基于有限元法的輕質(zhì)材料汽車零件熱沖壓成形優(yōu)化研究

【摘? ?要】? ?為實(shí)現(xiàn)某品牌汽車引擎蓋加強(qiáng)板的輕量化設(shè)計(jì)，利用等強(qiáng)度和等抗凹性原則將高強(qiáng)鋼HSLA350替換為鋁合金AA5182，零件重量下降了43.92%。以鋁合金AA5182為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬研究其熱沖壓成形性能，通過正交試驗(yàn)結(jié)合LINGO軟件對(duì)其進(jìn)行熱沖壓工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，獲得影響零件成形質(zhì)量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時(shí)間，最優(yōu)熱沖壓工藝參數(shù)為壓邊力50 kN、板料初始溫度510 ℃、模具溫度80 ℃、保壓時(shí)間3 s。以最優(yōu)熱沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行熱沖壓模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明零件成形質(zhì)量較好，零件的最大減薄率為5.95%，最大回彈量為0.969 mm，最大減薄率和最大回彈量均符合零件設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】? ?汽車輕量化；熱沖壓成形；輕質(zhì)材料；成形性能

Optimization of Hot Stamping of Light Material Automobile Parts Based on Finite Element Method

Chen Mingfu

（Quanzhou Vocational and Technical University， Jinjiang 362268， China）

【Abstract】? ? In order to achieve a lightweight design of a certain brand of car hood reinforcement plate， high-strength steel HSLA350 was replaced with aluminum alloy AA5182 using the principles of equal strength and equal dent resistance， resulting in a 43.92% weight reduction in the parts. Taking aluminum alloy AA5182 as the research object， the hot stamping forming performance was studied through numerical simulation. The multi-objective optimization of hot stamping process parameters was carried out through orthogonal experiments and LINGO software. The main and secondary factors affecting the forming quality of the parts were obtained， including blank holding force， initial plate temperature， mold temperature， and holding time. The optimal hot stamping process parameters were blank holding force 50 kN， initial plate temperature 510 ℃， mold temperature 80 ℃， and holding time 3 seconds. The hot stamping simulation test was conducted using the optimal hot stamping process parameters， and the results showed that the forming quality of the part was good. The maximum thinning rate of the part was 5.95%， and the maximum rebound amount was 0.969 mm. Both the maximum thinning rate and the maximum rebound amount met the design requirements of the part.

【Key words】? ? ?automobile lightweight; hot stamping forming; lightweight materials; formability

〔中圖分類號(hào)〕? ?TG386? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2023）02- 0035 - 06

0? ? ?引言

汽車車身重量是影響汽車能耗的重要因素之一，當(dāng)汽車車身重量下降10%時(shí)，油耗和尾氣排放量分別下降8%和4%［1，2］，因此，如何實(shí)現(xiàn)汽車輕量化是汽車企業(yè)研究的重點(diǎn)。汽車車身由金屬零件和非金屬零件組成，金屬零件包括結(jié)構(gòu)件和覆蓋件等，其中覆蓋件占車身金屬零件的40%［3］，對(duì)汽車覆蓋件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是減輕汽車整體重量的重要途徑。汽車輕量化主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、成形工藝優(yōu)化和材料優(yōu)化等方法。結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通過有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)減小零件的體積達(dá)到輕量化效果；成形工藝優(yōu)化是使用熱沖壓成形、超塑成形等先進(jìn)成形技術(shù)提升零件的相關(guān)性能從而降低零件厚度達(dá)到輕量化目的；材料優(yōu)化是指通過采用輕質(zhì)材料代替普通材料達(dá)到輕化量效果［4］。引擎蓋加強(qiáng)板屬于鈑金件無法采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)汽車覆蓋件輕量化首選的方法［5］。目前，材料優(yōu)化主要使用的材料有鋁合金、高強(qiáng)鋼和鎂合金等，其中鋁合金由于具有耐腐蝕、密度低等特點(diǎn)而逐漸取代了高強(qiáng)鋼，成為覆蓋件輕量化首選的材料［6］。但是鋁合金板料在冷沖壓成形過程中容易出現(xiàn)開裂、回彈等缺陷，這些缺陷可通過熱沖壓成形方法緩解，由于熱沖壓成形涉及到多個(gè)工藝參數(shù)，不同的工藝參數(shù)選擇對(duì)零件質(zhì)量影響極大，為了提高零件成形質(zhì)量，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化具有重要意義。文中以某品牌汽車引擎蓋加強(qiáng)板為實(shí)例，利用等強(qiáng)度和等抗凹性原則將高強(qiáng)鋼HSLA350替換為鋁合金AA5182，并利用正交試驗(yàn)結(jié)合LINGO軟件對(duì)其進(jìn)行熱沖壓工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化，提高了零件的成形質(zhì)量。

