基于AutoForm的鋅鋁鎂鍍層板拉深成形及回彈研究

蔣 磊，李十全，王 龍，趙 磊，陳一哲，趙春暉

（1.東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056；2.武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070；3.寶山鋼鐵股份有限公司 汽車板銷售部，上海 201999）

0 引 言

鋅鋁鎂鍍層板是在傳統(tǒng)熱鍍鋅板基礎(chǔ)上對(duì)鍍層成分進(jìn)行改良，加入少量的鋁、鎂等合金元素研發(fā)的一種新型材料。鍍層成分中，鋁含量為1%～3%，鎂含量為1%～2%，其余為鋅。鍍層組織由Zn相、Zn/MgZn2二元共晶相和Zn/Al/MgZn2三元共晶相3 種形態(tài)構(gòu)成[1-5]。其與傳統(tǒng)熱鍍鋅板相比，鋅鋁鎂鍍層板提升了鍍層的耐磨損和抗劃傷性能，改善了鍍層的摩擦及粘滑特性，有更優(yōu)良的沖壓成形性能、抗化學(xué)腐蝕性能，能適應(yīng)更惡劣的腐蝕工況，可減少后續(xù)防腐處理和防護(hù)，在相同防腐標(biāo)準(zhǔn)下，鍍層可進(jìn)行一定程度的減薄，鋅用量可節(jié)約30%以上[6-9]。因此鋅鋁鎂鍍層板作為新一代經(jīng)濟(jì)環(huán)保型高性能鍍層產(chǎn)品越來(lái)越受到各大整車制造商的重視。國(guó)內(nèi)能批量生產(chǎn)并有整車工業(yè)化應(yīng)用的部件主要集中于車身內(nèi)覆蓋件，對(duì)于車身外覆蓋件鋅鋁鎂鍍層板的應(yīng)用研究需進(jìn)一步探索。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深成形及回彈許多學(xué)者利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了一系列的研究。胡文治等采用層次分析法結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AHP-BP）模型對(duì)鋁機(jī)罩外板成形性進(jìn)行了仿真和優(yōu)化[10]；董麗等基于正交試驗(yàn)法借助DynaForm 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板進(jìn)行成形模擬，并優(yōu)化了工藝參數(shù)[11]；么大鎖運(yùn)用二次多項(xiàng)式逐步回歸的多目標(biāo)優(yōu)化方法分析了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深成形性，獲得了較好的成形效果[12]。但對(duì)于鋅鋁鎂鍍層板的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深成形及回彈卻鮮有研究，現(xiàn)借助AutoForm 仿真軟件對(duì)鋅鋁鎂鍍層板的拉深成形及回彈進(jìn)行研究，通過(guò)成形極限圖、減薄率、起皺因子、主應(yīng)變、次應(yīng)變及回彈量對(duì)其成形性能進(jìn)行分析。

1 拉深工藝分析

選取某SUV 車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板為研究對(duì)象，如圖1 所示，外形尺寸為1 605 mm×1 157 mm×248 mm，基體厚度為0.6 mm，質(zhì)量為7.358 kg，內(nèi)、外表面均為鋅鋁鎂鍍層，鍍層質(zhì)量為35 g/m2。該零件屬于車身外覆蓋件，具有尺寸大、造型復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[13]，拉深成形過(guò)程中容易出現(xiàn)成形零件開(kāi)裂、起皺及回彈等缺陷[14,15]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板幾何模型

零件選用的鋅鋁鎂鍍層板材料牌號(hào)為HC220BD+ZM-35/35，基體材質(zhì)為烘烤硬化鋼，各項(xiàng)性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋅鋁鎂鍍層板材料性能參數(shù)

2 拉深工藝模面設(shè)計(jì)

運(yùn)用CATIA V5 創(chuàng)成式曲面設(shè)計(jì)(generative surface design, GSD)模塊對(duì)鋅鋁鎂鍍層板發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板進(jìn)行三維工藝模面設(shè)計(jì)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板屬于淺拉深件，為了保證零件的成形性能，并抑制板料在成形過(guò)程中的起皺趨勢(shì)，零件沿周拉深筋采用“內(nèi)側(cè)方筋+外側(cè)圓筋”的雙筋設(shè)計(jì)?；诎l(fā)動(dòng)機(jī)罩外板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝特性，設(shè)計(jì)了初始拉深工藝模面及各部位工藝補(bǔ)充面，如圖2所示。

