáng)度鋼板；成形；模擬；反求；PAMSTAMP

1 前言

隨著汽車用鋼板迅速朝高強(qiáng)度化和輕量化方向發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用日益廣泛，隨之而來的問題是鋼板強(qiáng)度級別越高，成型越困難，回彈越大，嚴(yán)重影響沖壓件的精度和裝配質(zhì)量。由于材料本構(gòu)模型的差異，普通鋼板的沖壓工藝已不適于應(yīng)用到高強(qiáng)度鋼板。為了解決高強(qiáng)度鋼板成形性差的問題，避免開裂與起皺，迫切需要一種手段來優(yōu)化工藝方案，從而獲得合格的零件。而塑性理論的不斷完善以及計算機(jī)技術(shù)和仿真軟件的迅猛發(fā)展，使通過CAE方法預(yù)測沖壓件成形缺陷成為最佳途徑之一。國外在預(yù)測沖壓件起皺和破裂等缺陷方面已達(dá)到非常高的精度，并實現(xiàn)了和產(chǎn)品設(shè)計、模具設(shè)計同步，但回彈預(yù)測作為世界性的難題其模擬精度仍有待提高，而國內(nèi)尚存在一定差距。本文借助PAMSTAMP仿真軟件開展了三個高強(qiáng)鋼零件的成形模擬和試沖的對比分析，包括破裂部位、主應(yīng)變和減薄率以及起皺等等。另外，因其中一個模具進(jìn)行了人工修模，還針對該工藝數(shù)模進(jìn)行了重構(gòu)。以積累經(jīng)驗，提高CAE應(yīng)用水平，推進(jìn)CAE實用化。

2 成形模擬和試沖零件對比

2.1 左側(cè)邊梁成形模擬及破裂部位對比

2.1.1 高強(qiáng)鋼零件試沖

現(xiàn)生產(chǎn)材料為DC03，用HC180YD材料試沖的零件見圖1，二者料厚均為0.8 mm。通過與現(xiàn)生產(chǎn)零件對比，試沖件僅局部起皺稍大。

2.1.2 成形模擬

HC180YD材料性能參數(shù)如下：彈性模量為210 kN/mm2，密度為7.85E-6 kg/mm3，泊松比為0.3，r0為1.9，r45為1.7，r90為2.3，屈服強(qiáng)度Rs為0.2 kN/mm2，強(qiáng)化系數(shù)k為0.6 kN/mm2，硬化指數(shù)n為0.22。因該零件為防止破裂部位處于產(chǎn)品面上，所以在成形的過程中增加了兩工藝刺口。無工藝刺口、二個工藝刺口和一個工藝刺口的模擬結(jié)果分別見圖2、圖3和圖4。

2.1.3 對比分析

二個工藝刺口的高強(qiáng)鋼試沖件的破裂部位和CAE模擬結(jié)果見圖5。圖2說明無工藝刺口時破裂位于產(chǎn)品面，因此必須增加工藝刺口，以增強(qiáng)材料流動性。而圖4則說明只需要一個工藝刺口就可以解決問題，也證明了CAE在工藝分析和模具設(shè)計階段的重要性。圖5中的模擬結(jié)果和實際零件的破裂部位一致，均位于工藝刺口處?？傊?，就該零件來說，CAE的模擬結(jié)果與實際情況符合非常好。

2.2 左側(cè)圍內(nèi)板成形模擬及工藝數(shù)模重構(gòu)

很多夫妻之所以會走到離婚的那一步，往往是因為平時沒有及時處理婚姻中出現(xiàn)的各類問題或矛盾。當(dāng)婚姻中出現(xiàn)問題的時候，夫妻之間需要及時溝通。出現(xiàn)問題并不可怕，可怕的是當(dāng)問題出現(xiàn)后，彼此熟視無睹，互不相讓，導(dǎo)致婚姻中的問題越堆越多。夫妻間應(yīng)坦誠相處，做到相互關(guān)照，這樣比贈送禮物更令人高興。

