汽車(chē)前門(mén)內(nèi)板起皺分析與優(yōu)化

唐浩興，洪杰偉，溫彤

（1.重慶郵電大學(xué) 先進(jìn)制造工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 400023；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

汽車(chē)覆蓋件由于形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、相對(duì)厚度小、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，且輪廓內(nèi)部帶有局部形狀、成形工序多，是車(chē)身制造生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但沖壓成形過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺、擦傷、凹痕等缺陷[1-3]。尤其是起皺，不僅降低成形產(chǎn)品表面質(zhì)量、影響裝配工藝，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷模具，對(duì)生產(chǎn)造成損失。關(guān)于材料抗皺性能的測(cè)試，方板對(duì)角拉伸試驗(yàn)（Yoshida buckling test，YBT）方法因試樣簡(jiǎn)單、操作方便而被廣泛應(yīng)用[4-6]。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，旨在獲取板材復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)[7-11]，如在方板或矩形板中心開(kāi)圓孔的方法[12]，對(duì)于研究材料的起皺性能具有重要意義。

針對(duì)某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的停產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)后，重新生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的起皺現(xiàn)象，如圖1（a）所示。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)鑒定，一方面是由于設(shè)備保養(yǎng)等僅是常規(guī)清潔，模具整體狀態(tài)可視為不變；另一方面，在此期間廠家提供的材料批次也不一致，為避免反復(fù)試錯(cuò)和節(jié)約成本[13]，結(jié)合有限元技術(shù)，將后一批次材料的力學(xué)性能參數(shù)導(dǎo)入Auto-Form進(jìn)行全工序（包括落料、拉深、修邊、沖孔、翻邊、整形等）分析，對(duì)應(yīng)的起皺結(jié)果如圖1（b）所示。

由圖1可知，模擬起皺的位置及起皺程度與實(shí)際匹配度較好，說(shuō)明利用AutoForm仿真板料實(shí)際沖壓過(guò)程的方法可靠?；诖?，首先從材料的角度，在測(cè)試相同牌號(hào)、不同批次板材的基本力學(xué)性能后，根據(jù)帶夾持端的開(kāi)孔方板和開(kāi)孔矩形板單向拉伸方法對(duì)比2種材料的抗皺性，并結(jié)合車(chē)門(mén)起皺模擬進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)選材提供參考。其次從工藝的角度，分別在拉深筋的參數(shù)設(shè)計(jì)與布局兩方面對(duì)門(mén)板的起皺缺陷進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 前門(mén)內(nèi)板成形起皺

1 材料抗皺性能測(cè)試與驗(yàn)證

針對(duì)A和B兩個(gè)不同批次生產(chǎn)的厚度為0.7 mm的DC05鋼板（以下簡(jiǎn)稱(chēng)A/B材料），為獲得其基本力學(xué)性能并對(duì)比二者抗皺性，采用的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和開(kāi)孔試樣的尺寸與實(shí)物如圖2所示。

圖3所示分別是A、B材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的力-位移和真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再將后者對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)按照公式（1）所表示的Ludwig本構(gòu)方程擬合，其他參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，A的屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度系數(shù)、最大承載能力等都略高于B，但二者的加工硬化指數(shù)卻相同。因此，根據(jù)Szacinski的研究結(jié)論[5]，即屈服強(qiáng)度越高，起皺傾向越大，初步判斷B的抗皺性優(yōu)于A。

圖3 材料力學(xué)性能

其中，σtrue為真實(shí)應(yīng)力，MPa；σ0為屈服強(qiáng)度，MPa；ε為真實(shí)塑性應(yīng)變；K為強(qiáng)度系數(shù)，MPa；n為硬化指數(shù)。

由圖2可知，開(kāi)孔方板夾持端的長(zhǎng)、寬均為40 mm，開(kāi)孔矩形板夾持端的長(zhǎng)、寬分別為30、70 mm，一端固定，另一端將開(kāi)孔的方板和矩形板分別拉伸至5、10 mm，速度均為0.1 mm/s。由圖4可知，在相同條件下A材料的拉伸載荷略高。若A/B試樣均起皺，則起皺高度較高的材料抗皺性能較差。因此將表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到有限元模型中，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比試樣的起皺高度。

