轎車頂蓋沖壓成形塌陷研究

劉磊，溫彤，岳遠旺，陳世，陳浩東

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轎車頂蓋沖壓成形塌陷研究

劉磊1，溫彤1，岳遠旺1，陳世1，陳浩東2

(1. 重慶大學材料科學與工程學院，重慶，400044；2. 東風汽車模具有限公司，湖北十堰，442025)

以實踐中產生塌陷的某轎車頂蓋為對象，結合物理實驗、數值模擬以及板料彈塑性變形的力學本質，研究制件沖壓成形的塌陷問題，分析塌陷的影響因素。研究結果表明：塌陷取決于材料特性、料厚、制件幾何形狀以及壓邊力等多方面因素；該頂蓋成形后板面內的塑性變形程度小導致其形狀凍結性差、制件結構剛度不足、殘余壓應力引發失穩，是產生塌陷的根本原因；增大壓邊力與板料厚度，會導致板平面的殘余壓應力增加且分布不均勻，使塌陷更加嚴重；重力也是引起塌陷的一個不可忽視的因素，可以通過優化制件形狀、提高結構剛性予以解決。

外覆蓋件；頂蓋；塌陷；剛度；壓邊力；殘余應力

塌陷是一種與回彈等許多因素有關的板料沖壓缺陷形式，主要表現為成形后制件尺寸在板平面法線方向出現異常偏離。汽車頂蓋、門外板以及機罩外板等大尺寸且相對平坦的車身覆蓋件成形時，極易出現塌陷。由于塌陷會給裝配以及整車外觀品質帶來負面影響，故在生產中必須加以控制。迄今已有許多學者對塌陷問題進行了研究，如Shimomura等[1?3]分析了車身外覆蓋件的沖壓塌陷問題。由于塌陷問題本身的復雜性，利用解析方法難以得到理想的分析結果，隨著板料成形計算機輔助工程(computer aided engineering，CAE)技術的快速發展，結合數值模擬研究塌陷成為公認的有效方法。Park等[4?5]運用數值模擬預測了門外板的沖壓塌陷等現象；付爭春等[6]建立了容易產生塌陷與畸變等沖壓缺陷的4種典型汽車外覆蓋件的模面特征，并在試驗中成功再現了塌陷與畸變等表面缺陷；Hu等[7]則在付爭春等[6]的試驗數據基礎上，提出了1種通過修改模面抑制塌陷和畸變的幾何變形方法，并進行了實驗驗證。另有一些學者從結構剛度的角度研究了塌陷，如：Stefan等[8?9]利用雙曲扁殼模型研究了汽車覆蓋件的剛度和靜態抗凹性能；趙立紅等[10?13]利用簡化的柱面扁殼和雙曲扁殼模型，研究了壓邊力、拉延筋和拉深深度等成形工藝條件以及回彈和制件的變形程度對覆蓋件剛度的影響；Shen等[14]運用數值方法研究了包辛格效應對剛度與靜態抗凹性能的影響，并利用物理實驗進行了驗證。Shen等[15]利用ABAQUS軟件分析了簡化模型的剛度與塌陷問題，并提出利用強壓解決塌陷的方式。雖然現有對塌陷的研究已取得了豐富的成果，但較少涉及塌陷的形成機理。在實際生產中，影響塌陷的因素眾多，但目前的認識仍較為有限。許多研究者[6, 8?14]主要以簡化模型或特征為研究對象，較少結合具體零件對塌陷進行探討。本文作者利用數值模擬并結合物理實驗，研究該沖壓缺陷的形成機理與影響因素，以期能夠為生產實踐提供指導并有效控制相關的缺陷。

1 研究方案

1.1 實驗研究

實驗材料選用常用的沖壓板材SPCC，SPCD和SPCE，材料性能參數如表1所示。

表1 材料性能參數

頂蓋試驗坯料的長×寬為1 800 mm×1 240 mm，厚度均為0.7 mm。凹模型腔的長×寬為1 626.4 mm×1 102.7 mm，拉深深度為104.5 mm。

拉深成形設備為合肥RZU1000HGI 1 000 t快速薄板深拉伸單動液壓機，通過調節該液壓機氣墊壓力可實現壓邊力的無級調節。使用意大利LAMDA5606三坐標測量儀測量成形后的塌陷。圖1所示為塌陷測量點位置的示意圖。

圖1 測量點位置示意圖

1.2 塌陷評價指標

圖2所示為實際輪廓線與理想輪廓線在向的偏差量?。某截面上第點的塌陷量可以描述為該點的向偏差量?，即

1.3 數值模擬

頂蓋沖壓成形的數值模擬，需要考慮成形加載和成形后的卸載回彈2個過程。本文作者使用板料成形CAE分析軟件ETA/DYNAFORM進行分析，加載采用動力顯式算法，卸載采用靜力隱式算法。

拉深成形模擬模型如圖3所示。模具型面、坯料尺寸和實際生產一致。采用彈塑性材料模型，以及Hill各向異性屈服準則。摩擦定義為庫侖摩擦，靜摩擦因數為0.125。采用軟件提供的全積分單元，厚向定義7個積分點。考慮到模型的對稱性，增加適當約束后可只對一半幾何體進行分析。