1? ? ? 引擎蓋加強(qiáng)板輕量化設(shè)計(jì)

引擎蓋加強(qiáng)板原設(shè)計(jì)材料為HSLA350，原設(shè)計(jì)厚度為1mm，選用輕量化材料為AA5182。表1為兩種材料的力學(xué)性能參數(shù)。

在確保零件的強(qiáng)度和抗凹性不減弱的前提下，為了減輕引擎蓋加強(qiáng)板的重量，可以將引擎蓋加強(qiáng)板的材料用鋁合金代替高強(qiáng)鋼［7-8］。為了使材料代替后引擎蓋加強(qiáng)板的2個(gè)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過改變鋁合金厚度實(shí)現(xiàn)［9-10］。

1.1? ?以強(qiáng)度為原則的引擎蓋加強(qiáng)板輕量化分析

材料由鋁合金代替后，為了使零件在外力的作用下強(qiáng)度不弱化，厚度按式（1）計(jì)算。

式中：[tal]為鋁合金板料的厚度（mm），[tst]為鋼板料的厚度（mm），[σal]為鋁板料的屈服強(qiáng)度（MPa），[σst]為鋼板料的屈服強(qiáng)度（MPa）。

由表1可知：[σal]=130MPa，σst=501 MPa由式（1）可得：tal=1*（501/130）1/2=1.96 mm ；則鋁合金板材厚度為1.96mm。

1.2? ?以抗凹性為原則的引擎蓋加強(qiáng)板輕量化分析

材料用鋁合金代替后，為了使零件在外力的作用下抗凹性的不弱化，厚度按式（2）計(jì)算。

式中：Eal為鋁合金板料的彈性模量（GPa）；Est為鋼板料的彈性模量（GPa）；C1為鋼板料比例系數(shù)，通常取1.2；C2為鋁板料比例系數(shù)，通常取0.8；

由表1可知：Eal=51 GPa，Est=236.1 GPa；由式（2）可得：tal=1*（1.2×236.1/0.8×51）1/3=1.91 mm ；則鋁合金板材厚度為1.91 mm。

通過上述2種計(jì)算方法可知鋁合金板厚度分別為1.96 mm、1.91 mm，為同時(shí)滿足零件的2個(gè)指標(biāo)性能，零件厚度需要同時(shí)符合2個(gè)指標(biāo)要求，并且需符合鋁合金板生產(chǎn)規(guī)格，因此，厚度選用2.0 mm。通過UG軟件對(duì)零件模型重量進(jìn)行估計(jì)，可得采用鋼材料時(shí)零件重量為7.56 kg，采用鋁材料時(shí)零件重量為4.24 kg，使用鋁材料代替鋼材料后重量減輕了3.32 kg，輕量化比率為43.92%，有效實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)。

2? ? ?引擎蓋加強(qiáng)板熱沖壓成形工藝優(yōu)化

2.1? ?有限元模型設(shè)計(jì)