圖2 試樣尺寸與實(shí)物

圖4 開(kāi)孔方板和矩形板的載荷-位移曲線

圖5所示為開(kāi)孔板的試驗(yàn)結(jié)果與利用Abaqus軟件模擬得到的最大起皺高度（即面外位移U3）對(duì)比。由圖5可以看出，在相同加載位移下，均出現(xiàn)明顯的起皺現(xiàn)象。雖然A的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度系數(shù)均高于B，但A在承受較大載荷時(shí)，其起皺高度仍低于B；且A對(duì)應(yīng)的開(kāi)孔方板試樣兩側(cè)對(duì)角反向翹起的高度、開(kāi)孔矩形板試樣水平中心軸線的外邊界處向內(nèi)折疊的位移都低于B。因此A的抗皺性能優(yōu)于B，這與參考文獻(xiàn)[5]中的結(jié)論相反，說(shuō)明板材的抗皺性與屈服強(qiáng)度無(wú)直接關(guān)系，與參考文獻(xiàn)[14]中的結(jié)論一致。此外，有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)的平均誤差約為5.6%，具有較高的精度和參考價(jià)值。

圖5 試驗(yàn)與模擬的起皺結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證該結(jié)果，將表1中的參數(shù)導(dǎo)入門(mén)板模型，利用AutoForm模擬第一道次沖壓及回彈結(jié)束后的成形效果。

表1 材料性能參數(shù)

圖6所示為A/B材料的門(mén)板起皺云圖，并對(duì)比3個(gè)相同參考點(diǎn)的Wrinkles值。由圖6可以看出，A板起皺的分布相對(duì)均勻、數(shù)值較??；而B(niǎo)板在左下側(cè)靠近鉸鏈連接處的數(shù)值較大。因此A板的起皺程度略小于B板，其抗皺性比B板高約12.4%。

圖6 模擬的門(mén)板起皺結(jié)果對(duì)比

綜上分析，A材料的抗起皺性能優(yōu)于B材料，該方法可為汽車(chē)主機(jī)廠選擇材料供應(yīng)商提供參考。

2 拉深筋布局及參數(shù)優(yōu)化

起皺位置的應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，①、③區(qū)域的主應(yīng)變?yōu)檎?、次?yīng)變?yōu)樨?fù)，起皺現(xiàn)象由面內(nèi)壓應(yīng)力引起；而②區(qū)域的主、次應(yīng)變均為正，說(shuō)明起皺并非由壓應(yīng)力超過(guò)板材的穩(wěn)定極限導(dǎo)致，而是因?yàn)樵撎巿A角偏小，板材在成形過(guò)程中與模具零件接觸時(shí)，受模具零件“擠壓”的速度較大，材料來(lái)不及向周?chē)鲃?dòng)而受限于一個(gè)較為狹小的區(qū)域內(nèi)，造成局部堆積而表現(xiàn)為起皺。因此，在模具零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大該區(qū)域的過(guò)渡圓角，或在生產(chǎn)時(shí)減小沖壓速度、增大壓邊力等措施來(lái)緩解該缺陷。

圖7 典型起皺位置的主應(yīng)變與次應(yīng)變

通常在板材周?chē)O(shè)置拉深筋以調(diào)節(jié)材料流動(dòng)，避免起皺，獲得變形均勻的產(chǎn)品。板材在流經(jīng)筋槽及過(guò)渡圓角時(shí)，會(huì)發(fā)生反復(fù)的彎曲與反彎曲變形，同時(shí)造成較強(qiáng)的應(yīng)變硬化效應(yīng)以及接觸產(chǎn)生的摩擦，這三部分共同組成了拉深筋的阻力。

選取AutoForm自適應(yīng)圓形截面線型筋，并在局部設(shè)置雙筋，布局如圖8（a）所示，由于產(chǎn)品對(duì)稱(chēng)，僅對(duì)左半邊拉深筋編號(hào)進(jìn)行研究，對(duì)①區(qū)域的材料流動(dòng)起主要作用的是9～12以及18號(hào)筋；影響②/③區(qū)域的則是14和19號(hào)筋。

因此，針對(duì)①位置的起皺，9/11/12號(hào)筋的進(jìn)料阻力需增大，由于10號(hào)筋鄰近較高的工藝吸皺筋，繼續(xù)增加阻力可能會(huì)將材料局部阻擋在外，增大了①區(qū)域上方焊接線處的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，故其阻力系數(shù)可保持不變或適當(dāng)減??；12號(hào)筋對(duì)應(yīng)的吸皺筋與模型的高度差較平緩，需將18號(hào)筋向產(chǎn)品內(nèi)側(cè)靠攏，與12號(hào)形成近平行的雙筋并降低材料從11號(hào)筋與12號(hào)筋間隙流入的幾率。

