基于Autoform的DP800高強鋼汽車零件回彈影響因素研究

陳新力　張軍　詹華　俞祖俊　田志俊　肖洋洋

摘 要：回彈現(xiàn)象直接影響汽車先進(jìn)高強鋼零件的尺寸精度和裝備質(zhì)量，掌握影響先進(jìn)高強鋼沖壓成形回彈的主要因素及影響規(guī)律是回彈控制的關(guān)鍵。利用Autoform有限元軟件，以馬鋼汽車板HC420/780DP材料的實際性能參數(shù)作為輸入條件，開展典型汽車門檻零件成形過程全工序回彈模擬。研究材料參數(shù)、零件造型以及生產(chǎn)工藝等方面各種因素的變化對回彈影響，總結(jié)DP鋼汽車零件回彈主要影響因素的影響規(guī)律和影響重要程度，為DP鋼汽車零件回彈預(yù)測、工藝設(shè)計和模具制造提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)高強鋼；冷沖壓成形；回彈分析；Autoform

隨著汽車輕量化的發(fā)展，先進(jìn)高強鋼的應(yīng)用成為了汽車輕量化的重要途徑之一。然而這些先進(jìn)高強鋼材料在推廣應(yīng)用過程中普遍出現(xiàn)回彈量大的技術(shù)難題，目前針對800MPa級以上先進(jìn)高強鋼還沒有有效的回彈預(yù)測和控制手段，導(dǎo)致模具開發(fā)調(diào)試過程整改次數(shù)多、周期超長、成本過高，實際生產(chǎn)不穩(wěn)定的風(fēng)險問題。在車身開發(fā)前期的選材階段，需把握先進(jìn)高強鋼回彈主要影響因素的主次順序，采取合理的選材思路，從而有效降低先進(jìn)高強鋼應(yīng)用過程中回彈帶來的風(fēng)險。

在汽車用先進(jìn)高強鋼中，DP系列是目前應(yīng)用最廣并具體代表性的鋼種。選擇一個典型汽車高強鋼門檻零件模型，利用Autoform有限元軟件對DP鋼在各種不同條件下零件回彈量的對比，確定主要的回彈影響因素。然后在相同條件下，分析各大主要因素在變化范圍內(nèi)引起的回彈量變化，總結(jié)多個主要因素對回彈的影響規(guī)律。

利用數(shù)值模擬技術(shù)確定DP鋼回彈的主要影響因素并總結(jié)影響規(guī)律，有利于提高對汽車零件沖壓件成形后的回彈前期預(yù)測準(zhǔn)確性，從而在零件工藝設(shè)計和模具制造時做相應(yīng)的回彈處理，對降低高強鋼零件制造成本、保障整車裝配質(zhì)量、縮短新車型開發(fā)周期有著重要意義。

1 建立分析模型

1.1 零件選擇

選擇800MPa級別以上典型零件門檻加強板，并進(jìn)行簡化成如圖1所示分析模型，其截面形狀如圖2所示。Autoform軟件采用殼單元進(jìn)行模擬計算。

1.2 回彈測量條件

為了較準(zhǔn)確在相同條件下比較各參數(shù)變化引起的回彈量變化，更接近實際檢具測量形式，數(shù)值模擬分析回彈過程中，在零件兩個定位孔處增加兩定位銷，并增加四個加持點。并在零件中間截面處，選取左側(cè)法蘭端點A和側(cè)壁底部端點B兩個點進(jìn)行回彈量對比統(tǒng)計，如圖3。

1.3 材料模型

分析采用1.4mm馬鋼材料HC420/780DP，其參數(shù)如表1所示。Autoform材料設(shè)置時采用Ludwik硬化曲線類型、Hill屈服準(zhǔn)則和Arcelor V9 FLC模型。

2 回彈主要影響因素分析

影響高強鋼回彈的因素較多，從零件產(chǎn)品設(shè)計的造型參數(shù)，生產(chǎn)過程的工藝方案、設(shè)備條件到使用材料力學(xué)性能，整個過程各個環(huán)節(jié)中的每個細(xì)節(jié)都會影響最終的零件回彈量。經(jīng)過對各種因素變化的分析對比，歸納目前汽車高強鋼零件設(shè)計開發(fā)整個階段影響回彈的因素中，工藝設(shè)計因素主要是成形方式和壓邊力；材料參數(shù)主要是屈服強度、抗拉強度和楊氏模量；產(chǎn)品設(shè)計因素主要為產(chǎn)品料厚、產(chǎn)品R角大小和產(chǎn)品R角夾角大小。