引擎蓋加強(qiáng)板是汽車重要的零件，起著支撐引擎蓋外板的作用，要求零件有較高的強(qiáng)度和抗凹性能。圖1為某款汽車引擎蓋加強(qiáng)板的設(shè)計(jì)模型，長為1890 mm、寬為940 mm，外輪廓呈仿矩形狀，左右兩側(cè)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，零件曲面造型較復(fù)雜，多處有凸起和凹槽特征，要求成形后零件最大減薄率不超過10%，最大回彈量不超過1 mm。

將引擎蓋加強(qiáng)板設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入Dynaform軟件，通過DFE模塊中的DFE預(yù)處理完成沖壓方向選定、零件中間區(qū)域的填充以及外輪廓的光順處理；通過DFE壓料面模塊完成壓料面設(shè)計(jì)；通過DFE工藝補(bǔ)充模塊完成零件與壓料面之間的工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，完成凹模模面設(shè)計(jì)；利用工具模塊在凹模模面基礎(chǔ)上偏置出凸模和壓邊圈，利用毛坯生成器完成板料毛坯；對(duì)凹模、凸模、壓邊圈以及板料進(jìn)行定位，并設(shè)置拉延工藝參數(shù)，完成限元模型創(chuàng)建，如圖2所示。

2.2? ?試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

鋁合金熱沖壓成形質(zhì)量與板料初始溫度、模具溫度、壓邊力、沖壓速度以及保壓時(shí)間等參數(shù)有關(guān)，為了減少各參數(shù)組合試驗(yàn)次數(shù)和試驗(yàn)成本，可以通過選擇具有代表性的試驗(yàn)樣本點(diǎn)進(jìn)行正交試驗(yàn)分析。

本試驗(yàn)選取板料初始溫度、模具溫度、壓邊力、保壓時(shí)間作為正交試驗(yàn)因素，以最大減薄率和最大回彈量為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)熱沖壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)求解。板料初始溫度是指板料與模具接觸時(shí)刻的初始溫度，AA5182鋁合金的固溶溫度為480℃～640℃，考慮到板料加熱成本及加熱誤差，板料初始溫度水平選為510 ℃、560 ℃、610 ℃；模具溫度是指在沖壓過程中模具的溫度，模具溫度通常為50 ℃，但由于在沖壓過程中板料的溫度會(huì)向模具傳導(dǎo)，因此本試驗(yàn)?zāi)＞邷囟人竭x為50 ℃、80 ℃、110 ℃；壓邊力是指在沖壓過程中壓邊圈施加于模具上的力，根據(jù)壓邊力計(jì)算公式（式1）可得壓邊力為45 kN～105 kN，鋁合金加熱后塑性流動(dòng)性較好，只需較小的壓邊力就可以控制材料的流動(dòng)性，因此本試驗(yàn)壓邊力水平選為45 kN、55 kN、65 kN；保壓時(shí)間是指熱沖壓完成后模具持續(xù)閉合的時(shí)間，通常保壓時(shí)間為2～10 s，結(jié)合該零件的特征本試驗(yàn)保壓時(shí)間水平選為3 s、6 s、9 s；試驗(yàn)因素和水平如表2所示。

[F=n×A×P ]? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[F]為壓邊力（kN）；[n]為加熱系數(shù)，通常取0.13；[A]為壓邊圈的面積（mm2）；[P]為單位壓邊力（MPa）。

2.3? ?試驗(yàn)結(jié)果分析與參數(shù)最優(yōu)化

將各試驗(yàn)因素和水平進(jìn)行組合可設(shè)計(jì)出L9（34）正交試驗(yàn)表，得到9組參數(shù)組合，把9組參數(shù)組合通過Dynaform進(jìn)行模擬，獲得各組參數(shù)零件的最大減薄率和最大回彈量的結(jié)果，如表3所示。從表3可知，零件的最大減薄率在8.61%～14.83%之間，方案3、5、7的最大減薄率超過設(shè)計(jì)允許值；零件的最大回彈量在0.89～1.05 mm之間，方案1、4、6、8的最大回彈量超過設(shè)計(jì)允許值。