由于②/③位置臨近且圓角和拔模斜度均較小，若持續(xù)增大14號(hào)筋阻力，雖然可改善起皺，但易導(dǎo)致焊接線在④處開(kāi)裂。因此，將14號(hào)筋拆分為14-1（左，對(duì)應(yīng)②）和14-2（右，對(duì)應(yīng)③）兩段，結(jié)合上述分析，需增加14-1的阻力系數(shù)以減少材料流入、提高對(duì)該處材料的拉應(yīng)力；將14-2號(hào)筋阻力設(shè)為零。同時(shí)旋轉(zhuǎn)19號(hào)筋，與14-1外側(cè)形成雙筋以增大局部阻力的同時(shí)，使其余材料更容易流進(jìn)14-2區(qū)域，降低④位置焊接線的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化后的拉深筋布局與編號(hào)如圖8（b）所示。

根據(jù)Stoughton拉深筋阻力模型[15]可知，筋的阻力隨著筋高度的增大、筋（和筋槽）圓角半徑的減小而增大，參考實(shí)際生產(chǎn)，設(shè)置筋寬為15 mm，可得圖8（b）中各筋及溝槽的尺寸，如表2所示。優(yōu)化前、后的拉深筋阻力參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前、后拉深筋阻力相關(guān)參數(shù)

圖8 拉深筋布局及編號(hào)

表2 圓形筋及對(duì)應(yīng)筋槽的尺寸 mm

經(jīng)全工序模擬得到的最終起皺結(jié)果對(duì)比如圖9所示，①/②區(qū)域起皺的最大值已由0.065/0.095 mm減小到0.016/0.049 mm，質(zhì)量分別提升了75.4%和48.4%。結(jié)合圖1可知，實(shí)際生產(chǎn)中①區(qū)域的起皺最嚴(yán)重，從優(yōu)化后的結(jié)果可以看出，起皺缺陷基本消除。

圖9 拉深筋優(yōu)化前與優(yōu)化后后門(mén)板的起皺結(jié)果對(duì)比

③區(qū)域的起皺優(yōu)化結(jié)果不明顯，這是由于一方面稍增大壓邊力或?qū)?yīng)拉深筋的進(jìn)料阻力會(huì)造成焊接線在④位置開(kāi)裂；另一方面起皺分布在底部的小圓角處，與凹模接觸時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料表面局部硬化形成沖擊痕跡，在沖壓過(guò)程中隨著材料流動(dòng)而顯現(xiàn)。

圖10所示為優(yōu)化前后的成形性對(duì)比，優(yōu)化后拉深不充分的區(qū)域減少，板材變形更加均勻，無(wú)過(guò)度減薄或開(kāi)裂，受壓應(yīng)力作用出現(xiàn)起皺缺陷的范圍減小和風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低，尤其是①區(qū)域。因此，優(yōu)化拉深筋后前門(mén)內(nèi)板的成形效果更好。

圖10 門(mén)板成形性

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板沖壓起皺的實(shí)例，從材料和工藝2個(gè)方面考慮，對(duì)比了板材抗皺性、優(yōu)化了拉深筋，并結(jié)合數(shù)值模擬驗(yàn)證，得到的主要結(jié)論如下。

（1）同牌號(hào)不同批次的材料性能存在差異，通過(guò)開(kāi)孔矩形板和開(kāi)孔方板，對(duì)比起皺高度可知，A材料的抗皺性優(yōu)于B材料，并利用門(mén)板沖壓的起皺模擬結(jié)果驗(yàn)證，該方法可為主機(jī)廠評(píng)估原材料提供技術(shù)支撐。

（2）①、③區(qū)域起皺是受壓應(yīng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致，而②區(qū)域起皺則是由局部材料堆積形成?；诖?，改進(jìn)了拉深筋布局并調(diào)整了筋與筋槽的尺寸及相關(guān)阻力參數(shù)。

（3）優(yōu)化拉深筋后，起皺趨勢(shì)下降，焊接線處無(wú)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)品整體成形性良好。