車門外板用鋼沖壓開裂分析與仿真工藝優(yōu)化

梁笑 ，李春林 ，林利 ，徐鑫 ，李蕭彤 ，郝志強(qiáng)

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著近幾年汽車輕量化技術(shù)水平的不斷提高，汽車主機(jī)廠為了提升自身品牌競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)于車身的用材設(shè)計(jì)追求精益求精，一直致力于開展車身結(jié)構(gòu)件的輕量化減重以及非結(jié)構(gòu)件的技術(shù)降成本等材料替換研究工作。汽車外覆蓋件的重量較大，實(shí)施技術(shù)降本的效果較為明顯，此類零件常常作為工程技術(shù)人員的重點(diǎn)研究對(duì)象，車門外板作為一種常見的汽車外觀件，與一般的汽車結(jié)構(gòu)件相比，具有型面尺寸大，特征復(fù)雜、成形質(zhì)量要求高等特點(diǎn)［1］，由于其成形工藝設(shè)計(jì)難度較高，在材料應(yīng)用過程中很容易出現(xiàn)起皺及開裂等沖壓缺陷。影響零件發(fā)生沖壓起皺及開裂缺陷的因素很多，廣泛涉及到材料性能、零件特征、成形方案、工藝參數(shù)等諸多因素［2-4］，多年來隨著有限元仿真技術(shù)取得的長(zhǎng)足進(jìn)步，依靠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際沖壓來進(jìn)行工藝試錯(cuò)的經(jīng)驗(yàn)調(diào)試法已經(jīng)被逐漸淘汰，通過CAE仿真軟件能夠?yàn)榱慵O(shè)計(jì)全流程的成形工藝方案準(zhǔn)確預(yù)測(cè)板料在成形過程中可能出現(xiàn)的起皺、開裂等產(chǎn)品缺陷，大幅縮短汽車零部件的生產(chǎn)制造周期和工藝調(diào)試進(jìn)度［5］。本文針對(duì)某車門外板由于原材料替換為鞍鋼產(chǎn)品后引起的沖壓起皺和開裂問題，分析了兩種材料的力學(xué)性能及成形能力變化，同時(shí)利用成形仿真軟件開展了適用于鞍鋼產(chǎn)品的車門外板成形工藝研究。

1 試驗(yàn)材料與分析方法

1.1 試驗(yàn)材料及零件工藝分析

某新能源車型的車門外板如圖1所示，其框架尺寸為860 mm×1 170 mm×0.7 mm，由于在鞍鋼產(chǎn)品推廣過程中提議將車門外板用材由某鋼廠DC04鋼板替換為鞍鋼DC01產(chǎn)品，材料與模具的匹配性發(fā)生改變，從而導(dǎo)致零件在實(shí)際沖壓過程中出現(xiàn)起皺及開裂等問題，因此需要對(duì)材料替換前后的兩種牌號(hào)的成形能力差異及工藝方案展開研究分析。

圖1 車門外板Fig.1 Outside Panels of Vehicle Doors

圖1所示的車門外板為左右對(duì)稱零件，該零件的結(jié)構(gòu)特征適合采用一模兩件的工藝方案，一般而言，在滿足零件成形質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡可能減少工序數(shù)量以降低模具制造成本。因此，將該零件分為4個(gè)工序進(jìn)行沖壓成形，即落料—拉延—切邊沖孔—翻邊整形，其中拉延工序是整個(gè)技術(shù)方案中零件變形量最大，也是最容易出現(xiàn)起皺及開裂等產(chǎn)品缺陷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此將重點(diǎn)針對(duì)拉延工序展開成形工藝分析。