極差分析是正交試驗(yàn)最常用的數(shù)據(jù)分析方法，通過極差分析可以獲得各因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度。表4為正交試驗(yàn)結(jié)果的最大減薄率極差分析表，從表4可知影響零件的最大減薄率主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時(shí)間。圖3為各因素對(duì)零件最大減薄率的影響趨勢圖，從圖3可知隨著板料初始溫度的增加，零件的減薄率隨之增加，這是由于材料初始溫度越高材料流動(dòng)性越好，沖壓時(shí)零件側(cè)壁材料會(huì)向低洼區(qū)域流動(dòng)容易造成零件側(cè)壁發(fā)生開裂，因此在其他指標(biāo)符合要求下應(yīng)盡量選較低的材料初始溫度；隨著模具溫度的增加，零件的減薄率呈下降趨勢，但整體下降幅度不大，因此在條件允許情況下應(yīng)選用較高的模具溫度；隨壓邊力的增加，零件減薄率呈急劇增加的趨勢，這是由于壓邊力增大加大了板料與模具的流動(dòng)阻性，造成材料局部減薄，因此應(yīng)選用較小壓邊力；保壓時(shí)間對(duì)最大減薄率的影響最小，隨著保壓時(shí)間的增加零件減薄率呈上升后下降趨勢，變形幅度較小，考慮到保壓時(shí)間的長短會(huì)影響企業(yè)的生產(chǎn)效率，在條件允許的情況下應(yīng)選用較短的保壓時(shí)間。由此可以得最優(yōu)參數(shù)為壓邊力45 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度110℃、保壓時(shí)間3 s。

表5為正交試驗(yàn)結(jié)果的最大回彈量極差分析表，從表5可以看出影響零件的最大回彈量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、保壓時(shí)間、模具溫度。圖4為各因素對(duì)零件的最大減薄率影響趨勢圖，從圖4可知隨著板料初始溫度的增加零件的最大回彈量呈下降趨勢，這是由于板料溫度增加后材料中的組織軟化，沖壓成形時(shí)塑性變形更充分；模具溫度的變化對(duì)最大回彈量影響的趨勢呈平穩(wěn)上升變化，在實(shí)際加工選用低溫模具溫度有利于節(jié)能同時(shí)也有利于回彈控制；隨著壓邊力的增加，最大回彈量呈急劇下降的趨勢，這是由于壓邊力增大有利于控制材料流動(dòng)性，增大了材料的塑性變形的程度，因此增加壓邊力是減少該零件回彈量的主要考慮因素；保壓時(shí)間對(duì)該零件最大回彈量影響趨勢呈平穩(wěn)緩慢上升變化，因此應(yīng)選較小的保壓時(shí)間。由此可以得最優(yōu)參數(shù)為壓邊力65 kN、板料初始溫度610 ℃、保壓時(shí)間3 s、模具溫度50 ℃。

2.4? ?基于LINGO的熱沖壓成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

由上述分析可知不同的優(yōu)化目標(biāo)，工藝參數(shù)并不完全一致，因此需要對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。本次試驗(yàn)的優(yōu)化目標(biāo)是將最大減薄率和最大回彈量同時(shí)控制在最小值。由加權(quán)評(píng)分法，可構(gòu)造目標(biāo)函數(shù) [F（x）]，工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型如式2。利用LINGO軟件，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行最優(yōu)求解，獲得影響零件成形質(zhì)量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時(shí)間；最優(yōu)工藝參數(shù)為壓邊力50 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度80℃、保壓時(shí)間3 s。

式中：[F（x）]為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；[?1]、[?2]為熱沖壓權(quán)重系數(shù)，通常取值分別為0.7、0.3，[Y1（x）]、[Y2（x）]分別為最大減薄率和最大回彈量；A、B、C、D分別為板料初始溫度、模具溫度、壓邊力以及保壓時(shí)間的取值范圍。

