汽車橫梁加強板成形工藝設計及成形優(yōu)化

林啟豪，陳其生，劉萍萍

汽車橫梁加強板成形工藝設計及成形優(yōu)化

林啟豪，陳其生，劉萍萍

（泉州職業(yè)技術大學 中營汽車學院，福建 晉江 362268）

為解決某品牌汽車的橫梁加強板成形質量問題，完成沖壓工序、沖壓方向、工藝補充面和拉延筋等關鍵工藝的設計，通過Dynaform軟件完成變壓邊力、模具間隙、沖壓速度和摩擦系數(shù)等4個工藝參數(shù)的正交實驗，確定最佳工藝參數(shù)組合并進行仿真分析和試模實驗，實驗結果表明：試模件的最大厚度為1.28mm、最小厚度為1.05mm、最大回彈量為1.31mm，試模件與仿真結果的最大厚度、最小厚度和最大回彈量誤差分別為1.6%、3.8%和6.1%，結果均符合設計要求。

汽車橫梁；沖壓成形；工藝參數(shù)；成形優(yōu)化

汽車數(shù)量的日益增多以及其使用的日益普及，導致汽車尾氣對環(huán)境的污染越來越嚴重，石油能源也越來越短缺。通過減輕車身重量可以降低油耗和減少二氧化碳的排放，因此，如何實現(xiàn)汽車輕量化受到各大汽車產商的關注，成為汽車企業(yè)的研究重點[1–2]。汽車輕量化的主要方法有結構優(yōu)化和材料優(yōu)化，其中材料優(yōu)化主要是利用高性能材料替換傳統(tǒng)材料以達到減輕車身重量目的。高強鋼是一種高性能材料，具有較高的安全性，能在汽車輕量化中得到廣泛應用[3–4]。但高強鋼在成形過程中常常會有開裂、拆皺和回彈等缺陷，開裂會影響零件的安全性，拆皺會影響零件的美觀，回彈會影響到零件后續(xù)的裝配精度，因此，如何排除這些缺陷是汽車零件成形研究的重點[5–6]。影響汽車零件成形質量的因素有很多，如果僅靠現(xiàn)場工程師通過調整相關參數(shù)來消除缺陷，則需要消耗大量時間成本和物質成本，影響汽車生產周期。隨著有限元技術的發(fā)展，可以通過仿真軟件對零件成形工藝和成形參數(shù)進行分析，使其達到最優(yōu)狀態(tài)。本文以某品牌汽車的橫梁加強板為實例，通過工藝分析完成成形工序的設計，利用正交實驗法完成變壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和模具間隙等4個成形工藝參數(shù)優(yōu)化。

1 汽車橫梁加強板成形工藝設計

1.1 沖壓成形工序設計

圖1為某品牌汽車的橫梁加強板三維設計圖，零件在橫梁上起著加強穩(wěn)固作用。零件設計厚度為1.2mm，要求零件成形后厚度在0.96～1.32mm之間，最大回彈量要求要小于1.5mm。從圖1可以看出，零件左右不完全對稱，中間區(qū)域深度較深，左右兩側與中間區(qū)域過渡角比較容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，根據(jù)零件特點和模具設計要求，零件成形工序擬設為拉延–修邊沖孔–翻邊–整形。

圖1 汽車橫梁加強板

1.2 沖壓成形工藝設計

1.2.1 沖壓方向選擇

沖壓方向是沖壓成形工藝設計的最關鍵一步，適當?shù)臎_壓方向能讓模具上模順利進入下模，同時也可使板料受力均勻使板料塑性變形更充分，提高成形質量[7]。汽車橫梁加強板的成形采用凸模在下凹模在上的加載方式，成形時要確保上下模的工作面都接觸，一次性完成成形；同時壓料面要保持進料阻力均勻，如果進料阻力不均勻，則會引起材料在模具中竄動，從而降低零件的成形質量，因此，選擇零件左右兩側平面的法線作為沖壓方向，如圖2所示。

圖2 汽車橫梁加強板沖壓方向

1.2.2 工藝補充面設計

汽車橫梁加強板需要多個工序成形，為保證拉延工序順利進行，需要將零件孔、槽以及邊緣進行填充和增補設計，工藝補充要滿足拉深、壓料等要求，完成工藝補充面和壓料面如圖3所示。