1.2 力學(xué)性能及成形極限分析

材料的力學(xué)性能及成形極限曲線是表征材料成形能力的主要技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)也是CAE仿真中定義材料模型時(shí)不可或缺的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)，因此，利用德國(guó)Zwick Z100材料拉伸試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》、GB/T 5028-2008《金屬材料-薄板和薄帶-拉伸應(yīng)變硬化指數(shù) （n值）的測(cè)定》和GB/T 5027-2016《金屬材料-薄板和薄帶-塑性應(yīng)變比（r值）的測(cè)定》［6-8］分別對(duì) DC01和 DC04兩種材料沿著鋼板軋制方向 0°、45°、90°制樣并開展單軸拉伸試驗(yàn)，分析兩種牌號(hào)之間的力學(xué)性能差異。通過美國(guó)ITC SP225萬能板材成形試驗(yàn)機(jī)，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15825.8-2008《金屬薄板成形性能與試驗(yàn)方法 第8部分 成形極限圖（FLD）測(cè)定指南》［9］沿著鋼板軋制方向90°制樣進(jìn)行兩種牌號(hào)的成形極限曲線測(cè)定，研究材料替換后的成形能力變化以及對(duì)工藝設(shè)計(jì)的影響。

1.3 仿真分析

以成形仿真軟件作為分析工具建立目前與實(shí)際模具狀態(tài)一致的單動(dòng)拉延仿真模型，研究材料替換后出現(xiàn)的起皺及開裂等產(chǎn)品缺陷，為了提高仿真軟件對(duì)成形結(jié)果的預(yù)測(cè)精度，根據(jù)力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果，利用Ludwik本構(gòu)模型輸入高擬合優(yōu)度的材料應(yīng)變硬化曲線，由于Hill屈服準(zhǔn)則對(duì)于r值大于1的鋼板具有較高的表征精度［10-11］，因此利用Hill屈服準(zhǔn)則建立材料的屈服軌跡，同時(shí)根據(jù)成形試驗(yàn)結(jié)果將材料的極限應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行回歸，然后建立材料的成形極限曲線，并以Table的形式輸入到材料卡片中。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能及成形性能結(jié)果分析

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)室溫試驗(yàn)方法》［6］中規(guī)定的P6試樣開展單向拉伸試驗(yàn)，兩種材料的力學(xué)性能如表1所示，DC04和DC01鋼板均存在明顯的各向異性，在沿著鋼板軋制方向 0°、45°、90°上都出現(xiàn)了一定程度的性能差異，通過對(duì)比DC04和DC01的強(qiáng)度性能發(fā)現(xiàn)，材料替換后的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有所提升，而在塑性性能方面，均勻延伸率Ag、總延伸率A80mm、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n值都略有下降，尤其是塑性應(yīng)變比r值降低的更為明顯。

表1 兩種材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical Properties of Two Types of Materials

材料的強(qiáng)度性能和塑性性能對(duì)零件的可成形性影響較大，屈服強(qiáng)度越小，板料在成形時(shí)發(fā)生塑性變形越容易，發(fā)生沖壓開裂的可能性也會(huì)降低，但是板料起皺發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)逐漸增加［12］。從表1可見，材料替換后屈服及抗拉強(qiáng)度提高了約20 MPa，說明材料發(fā)生塑性變形的難度增加，且屈服強(qiáng)度的提高會(huì)降低材料的成形能力，增加沖壓開裂的風(fēng)險(xiǎn)，由于車門外板等外覆蓋件在車身中不要求具有較大的承載能力，抗拉強(qiáng)度的提高對(duì)該零件的功能性影響不大。

均勻延伸率和總延伸率分別表征了材料抵抗頸縮變形和斷裂的能力，從表1中發(fā)現(xiàn)，材料替換后的均勻延伸率Ag和A80mm總延伸率下降了約1%，說明材料的塑性變形能力變差。應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n值代表材料進(jìn)入塑性變形后的硬化能力及均勻變形程度，n值在材料替換后變化不大，但塑性應(yīng)變比r值降低了約0.4，塑性應(yīng)變比r值代表板料在厚度方向抵抗塑性變形的能力，r值降低，板料在厚度方向的變形量會(huì)增加，在平面內(nèi)發(fā)生的變形量會(huì)降低，對(duì)沖壓成形不利。