2.2.1 高強(qiáng)鋼零件試沖

現(xiàn)生產(chǎn)材料為B180P2，厚度為1.6 mm。選用高強(qiáng)鋼材料為HC260YD，厚度為1.5 mm。圖6中左件為高強(qiáng)鋼試沖件，右件為現(xiàn)生產(chǎn)件。對比可看出，試沖件局部起皺較大，這是由于試沖件的料厚相對薄以及強(qiáng)度高導(dǎo)致的。

2.2.2 成形模擬

HC260YD材料性能參數(shù)：彈性模量為210kN/mm2，密度為7.85E-6 kg/mm3，泊松比為0.3，r0為0.9，r45為 1.1，r90為 1.3，屈服強(qiáng)度Rs為0.32 kN/mm2，強(qiáng)化系數(shù)k為0.66 kN/mm2，硬化指數(shù)n為0.17。采用原工藝數(shù)模及現(xiàn)生產(chǎn)材料的成形模擬結(jié)果見圖7。而采用重構(gòu)后的工藝數(shù)模和高強(qiáng)鋼材料得到的成形模擬結(jié)果見圖8，由板料FLD云圖可知零件雖未破裂，但也已接近成形極限的安全裕度下限。對比實沖零件和模擬結(jié)果，可看出起皺部位一致（圖6和圖8圈中區(qū)域）。

2.2.3 工藝數(shù)模重構(gòu)

由圖7可知，采用原工藝數(shù)模和現(xiàn)生產(chǎn)材料模擬時，板料破裂（減薄率達(dá)到78%）。說明此處進(jìn)行了人工修模以解決破裂問題。經(jīng)實測，對應(yīng)圖7中破裂部位處的工藝數(shù)模圓角半徑大小為6 mm，而圖6中高強(qiáng)鋼試沖零件此處的圓角半徑最大約為24 mm，可見為了避免破裂，增大了圓角半徑。說明模擬結(jié)果與實際情況符合非常好。

為了有可比性，模擬時采用的工藝數(shù)模必須和現(xiàn)生產(chǎn)用的模具型面一致。因此，將高強(qiáng)度鋼試沖件進(jìn)行三維激光掃描得到其表面點云數(shù)據(jù)，考慮到高強(qiáng)度鋼沖壓件會有回彈，為了減小誤差，僅選擇破裂部位周圍的點云將其導(dǎo)入Geomagic Studio反求軟件生成可供三維CAD軟件讀取的IGES文件（見圖9），最后將圖9中的IGES文件和原工藝數(shù)模一同導(dǎo)入UG軟件生成新的工藝數(shù)模見圖10。

2.3 支架—左側(cè)踏步成形模擬及主應(yīng)變、減薄率對比

2.3.1 高強(qiáng)鋼零件試沖

現(xiàn)生產(chǎn)材料為DC04，用HC180YD材料試沖的零件見圖11，其中右件為現(xiàn)生產(chǎn)零件，左件為高強(qiáng)度鋼試沖件。二者料厚均為0.8 mm。通過與現(xiàn)生產(chǎn)零件對比可看出，高強(qiáng)鋼試沖件起皺稍大。

2.3.2 成形模擬

HC180YD材料性能參數(shù)如下：彈性模量為210 kN/mm2，密度為7.85E-6 kg/mm3，泊松比為0.3，r0為1.9，r45為 1.7，r90為 2.3，屈服強(qiáng)度Rs為0.2 kN/mm2，強(qiáng)化系數(shù)k為0.6 kN/mm2，硬化指數(shù)n為0.22。成形模擬結(jié)果見圖12。

2.3.3 主應(yīng)變、減薄率對比分析

為了驗證CAE模擬精度，在板料表面印刷由圓點組成的標(biāo)準(zhǔn)圖案用于測量沖壓件的主應(yīng)變和減薄率。利用ARGUS測量系統(tǒng)對零件進(jìn)行應(yīng)變測量，得到三個特征點的主應(yīng)變和減薄率見圖13。通過調(diào)整壓邊力大小及拉延筋的阻力系數(shù)得到對應(yīng)圖13處的CAE模擬結(jié)果見圖14。