圖3 工藝補充面

1.2.3 拉延筋設計

拉延筋在拉延中起著控制板料流動的作用，其設計是否合理直接影響到成形質量[8]。拉延筯有圓形筋、矩形筋、三角筋和階梯形筋等4種，其中圓形筋使用最為廣泛[9]。

圖4 拉延筋設計

圖4為汽車橫梁加強板圓形筋拉延筋分布，零件中間區(qū)域拉延較深，在拉延時四周的材料會快速向中間流動，造成起皺或成形不足夠現(xiàn)象，零件的左右兩側凸圓角在成形時材料流動性差容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，為防止上述問題對拉延筋進行分段設計。

1.2.4 有限元模型設計

將上述設計好的凹模型面導入有限元Dynaform軟件，完成凹模、凸模、壓邊圈和板料以及材料參數(shù)等設置，如圖5所示。板料牌號為B530L，參數(shù)見表1。

表1 板料參數(shù)

圖5 有限元模型

2 汽車橫梁加強板成形優(yōu)化研究

2.1 正交實驗方案設計

影響零件成形的因素除了模具設計因素外還有成形工藝參數(shù)，例如壓邊力、沖壓速度、模具間隙和摩擦系數(shù)等參數(shù)，其中壓邊力最關鍵[10]。壓邊力是指成形過程中施加于壓邊圈上的作用力，壓邊力分為恒定壓邊力和變壓邊力，恒定壓邊力是指在成形中壓邊力大小一直是一個恒定值，變壓邊力是指在成形中壓邊力的大小隨壓邊圈行程或時間的變化而變化的一種形式，變壓邊力與恒定壓邊力相比能夠更有效控制成形中板料的流動性，從而更好減少零件出現(xiàn)開裂和折皺等缺陷。

選取變壓邊力、模具間隙、沖壓速度和摩擦系數(shù)作為正交試驗因素，以最大厚度和最小厚度為評價目標進行工藝參數(shù)優(yōu)化。變壓邊力形式有遞增型、遞減型、Λ型和V型等形式，根據(jù)壓邊力計算公式（式1）計算得變壓邊力的最高值為3500kN、最低值為2500kN，完成三種加載形式設計如圖6所示；根據(jù)沖壓成形模具間隙的推薦取值為板料厚度的1.0～1.2倍之間，本實驗模具間隙選取1.2mm、1.32mm和1.44mm；沖壓速度的大小會影響生產效率，根據(jù)經(jīng)驗通常為3000～6000mm/s，考慮到實際機床的狀況本實驗沖壓速度選取3000mm/s、4000mm/s和5000mm/s；影響摩擦的因素有很多，為了能符合真實生產情況，摩擦系數(shù)通常在0.1～0.3之間，本實驗摩擦系數(shù)選取0.15、0.20和0.25，各因素各水平取值表見表2。

=×（1）

式中：為壓邊力（kN）；為壓邊圈的面積（mm2）；為單位壓邊力（MPa）。

表2 各因素各水平取值

圖6 變壓邊力加載形式

2.2 正交結果及優(yōu)化

將正交實驗的各工藝參數(shù)組合通過有限元Dynaform軟件進行仿真成形分析，獲得各工藝參數(shù)組合的最大厚度和最小厚度的結果，如表3所示。從表3分析結果可以看出，9組實驗零件的最大厚度在1.08～1.23mm之間均無超過零件允許值（最大厚度小于1.32mm），最小厚度在0.93～1.17mm之間，第1和7組實驗的最小厚度超過零件允許值（最小厚度大于0.96mm），9組實驗最大回彈量在1.97～2.59mm之間，均超過允許值（回彈小于1.5mm）。