DC04和DC01的成形極限曲線如圖2所示。

圖2 DC04和DC01的成形極限曲線Fig.2 Forming Limiting Curves of DC04 and DC01

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DC01在位于左半部分拉—壓變形區(qū)和平面應(yīng)變特征點(diǎn)FLD0與DC04相差不大，位于右半部分的拉—拉變形區(qū)的成形極限曲線與DC04相比略有下降，說明材料在抵抗拉—拉變形時(shí)的能力變差，總體來看，如果選擇用DC01作為替換材料，即使鋼板的大部分性能指標(biāo)變化不大，但材料的r值和雙拉變形區(qū)的極限應(yīng)變明顯降低，成形能力必然下降，從而導(dǎo)致材料與模具的匹配難度大幅增加，零件的成形工藝設(shè)計(jì)參數(shù)窗口變窄。

2.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)沖壓現(xiàn)場(chǎng)模具的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了車門外板單動(dòng)拉延的仿真模型，如圖3所示，該模型從上到下由凹模、板料、壓邊圈及凸模組成，其中，箭頭方向?yàn)楦髂＞叩倪\(yùn)動(dòng)方向。按照一模兩件的工藝方案設(shè)計(jì)矩形板料尺寸為1 045 mm×2 580 mm×0.7 mm，網(wǎng)格單元類型為EPS-11殼單元，單元細(xì)化精度為6級(jí)，最小單元尺寸為0.3 mm，最大單元尺寸為20 mm，按照材料替換前DC04的仿真工藝參數(shù)設(shè)置摩擦系數(shù)為0.15、壓邊力為1 150 kN、恒定拉延筋阻力系數(shù)為0.45、壓邊圈行程為260 mm。

圖3 拉延仿真模型Fig.3 Simulation Model for Drawing

2.2.1 成形極限分析結(jié)果

成形極限云圖能夠全面反映材料在沖壓過程中的變形情況，是評(píng)估零件可成形性的主要判定指標(biāo)，基于DC04的成形工藝參數(shù)及單動(dòng)拉延仿真模型，輸入DC01的材料性能卡片進(jìn)行仿真計(jì)算，建立的仿真模型是按照零件左右對(duì)稱性設(shè)計(jì)的一模兩件工藝方案，其計(jì)算結(jié)果以圖4的零件中心線為基準(zhǔn)左右對(duì)稱，在進(jìn)行分析時(shí)僅考慮單側(cè)的成形及減薄情況。

圖4 仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results

從圖4仿真結(jié)果可見，車門外板的零件特征面在拉延工序完成后大部分處于成形極限圖的安全區(qū)內(nèi)，然而，從圖4（a）發(fā)現(xiàn)，在零件四周及邊角（區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C）出現(xiàn)了不同程度的板料增厚及起皺情況，這些區(qū)域?qū)α慵卣饔绊懖淮?，可以在后續(xù)修邊工序中切除。從圖4（b）可見，在零件的側(cè)壁（區(qū)域D、區(qū)域E）存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，這些區(qū)域的板料變形量較大，已經(jīng)超過成形極限曲線的安全裕度區(qū)，說明按照當(dāng)前的工藝參數(shù)進(jìn)行沖壓存在很大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 減薄率分析結(jié)果

減薄率云圖能夠有效反映材料在成形過程中的厚度變化情況，是評(píng)估零件成形質(zhì)量、分析零件沖壓缺陷的關(guān)鍵因素，基于成形極限云圖的仿真分析結(jié)果，針對(duì)板料成形后的主要特征面及發(fā)生起皺和開裂缺陷的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行減薄率分析，研究板料替換成DC01后在成形過程中的流動(dòng)狀態(tài)和厚度減薄的變化趨勢(shì)。車門外板的總體減薄率分布如圖5所示，在零件主要特征面的減薄率基本在-9.0%～-3.9%，滿足最小減薄率-3%的成形工藝要求。

圖5 DC01車門外板的總體減薄率分布Fig.5 Distribution of Overall Thickness Reduction Rates for DC01 Outside Panels of Vehicle Doors