2.1 成形方式對回彈的影響

汽車結(jié)構(gòu)安全零件冷沖壓主要以拉延成形的工藝方案為主，對于典型的門檻件還有一種常用的兩次折彎成形工藝，兩種最常用的工藝方案對比如表2所示。

通過Autoform按兩種方案進(jìn)行全工序分析后，A、B兩個檢查點的回彈量如表3所示，回彈量差平均約為2.66mm。折彎成形方案最終回彈量明細(xì)小于拉延成形方案。

2.2 壓邊力對回彈的影響

按拉延方案壓邊力分別設(shè)置為200T、250T和300T分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖4所示。壓邊力上下波動20%情況下回彈值差值平均約為0.59mm，壓邊力越大回彈量約小。

2.3 楊氏模量對回彈的影響

在拉延方案下楊氏模量分別設(shè)置為200GPa、210GPa和220GPa分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖5所示。楊氏模量上下波動10GPa引起的回彈值差值平均約為0.37mm，楊氏模量越大回彈量約小。

2.4 屈服強度對回彈的影響

拉延方案模型下屈服強度分別設(shè)置為455MGPa、475MGPa和495 MPa分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖6所示。該材料屈服強度上下波動20MPa引起回彈值差值平均約為0.08mm，屈服強度越小回彈量約小。

2.5 抗拉強度對回彈的影響

拉延方案模型下抗拉強度分別設(shè)置為783MGPa 、803MGPa和823 MPa分析后， A和B兩個檢查點的回彈量如圖7所示。該材料下抗拉強度上下波動20MPa引起回彈值差值平均約為0.29mm，抗拉強度越小回彈量約小。

2.6 材料厚度對回彈的影響

拉延方案模型下零件料厚分別設(shè)置為1.2mm、1.4mmT和1.6mm分析后，A和B兩個檢查點的回彈量如圖8所示。料厚上下波動0.2mm情況下回彈值差值約為1.09mm，料厚越大回彈量約小。

2.7 零件彎曲R角大小對回彈的影響

零件彎曲R角大小如右圖9所示設(shè)計為R5和R7，現(xiàn)將所有R角的值減小2mm 和增加2mm兩種情況與原R角不變情況下回彈值進(jìn)行對比。

R-2mm（R值為R3和R5）、R（R值為R5和R7）以及R+2mm（R值為R7和R9）三種狀態(tài)下A、B點處回彈模擬分析的結(jié)果如圖10所示。R角大小的變化2mm引起回彈值差值平均約為1.826mm，彎曲R角越小回彈量約小。

2.8 零件彎曲夾角大小對回彈的影響

如圖11所示零件彎曲夾角大小設(shè)計為100°和105°，現(xiàn)將所有R角的值減小5° 和增加5°兩種情況與原R角不變情況下回彈值進(jìn)行對比。

θ-5°（θ值為95°和100°）、θ（θ值為100°和105°）以及θ+ 5°（θ值為105°和110°）三種狀態(tài)下A、B點處回彈模擬分析的結(jié)果如圖12所示。θ大小的變化50引起回彈值差值平均約為1.693mm，彎曲夾角越小回彈量約小。

2.9 總結(jié)

以上章節(jié)通過CAE仿真手段對不同條件下各因素的變化引起回彈量的變化情況進(jìn)行仿真分析，匯總對比所有結(jié)果如圖13所示。

從圖13中可以看出，成形方式引起的回彈量最大，其次依次是彎曲R角大小、彎曲夾角大小和材料厚度；材料參數(shù)如楊氏模量、抗拉強度和屈服強度引起回彈量很小。由此可見工藝方案因素和產(chǎn)品設(shè)計因素所引起的回彈量比材料因素引起的回彈量大得多。

3 結(jié)語

通過以上門檻零件的冷沖壓成形仿真分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）基于Autoform對DP800材料門檻零件在多種回彈影響因素波動情況下的成形過程進(jìn)行模擬分析，通過回彈結(jié)果的對比，找出了影響DP高強鋼冷成形回彈的主要因素并按主次順序排列為成形方式、彎曲R角大小、彎曲夾角大小、材料厚度、壓邊力、楊氏模量、抗拉強度和屈服強度。

（2）在新車型設(shè)計開發(fā)前期針對車身零件選擇應(yīng)用高強鋼材料時，應(yīng)先把握該零件的工藝方案，然后再考慮零件造型的優(yōu)化方案，最后關(guān)注各材料供應(yīng)材料參數(shù)波動范圍是否影響零件的尺寸精度，從而最大程度上避免新型高強鋼材料應(yīng)用帶來的回彈風(fēng)險。

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