表3 各工藝參數(shù)組的正交試驗分析結果

為進一步分析各因素對評價目標影響的主次程度和優(yōu)化最佳工藝參數(shù)組合，對實驗結果進行極差分析，如表4和表5所示。其中極差值大小是反應因子的水平對實驗結果的影響主次程度。從表4可以看出影響零件最大厚度因素的主次順序為變壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、模具間隙，從表5可以看出影響零件最小厚度因素的主次順序為變壓邊力、模具間隙、沖壓速度、摩擦系數(shù)。由于汽車橫梁加強板屬于內部零件，不受外觀影響且9次實驗結果最大厚度都符合設計要求，而過小的厚度會使零件剛強不足影響零件的安全性，因此，將最小厚度作為主評價目標，最大厚度作為次評價目標，獲得最佳工藝參數(shù)為變壓邊力形式3、模具間隙1.44mm、沖壓速度4000mm/s、摩擦系數(shù)0.25。

表4 最大厚度的極差分析

表5 最小厚度的極差分析

2.3 最佳工藝參數(shù)模擬分析

將上述的最佳工藝參數(shù)在有限元Dynaform軟件進行拉延仿真和切邊分析，得到優(yōu)化后零件的成形極限（圖7）、零件厚度分布結果（圖8）和切邊回彈分布結果（圖9）。

圖7 零件的成形極限

圖8 零件的厚度分布

圖9 零件的回彈分布

從圖7中可以看出，零件無開裂現(xiàn)象，整體成形質量良好；從圖8可以看出零件最大厚度為1.26mm、最小厚度為1.01mm，均符合設計要求；從圖9可以看出零件回彈主要是發(fā)生在左側，最大回彈量為1.23mm符合設計要求，相比表3實驗結果的最大回彈量有明顯降低。

3 試模驗證

根據(jù)設計的模具型面通過CAD軟件完成拉延工序模具設計如圖10所示。將最佳工藝參數(shù)應用于實驗中，完成零件試模并利用激光切割機切除試模件邊緣和孔區(qū)域的材料，如圖11所示。從圖11可以看出，零件成形充分，無開裂現(xiàn)象，中間區(qū)域有輕微起皺現(xiàn)象，整體質量較好。通過厚度測量儀和檢具測得試模件的最大厚度為1.28mm，最小厚度為1.05mm，最大回彈量為1.31mm，誤差均在設計要求范圍內；試模件與仿真結果的最大厚度、最小厚度和最大回彈量誤差分別為1.6%、3.8%和6.1%，說明了工藝設計和成形工藝參數(shù)優(yōu)化的有效性。

圖10 拉延工序模具設計

圖11 試模件

4 結語

通過對零件結構的分析，完成了補充面和拉延筋設計以及有限元模型設計；采用有限元Dynaform軟件進行正交實驗，得出影響零件最大厚度因素的主次順序為變壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、模具間隙，影響零件最小厚度因素的主次順序為變壓邊力、模具間隙、沖壓速度、摩擦系數(shù)。確定最佳工藝參數(shù)為變壓邊力形式3、模具間隙1.44mm、沖壓速度4000mm/s、摩擦系數(shù)0.25，并進行仿真分析和試模實驗，實驗結果表明：優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合成形質量較好，最大厚度為1.28mm，最小厚度為1.05mm，最大回彈量為1.31mm，誤差均在零件設計要求范圍內。

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Forming Process Design and Optimization of Automobile Beam Stiffener

LIN Qi-hao, CHEN Qi-sheng, LIU Ping-ping

(Zhongying Automobile College, Quanzhou Vocational and Technical University, Jinjiang Fujian 362268, China)

In order to solve the forming quality problem of beam stiffener of a brand of automobile, the design of key processes such as stamping process, stamping direction, process supplementary surface and drawing rib is completed. The orthogonal experiments of four process parameters such as variable blank holder force, die clearance, stamping speed and friction coefficient are completed through Dynaform software. The optimal combination of process parameters is determined, and the simulation analysis and mold test experiment are carried out. The experimental results show that the maximum thickness of the test mold is 1.28mm, the minimum thickness is 1.05mm and the maximum springback is 1.31mm. The errors of the maximum thickness, minimum thickness and maximum springback between the test mold and the simulation results are 1.6%, 3.8% and 6.1% respectively. The results meet the design requirements.

stamping forming; process parameters; forming optimization

2022-04-13

福建省教育廳中青年教師教育科研項目（JZ180975）

林啟豪（1987—），男，廣東信宜人，講師，碩士，研究方向：汽車輕量化、車輛工程、新能源汽車。

TG386.1

A

2095-9249（2022）03-0032-05

〔責任編校：吳侃民〕