3 有限元分析

將鋅鋁鎂鍍層板發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深工藝模面轉(zhuǎn)換為IGS格式，導(dǎo)入AutoForm R7中進(jìn)行拉深成形仿真，板料尺寸為1 850 mm×1 430 mm×0.6 mm，屈服準(zhǔn)則選擇Hill-48。傳統(tǒng)熱鍍鋅板一般選用基于Table公式擬合的材料硬化曲線，而鋅鋁鎂鍍層板則需要選用基于Swift&Hockett-Sherby 公式擬合的材料硬化曲線。Swift&Hockett-Sherby 硬化曲線公式如下：

式中：σ——真實(shí)應(yīng)力，MPa；α——混合權(quán)重因子（0～1）；C——強(qiáng)度系數(shù)；εpl——等效塑性應(yīng)變；ε0——初始屈服應(yīng)變；m——應(yīng)變硬化指數(shù)；σSat——流動(dòng)應(yīng)力飽和值；σi——初始屈服應(yīng)力；p——流動(dòng)應(yīng)力飽和指數(shù)。

AutoForm R7 材料參數(shù)庫(kù)中，對(duì)于HC220BD+ZM 鋅鋁鎂鍍層板基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了定義，數(shù)值如表2所示。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板類的大型車身外覆蓋件，在AutoForm 中進(jìn)行成形仿真時(shí)，為了保證其分析精度，有限元網(wǎng)格采用EPS11(elastic plastic shell use 11 layers)類型的彈塑性殼單元。支撐類型選用“Force Controlled”，壓邊力設(shè)置為1 400 kN，拉深墊行程設(shè)置為130 mm，沖壓速度設(shè)置為200 mm/s，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.125，為了能與實(shí)際生產(chǎn)情況保持一致，壓邊力加載類型選用氣墊頂桿式（cushion pin），并按模具結(jié)構(gòu)形式將壓邊圈有效厚度（effective binder thickness）設(shè)定為200 mm，各項(xiàng)工藝參數(shù)與有限元模型如圖3所示。

表2 HC220BD+ZM鋅鋁鎂鍍層板成形仿真材料參數(shù)

圖3 拉深工藝參數(shù)與有限元模型

對(duì)有限元模型進(jìn)行求解計(jì)算，得出成形性模擬結(jié)果如圖4 所示。模擬結(jié)果顯示發(fā)動(dòng)機(jī)罩前風(fēng)擋左、右兩側(cè)工藝補(bǔ)充面存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，說(shuō)明初始拉深工藝模面不滿足成形要求，需要對(duì)工藝模面進(jìn)行造型優(yōu)化。

為了改善發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板成形性，解決拉深開(kāi)裂問(wèn)題，在初始拉深工藝模面基礎(chǔ)上對(duì)工藝補(bǔ)充面及拉深筋進(jìn)行修改，將前風(fēng)擋左、右兩側(cè)凸圓角由R20 mm 增大至R25 mm；凹圓角由R12 mm 增大至R15 mm；內(nèi)側(cè)方筋頂部圓角由R2 mm 增大至R2.5 mm，底部圓角由R3 mm 增大至R3.5 mm，具體造型優(yōu)化方案如圖5所示。

圖4 成形性模擬結(jié)果

圖5 拉深工藝模面優(yōu)化方案

拉深工藝模面優(yōu)化的成形仿真結(jié)果如圖6 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板成形良好，前風(fēng)擋左、右兩側(cè)開(kāi)裂問(wèn)題得到解決，其余部位也未開(kāi)裂、起皺，成形的零件整體變形充分，主應(yīng)變均大于3%，次應(yīng)變均大于0，表明通過(guò)改變凸、凹圓角及拉深筋圓角大小可有效解決成形零件拉深開(kāi)裂問(wèn)題，并能使材料應(yīng)變均勻分布，使成形零件獲得良好的剛性。但從成形零件回彈模擬結(jié)果看，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板特征棱線外側(cè)回彈較大，回彈量為2～4 mm，最大達(dá)到3.959 mm，均為負(fù)向回彈，說(shuō)明拉深成形后，成形零件產(chǎn)生了內(nèi)縮變形，無(wú)法滿足成形零件型面±0.5 mm 的尺寸精度要求，需要進(jìn)一步對(duì)拉深工藝模面進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 拉深工藝模面優(yōu)化后仿真結(jié)果

4 回彈補(bǔ)償方案

由于發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板厚度較薄、外觀造型曲率變化大，拉深成形難以獲得良好的形狀凍結(jié)性（shape fixedness），即材料成形后的穩(wěn)定性，通過(guò)改變工藝補(bǔ)充面造型或調(diào)整工藝參數(shù)的常規(guī)方法難以有效降低零件成形的回彈，需要對(duì)拉深工藝模面進(jìn)行回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

