高強(qiáng)度零件局部凸包成形缺陷分析

韓忠英，張小勇

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 201814）

0 引言

目前，汽車輕量化是應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要手段之一。輕量化主要可從兩個(gè)方面考慮：一是車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以達(dá)到減少零件數(shù)量和減輕零件質(zhì)量的目的；二是材料的優(yōu)化，通過(guò)合理地應(yīng)用材料來(lái)達(dá)到減輕車身質(zhì)量的目的。高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用，不僅能減薄零件的厚度以達(dá)到減輕零件質(zhì)量的目的，同時(shí)可以保證車身的安全性、耐撞性、舒適性和抗震性等[1-2]。

材料強(qiáng)度的提高，對(duì)模具開(kāi)發(fā)提出了更高的要求。高強(qiáng)度鋼板的高抗拉強(qiáng)度和高抗剪強(qiáng)度，使得其沖壓過(guò)程中非常容易出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等缺陷，這也成為制約其快速發(fā)展的重要原因[3]。本文將以某副車架左右梁為例，針對(duì)高強(qiáng)度零件局部凸包可能出現(xiàn)的成形缺陷進(jìn)行研究，分析其可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，并通過(guò)數(shù)值仿真，建立局部特征成形的質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。

1 高強(qiáng)度零件局部凸包缺陷分析

高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用可以提高零件的強(qiáng)度，可通過(guò)減小料厚的方式來(lái)減輕零件的質(zhì)量，同時(shí)也由于其強(qiáng)度高引起材料塑性下降、成形性能變差，而屈服強(qiáng)度的提高則引起面畸變和回彈效應(yīng)，增加了尺寸和形狀的不穩(wěn)定性。高強(qiáng)度零件常見(jiàn)的成形缺陷包括起皺、開(kāi)裂、回彈和扭曲等[4-6]。對(duì)高強(qiáng)度零件的局部特征來(lái)說(shuō)，最重要的質(zhì)量缺陷是起皺和開(kāi)裂。本文主要研究某副車架左右梁下片（如圖1）局部凸包的成形缺陷。

圖1 副車架左梁下片

左右梁的材料為HR550LA，其材料性能如表1所示。

表1 HR550LA力學(xué)性能

1.1 起皺

起皺在車身鈑金沖壓成形中的出現(xiàn)非常頻繁，在造型比較復(fù)雜的高強(qiáng)度零件沖壓過(guò)程中也是經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量特征，對(duì)于局部的凸包等細(xì)節(jié)特征，更應(yīng)該值得關(guān)注。在沖壓件發(fā)生變形的時(shí)候，由于受到的壓應(yīng)力超過(guò)材料的受力極限導(dǎo)致其法向失穩(wěn)而引起起皺缺陷[7]。

本例中，由于凸包的深度比較大（如圖2），周邊材料進(jìn)料困難，一次成形必然會(huì)導(dǎo)致零件的開(kāi)裂，考慮先成形較大的凸包，以保證其后序成形過(guò)程中有足夠的材料（如圖3）。

圖2 零件凸包尺寸

圖3 拉延和成形工藝造型

由于局部凸包的深度比較大，且兩側(cè)的小平面需要足夠的位置和平面度來(lái)保證控制臂的安裝，在小平面及其周邊非常容易出現(xiàn)積料的現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 零件起皺

1.2 開(kāi)裂

開(kāi)裂是在成形過(guò)程中最為常見(jiàn)的缺陷之一，是由于沖壓件在拉伸過(guò)程中拉應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致材料完全失穩(wěn)而造成的破裂情況[7]。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，一般很難確定其材料的塑性變形情況。本例中，下片凸包位置出現(xiàn)開(kāi)裂的位置如圖5所示。

圖5 零件開(kāi)裂

1.3 起皺與開(kāi)裂的原因分析

引起零件起皺和開(kāi)裂的原因非常多，綜合起來(lái)可以歸納為零件材料、模具工藝造型及工藝參數(shù)等[8]。

材料的延伸率及強(qiáng)度在很大程度上決定了零件的可成形性；合理的模具工藝造型對(duì)成形性能的影響非常大，能否順利沖壓成形，很大程度上是由工藝造型決定的；工藝參數(shù)設(shè)置是否合理，決定了零件是否有開(kāi)裂、起皺等缺陷的出現(xiàn)，也是沖壓成形穩(wěn)健性的基礎(chǔ)。