2.5? ?最優(yōu)工藝參數(shù)仿真分析

通過上述分析可知，最優(yōu)參數(shù)為壓邊力50 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度80℃、保壓時(shí)間3 s。將最優(yōu)參數(shù)通過Dynaform軟件進(jìn)行拉延分析、切邊分析以及回彈分析，獲得零件成形極限圖、厚度分布圖和回彈分布圖分別如圖5、圖6和圖7所示。從圖5可以看出零件大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)，少部分區(qū)域有起皺風(fēng)險(xiǎn)和成形不足，由于零件是加強(qiáng)板，不會(huì)影響到其性能。從圖6可以看出零件減薄主要是發(fā)生在各特征的圓角處，零件厚度在1.881 mm～2.023 mm之間，零件最大減薄率為5.95%，零件減薄率符合設(shè)計(jì)要求。從圖7可以看出零件最大回彈發(fā)生在右上角處，最大回彈量為0.969 mm，大回彈量符合設(shè)計(jì)要求。

3? ? ?結(jié)論

本文以某品牌汽車引擎蓋加強(qiáng)板為實(shí)例，完成了材料輕量化設(shè)計(jì)，通過正交試驗(yàn)結(jié)合LINGO軟件對(duì)輕質(zhì)材料進(jìn)行熱沖壓工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化，獲得該零件熱沖壓成形最優(yōu)工藝參數(shù)，并完成了沖壓成形仿真，仿真結(jié)果表明零件大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)，少部分區(qū)域有起皺風(fēng)險(xiǎn)和成形不足；零件的減薄主要是發(fā)生在各特征圓角處，零件厚度在1.881 mm～2.023 mm之間，零件的最大減薄率為5.95%，零件的減薄率符合設(shè)計(jì)要求；零件的最大回彈發(fā)生在右上角處，最大回彈量為0.969 mm，最大回彈量符合設(shè)計(jì)要求。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ 吳宏蕊.22MnB5高強(qiáng)鋼熱沖壓成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化［D］.煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2022.

［2］ 李景坤.淺談鋁合金在汽車上的應(yīng)用［J］.內(nèi)燃機(jī)與配件，2017（18）：32-33.

［3］ 李文英. 國產(chǎn)差厚板回彈性能的研究與典型零件數(shù)值模擬［D］.長春：長春工業(yè)大學(xué)，2016.

［4］ 李慎華. 多材料車身輕量化選材與概念設(shè)計(jì)方法研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2022.

［5］ 丁美娟.汽車座椅輕量化研究進(jìn)展［J］.汽車零部件，2022（5）：87-90.

［6］ 劉翊安，龐國星，孫歡迎，等.7278鋁合金拉深成形工藝研究［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，20（4）：46-48.

［7］ 胡泊洋. 基于有限元分析的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

［8］ Zhang Yan， Lai Xinmin， Zhu Ping， et al. Lightweight design and crashworthiness analysis of car bumper based on dent resistance criterion ［C］.Infats Proceedings of the 3rd International Forum of Automotive Traffic Safety.2004： 204-210.

［9］ 姚圓圓. 鋁代鋼汽車A柱加強(qiáng)板沖壓成形質(zhì)量控制［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2018.

［10］ 孫冬鳴，馬其華，孫佳睿.基于等剛度原理的碳纖維汽車B柱抗撞性分析［J］.玻璃鋼/復(fù)合材料，2018（11）：58-63.

[收稿日期]? ?2023-02-17

[基金項(xiàng)目]? ?汽車清潔能源福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心2022年度開放課題“基于智能車輛安全性控制關(guān)鍵技術(shù)研究”（CQJNY22-04）

[作者簡介]? ?陳明福（1981- ），男，泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)副教授，研究方向：車輛工程、汽車電子。