DC01局部區(qū)域減薄率仿真結(jié)果如圖6所示，由圖6可見，在區(qū)域A、區(qū)域B和區(qū)域C的板料變形量較小，說明板料的流動(dòng)性較差，在區(qū)域A的減薄率甚至出現(xiàn)了正值，說明板料在成形過程中的面內(nèi)變形受阻，發(fā)生了較為嚴(yán)重的板料堆疊增厚情況，從而導(dǎo)致沖壓成形后零件四周及邊角部位產(chǎn)生起皺。在區(qū)域D和區(qū)域E的最大減薄率分別達(dá)到了-41.2%和-29.0%，超過了材料減薄率-25%的成形安全極限，發(fā)生了材料的過度減薄，具有較大的沖壓開裂風(fēng)險(xiǎn)，這些風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的減薄率分析結(jié)果與成形極限云圖的預(yù)測(cè)結(jié)果形成了對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且，利用仿真分析預(yù)測(cè)的起皺及開裂情況與現(xiàn)場(chǎng)使用DC01來替換DC04進(jìn)行實(shí)際沖壓出現(xiàn)的結(jié)果基本一致，說明當(dāng)前建立的仿真模型精準(zhǔn)可靠，可以用來開展零件的可成形性分析及工藝優(yōu)化研究。

圖6 DC01局部區(qū)域減薄率仿真結(jié)果Fig.6 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

3 工藝優(yōu)化方案

由于材料替換后與模具的匹配關(guān)系已經(jīng)發(fā)生改變，保持原有的工藝參數(shù)顯然已經(jīng)不能滿足零件的成形質(zhì)量要求，為了研究適用于鞍鋼產(chǎn)品的車門外板成形工藝方案，實(shí)現(xiàn)模具與DC01鋼板的最佳匹配，考慮從摩擦系數(shù)、壓邊力、拉延筋三個(gè)方面展開分析。

3.1 優(yōu)化摩擦系數(shù)

模具與板料的摩擦系數(shù)是影響零件成形質(zhì)量的工藝參數(shù)之一，摩擦系數(shù)過大，板料在成形時(shí)流動(dòng)阻力增加，容易發(fā)生開裂風(fēng)險(xiǎn)，摩擦系數(shù)過小，可能出現(xiàn)沖壓起皺［5］，鑒于當(dāng)前的材料替換不涉及到板料的摩擦狀態(tài)改變，因此，摩擦系數(shù)依然根據(jù)材料替換前0.15進(jìn)行設(shè)置即可。

3.2 優(yōu)化壓邊力

板料在壓邊圈與凹模閉合時(shí)，其四周會(huì)承受一定的壓邊力來控制后續(xù)成形時(shí)板料的流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)當(dāng)前的工藝參數(shù)仿真結(jié)果，零件的主要特征面變形量足夠，針對(duì)側(cè)壁出現(xiàn)的開裂情況，通過降低壓邊力的方式來研究對(duì)其可成形性的影響，將壓邊力從1 150 kN調(diào)整到880 kN。由于零件四周及邊角（區(qū)域A、區(qū)域B、區(qū)域C）的起皺對(duì)零件特征影響不大，可以在后續(xù)修邊工序中切除。因此，針對(duì)區(qū)域D和區(qū)域E進(jìn)行優(yōu)化分析，DC01局部區(qū)域減薄率仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 DC01局部區(qū)域減薄率仿真結(jié)果Fig.7 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

從圖7發(fā)現(xiàn)，壓邊力的減小能夠有效改善零件側(cè)壁的拉延開裂風(fēng)險(xiǎn)，區(qū)域D和區(qū)域E的減薄率已經(jīng)分別從-29.0%和-41.2%降到-18.9%和-21.5%，然而，對(duì)于車門外板等汽車外覆蓋件，除了要防止沖壓開裂之外，還要保證零件在成形過程中變形量足夠。如圖8所示，壓邊力的減小使零件的大部分特征面變形量嚴(yán)重不足，甚至在局部區(qū)域還產(chǎn)生了起皺缺陷，而壓邊力過大，會(huì)導(dǎo)致零件的側(cè)壁過度減薄產(chǎn)生沖壓開裂，由此可見，僅僅依靠壓邊力的全局工藝調(diào)整并不能同時(shí)解決零件的起皺和開裂問題。