1.4 改善起皺與開(kāi)裂的對(duì)策分析

鋼板的強(qiáng)度越高，成形性能越差。使部件形狀平直化，是一種有效的解決方法。在出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等缺陷的情況下，適當(dāng)調(diào)整壓邊力、調(diào)整下料尺寸和進(jìn)料方向，以及調(diào)整壓料筋大小和高度等，可使起皺開(kāi)裂得到改善[8]。本文研究的是零件的局部凸包起皺和開(kāi)裂，主要從模具工藝造型和工藝參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行調(diào)整。

在模具工藝造型方面，主要從造型的位置和大小等方面做出相應(yīng)的調(diào)整，比如先成形大致形狀后通過(guò)整形的方式得到需要的造型，或者先成形反方向的凸包，再通過(guò)整形的方式得到最終的造型等。

在工藝參數(shù)方面，主要是通過(guò)工藝參數(shù)的調(diào)整來(lái)改善材料的流入速度，以達(dá)到控制材料走向和速度的目標(biāo)。主要的工藝參數(shù)包括模具R角大小的調(diào)整、模具潤(rùn)滑條件的調(diào)整及坯料尺寸的調(diào)整等。

2 成形數(shù)值仿真

由于零件的造型復(fù)雜，很難用簡(jiǎn)單的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，這里對(duì)局部凸包采用數(shù)值仿真軟件AutoForm進(jìn)行成形性能分析[9]。

針對(duì)本例中零件的凸包，采用兩種不同的造型進(jìn)行分析，觀察其零件厚度的變化，以零件的變薄率作為評(píng)判方案可行性的標(biāo)準(zhǔn)，即零件的變薄率不超過(guò)材料的延伸率，零件的增厚不超過(guò)零件厚度的10%。選用兩種不同的工藝造型進(jìn)行分析，方案一先成形反向的凸包，再通過(guò)整形達(dá)到零件要求（如圖6），方案二先成形大致的凹包形狀，再通過(guò)整形的方式達(dá)到所需要的形狀（如圖7）。

圖6 工藝造型設(shè)計(jì)方案一

圖7 工藝造型設(shè)計(jì)方案二

在AutoForm軟件中設(shè)置好相關(guān)的工藝參數(shù)和工具，并進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的減薄結(jié)果，如圖8和圖9所示。

圖8 方案一CAE分析結(jié)果

圖9 方案二CAE分析結(jié)果

通過(guò)對(duì)比兩種方案的減薄的CAE分析結(jié)果，與材料的斷后延伸率相比，方案二優(yōu)于方案一（如表2）。

表2 最大變薄率分析結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)以上兩種方案分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果方案一（如圖10）沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，但是兩小平面處有起皺出現(xiàn)。方案二（如圖11）滿足零件設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂和起皺的現(xiàn)象。

圖10 方案一驗(yàn)證結(jié)果

在CAE的仿真過(guò)程中，方案一出現(xiàn)了起皺的現(xiàn)象，實(shí)際的沖壓零件也出現(xiàn)了起皺的現(xiàn)象，零件品質(zhì)達(dá)不到要求。因此，需要對(duì)高強(qiáng)度厚板零件的局部成形質(zhì)量進(jìn)行重新評(píng)判，需要在仿真中增加板料過(guò)程狀態(tài)的確認(rèn)，是否有起皺的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

在高強(qiáng)度厚板零件沖壓工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要特別關(guān)注局部造型的成形質(zhì)量。

1）模具工藝造型是零件成形的基礎(chǔ)，設(shè)置合理的工藝造型是減少成形缺陷出現(xiàn)的關(guān)鍵所在；

圖11 方案二驗(yàn)證結(jié)果

2）零件的工藝參數(shù)是改善成形缺陷的重要因素，需要在工藝設(shè)計(jì)及模具調(diào)試過(guò)程中靈活應(yīng)用；

3）高強(qiáng)度零件工藝設(shè)計(jì)中，整體零件質(zhì)量評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該與局部的特征評(píng)價(jià)區(qū)別對(duì)待，建立零件局部造型的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。