運(yùn)用AutoForm 回彈補(bǔ)償模塊可基于回彈結(jié)果對(duì)模具零件型面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后運(yùn)行新的增量法模擬，然后將模擬結(jié)果與目標(biāo)模型進(jìn)行對(duì)比。若回彈量超出成形零件尺寸公差要求，則啟動(dòng)新一輪的迭代循環(huán)，若回彈量在成形零件尺寸公差要求內(nèi)，則可將補(bǔ)償向量場(chǎng)或補(bǔ)償后的模具零件型面導(dǎo)出，作為拉深工藝模面回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。將AutoForm 回彈補(bǔ)償結(jié)果導(dǎo)入CATIA 軟件，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深工藝模面進(jìn)行逆向重構(gòu)，將逆向重構(gòu)數(shù)據(jù)以txt格式輸出，再次導(dǎo)入CATIA 軟件進(jìn)行曲面驅(qū)動(dòng)變形。通過(guò)控制點(diǎn)的合理選擇和邊界約束設(shè)置，使變形后的拉深工藝模面達(dá)到G2連續(xù)，滿足成形零件外觀曲面光順性要求。回彈補(bǔ)償方案基本原理及補(bǔ)償后的拉深工藝模面如圖7所示。

圖7 回彈補(bǔ)償方案原理與補(bǔ)償后的拉深工藝模面

經(jīng)過(guò)多輪循環(huán)補(bǔ)償，發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深回彈量越來(lái)越小，圖8 所示為發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板最終補(bǔ)償后的回彈數(shù)值云圖。由圖8 可知，補(bǔ)償后的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深回彈量已全部降低至0.5 mm 以內(nèi)，滿足成形零件尺寸精度要求，回彈補(bǔ)償達(dá)到預(yù)期效果。

圖8 拉深工藝模面補(bǔ)償后回彈數(shù)值云圖

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)獲得回彈補(bǔ)償?shù)某尚伟l(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的沖模進(jìn)行試模驗(yàn)證，試驗(yàn)選用額定壓力為20 000 kN的機(jī)械壓力機(jī)，工藝參數(shù)與最終仿真方案保持一致，得到的試模樣件及成形零件各部位等效厚度減薄率如圖9 所示。由圖9 可知，采用鋅鋁鎂鍍層板的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板成形質(zhì)量較好，無(wú)開(kāi)裂、起皺，且成形零件表面光滑、無(wú)劃傷、拉傷及鋅粉脫落等缺陷，拉深回彈量也較小，均控制在0.5 mm 以內(nèi)，無(wú)需對(duì)沖模進(jìn)行修改，試模結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，符合零件成形質(zhì)量要求，解決了鋅鋁鎂鍍層板在發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板上應(yīng)用的難題。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于AutoForm 模擬鋅鋁鎂鍍層板的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板拉深成形過(guò)程，研究了拉深工藝模面造型對(duì)鋅鋁鎂鍍層板成形性的影響，通過(guò)調(diào)整拉深工藝模面結(jié)構(gòu)可以有效提高零件的成形質(zhì)量。

（2）通過(guò)改變拉深凸、凹圓角及拉深筋圓角可以改善鋅鋁鎂鍍層板材料流動(dòng)性能，使拉深成形后的零件應(yīng)力、應(yīng)變均勻分布，解決了鋅鋁鎂鍍層板拉深開(kāi)裂的問(wèn)題。

（3）借助AutoForm 增量求解法對(duì)拉深工藝模面循環(huán)補(bǔ)償，為發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板在CATIA 軟件中進(jìn)行回彈補(bǔ)償設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)參考，快速準(zhǔn)確地解決了鋅鋁鎂鍍層板拉深回彈量過(guò)大的問(wèn)題，達(dá)到了鋅鋁鎂鍍層板零件成形精度要求。

圖9 試模樣件與等效厚度減薄率

（4）利用數(shù)值模擬和試模試驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了鋅鋁鎂鍍層板在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板上應(yīng)用的可行性。研究表明，鋅鋁鎂鍍層板可直接用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板的沖壓成形，無(wú)需特殊處理，成形過(guò)程中，鋅鋁鎂鍍層與基體連接良好，不會(huì)與基體分離或出現(xiàn)變形不同步的問(wèn)題，對(duì)于該材料在汽車行業(yè)的擴(kuò)大應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。