圖8 零件特征區(qū)域的起皺風(fēng)險(xiǎn)Fig.8 Risk of Forming Wrinkles in aracteristic Region of Parts

3.3 優(yōu)化拉延筋

拉延筋作為一種控制材料變形量和減薄率的關(guān)鍵工藝參數(shù)，其靈活的設(shè)計(jì)方式能夠控制板料的局部流動(dòng)狀態(tài)，避免車門外板產(chǎn)生沖壓開裂。目前的仿真結(jié)果采用的拉延筋阻力系數(shù)是恒定的0.45，本質(zhì)上還是全局控制方式，由于區(qū)域D和區(qū)域E存在開裂風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該逐漸減小該區(qū)域的板料流動(dòng)阻力，避免該區(qū)域板料的減薄率過大，同時(shí)，拉延筋阻力系數(shù)太小會(huì)造成局部區(qū)域的變形量不足，因此，重新設(shè)計(jì)拉延筋在各區(qū)域的分布位置，靈活設(shè)計(jì)拉延筋的阻力系數(shù)，拉延筋分段設(shè)計(jì)如圖9所示。從圖9可見，區(qū)域D和區(qū)域E的拉延筋阻力系數(shù)從0.45降低到0.25～0.30，防止區(qū)域內(nèi)的板料過度減薄，零件邊角及局部區(qū)域的阻力系數(shù)從0.45降低到0.40。

圖9 拉延筋分段設(shè)計(jì)Fig.9 Section by Section Design for Draw Beads

4 優(yōu)化結(jié)果

結(jié)合將壓邊力從1 150 kN調(diào)整到1 260 kN，最終的仿真結(jié)果如圖10所示，零件主要特征面的變形量足夠充分，區(qū)域D和區(qū)域E的側(cè)壁開裂風(fēng)險(xiǎn)消失，說明靈活設(shè)計(jì)拉延筋的分布及阻力系數(shù)能夠合理控制各個(gè)區(qū)域的板料流入量，零件的成形狀態(tài)良好，滿足了實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖10 最終仿真結(jié)果Fig.10 Final Simulation Results

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)比分析DC04鋼和DC01鋼力學(xué)性能及成形極限的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出塑性應(yīng)變比r值和雙拉變形區(qū)的極限應(yīng)變下降會(huì)導(dǎo)致材料替換后的成形能力變差，零件的成形工藝窗口變窄，模具與材料的匹配設(shè)計(jì)難度增加。

（2）利用成形仿真軟件預(yù)測(cè)的開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域與實(shí)際沖壓情況一致，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。零件側(cè)壁處發(fā)生的沖壓開裂是由于板料流動(dòng)阻力過大發(fā)生了過度減薄和材料的成形性能下降共同所致。

（3）壓邊力對(duì)零件的可成形性具有很大影響，但僅依靠壓邊力的全局性工藝參數(shù)調(diào)整不能同時(shí)解決起皺和開裂問題。通過拉延筋的靈活設(shè)計(jì)和壓邊力的精細(xì)調(diào)整，將區(qū)域D和區(qū)域E的拉延筋阻力系數(shù)從0.45降低到0.25～0.30，零件邊角及局部區(qū)域的阻力系數(shù)從0.45降低到0.40，壓邊力從1 150 kN調(diào)整到1 260 kN后，車門外板在各個(gè)區(qū)域的板料流動(dòng)變形分配合理，側(cè)壁區(qū)域的開裂風(fēng)險(xiǎn)消失，滿足了客戶使用要求，提高了鞍鋼產(chǎn)品的推廣量及應(yīng)用穩(wěn)定性。