表1 實測和模擬結(jié)果對比

對減薄率和主應(yīng)變的實測值和模擬結(jié)果進(jìn)行比較，見表1。從中可看出，相對實測值，模擬結(jié)果的最大誤差在15%以內(nèi)，其中五個數(shù)據(jù)點誤差在10%以內(nèi)，僅一個數(shù)據(jù)點誤差在10%以上。根據(jù)對比情況，可以得出結(jié)論：在壓邊力和拉延筋等工藝參數(shù)的取值和現(xiàn)生產(chǎn)實際一致的情況下，CAE模擬結(jié)果的精度應(yīng)該可以達(dá)到90%以上。

3 結(jié)論

（1）綜合應(yīng)用三維激光掃描、逆向軟件及CAD軟件進(jìn)行工藝數(shù)模重構(gòu)，以達(dá)到模擬所用的工藝數(shù)模和實際模具型面一致，使之具有可比性。

（2）相較普通鋼板，高強(qiáng)度鋼沖壓件更容易起皺。

（3）成形模擬得到的零件破裂部位及起皺區(qū)域和實際情況完成一致。

（4）成形模擬得到的零件減薄率和主應(yīng)變與實測值相差在15%以內(nèi)，如果模擬所用的工藝參數(shù)與現(xiàn)生產(chǎn)實際較一致時，CAE模擬結(jié)果的精度應(yīng)該可以達(dá)到90%以上。為下一步的回彈模擬奠定良好基礎(chǔ)。

[1]張笑笑,王雷剛,黃瑤.鍍鋅板沖壓成形性的模擬與實驗研究[J].鍛壓技術(shù),2011,(36):19-23.

[2]肖煜中,陳軍.金屬板料沖壓數(shù)值模擬中的宏觀硬化模型研究現(xiàn)狀[N].塑性工程學(xué)報,2009,(16):51-58.

[3]蔣浩民,陳新平,石磊等.先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板的沖壓成形特性及其應(yīng)用[N].塑性工程學(xué)報,2009,(16):183-186.

[4]雷正保,付愛軍,黃充等.拉延筋模擬方法對覆蓋件CAE結(jié)果影響的工業(yè)試驗[J].汽車工程,2004,(26):73-77.

[5]郭力，李光耀等.薄板成形計算機(jī)仿真中摩擦模型的研究進(jìn)展.中國機(jī)械工程,2003,(11)：1879-1882.

專家推薦

何 力：

論文對高強(qiáng)鋼沖壓件的沖壓成形過程進(jìn)行了CAE模擬計算，并對實際結(jié)果進(jìn)行了實測,通過兩者對比，不僅驗證了本文的CAE計算方法在預(yù)測高強(qiáng)鋼沖壓件破裂和起皺等宏觀成型缺陷方面和實際情況一致，而且更進(jìn)一步比較了主應(yīng)變和減薄率等微觀方面的數(shù)據(jù)。論文得出的結(jié)論以實測為依據(jù)，可信度高。CAE模擬精度達(dá)到了工程實用化的要求，可為汽車車身沖壓件新產(chǎn)品的開發(fā)和材料選擇提供重要依據(jù)。稍有欠缺的是對沖壓回彈的研究沒有深入。

The Simulation of High Strength Steel Stamping for Automobile Body

WANG Zu-yong, TAO Chang-cheng, OU-YANG Ke-ju, WANG De-cai
（Technology Center of Dongfeng Commercial Vehicle Company, Ltd., Shiyan, 442001, China）

There are three sheet metal parts made by high srtrenth steel whitch were stamped.The cracks, major strain, thinning,and wrinkling of the parts were observed and measured.Also the stamping processess were caculated and simulated using simulation software PAMSTAMP.The caculated result was compared with the measured, and then the conclusion was drew that the accuracy of the simulation made by PAMSTAMP is 85 percent or more.

high strength steel; stamping; simulation; reverse; PAMSTAMP

TP391.9

A

1005-2550（2014）05-0062-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2014.05.013

2014-04-01