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圖3 拉深成形模擬模型

為與實際情況盡量吻合，模擬采用實體拉延筋，同時考慮重力的影響。最大壓邊力選擇生產中確定的800 kN，最小壓邊力以零件不起皺為原則，為400 kN。

卸載并回彈后，后處理程序中輸出卸載前后制件的向位移變化量?。根據式(1)，當?為負值時即為塌陷。

2 結果與分析

2.1 塌陷機理分析

圖4所示為卸載回彈后?的分布。由圖4可知：?的負值區域A為塌陷區域，而拉深筋以外的?正值區域為翹曲變形。該模擬結果與實際結果一致。

圖4 卸載回彈后?z的分布

厚度減薄率是判斷板料變形程度的直接而有效的指標。為描述頂蓋在不同壓邊力下進行成形后的減薄率變化規律，提取不同壓邊力下成形后制件在軸和軸上各節點的厚度減薄率，如圖5所示。

(a) 沿x軸；(b) 沿y軸

綜合圖4和圖5可知：型面中間相對平坦的A區域(即塌陷最嚴重區域)，最小厚度減薄不足4%，而B，C，D和E 4個區域為曲率突變的R角部位和側壁，其厚度減薄率明顯比A區域的大。這是因為制件在該4個區域成形時材料的流動受到較大約束，主要呈現以局部減薄為主的脹形變形方式；而中間平坦區域的成形，則以雙向拉應力作用下的拉深變形為主。

另外，隨壓邊力增大，厚度減薄率增加，即坯料厚向應變增加。這是因為隨壓邊力增大，材料流入型腔更加困難，型腔內材料的脹形變形程度增大，因此，坯料的厚向應變增加。

在成形的加載階段，拉應力以板料為介質在板平面內傳遞，其大小由塑性變形狀態決定而無法精確控制，可能導致材料流動不均勻[16]。卸載后模具的作用力撤消，板料內應力釋放并重新分布，應力場發生改變、產生回彈，出現對零件的形狀精度有著不容忽視影響的殘余應力。

根據卸載后的節點應力可知：第1主應力1方向與軸方向基本一致，第2主應力2方向與軸方向基本一致，第3主應力3方向與軸方向基本一致。針對所討論的塌陷問題，本文主要考慮第3主應力3的變化。

圖6所示為沿軸方向第3殘余主應力3的分布。由圖6可知：殘余應力分布不均勻且為負值，為殘余壓應力。此外，在生產現場將制件翻轉180°，可發現塌陷顯著減小，這說明重力對塌陷有很大影響。

圖6 y軸第3殘余主應力σ3分布

總結上述分析可以認為：成形后板面內塑性變形量小、形狀凍結性差、制件結構剛度不足以及卸載后殘余壓應力的不均勻分布導致失穩變形，是產生塌陷的主要原因。

2.2 塌陷的影響因素

2.2.1 壓邊力對塌陷的影響

以厚度為0.7 mm的SPCE材料為例，研究壓邊力對塌陷的影響。分別設置成形時壓邊力為400，500，600，700和800 kN。成形后，用三坐標測量儀測量塌陷數值，并繪制壓邊力與塌陷深度的關系曲線，如圖7所示。

1—模擬值；2—試驗值

通常，增大壓邊力能夠增加材料的流動阻力，提高板面內的塑性變形量、增加制件成形后的“定型性”。但由圖7可知：壓邊力越大、塌陷越嚴重，且模擬與實驗結果十分吻合。

由圖4可知：曲率半徑較大、相對平坦的區域A的塌陷最明顯。模擬頂蓋在不同壓邊力下成形并卸載回彈后的殘余壓應力，讀取A區域的最大殘余壓應力，得到圖8所示的第3殘余主應力與壓邊力的關系。由圖8可知：殘余壓應力隨壓邊力的增加而增大。根據圖7和圖8，可以認為：壓邊力的增加導致殘余壓應力增大，塌陷越嚴重。

圖8 第3殘余主應力與壓邊力的關系

2.2.2 料厚對塌陷的影響

選擇厚度分別為0.7，0.8，0.9和1.0 mm的SPCE板，分析料厚對塌陷的影響。壓邊力設為800 kN。成形后，提取最大塌陷量并繪制塌陷深度與料厚關系曲線，如圖9所示。由圖9可知：隨著板料厚度的增加，塌陷呈增大趨勢。

圖9 料厚與塌陷深度的關系

讀取區域A的最大殘余壓應力，建立料厚與殘余壓應力的關系如圖10所示。由圖10可見：隨著料厚的增加，雖然頂蓋制件的結構剛度增加，但由于殘余壓應力增大，使得塌陷更加嚴重。

圖10 第3殘余主應力與料厚的關系

2.2.3 材質對塌陷的影響

板料材料特性對成形過程及成形后的制件剛度有很大影響。圖11所示為同一系列不同拉深等級的SPCC，SPCD和SPCE這3種常用板料沖壓成形后的塌陷情況。由圖11可見：深拉深級別的SPCE塌陷最小，而普通沖壓級別的SPCC的塌陷最嚴重。

圖11 材質與塌陷深度的關系

材料特性通常可用相應的力學參數進行表征。由表1可知：3種材料的厚向異性系數均大于1，但SPCE的最大(1.73)、屈強比最小，這表明該材料在成形過程中最不容易產生開裂和起皺失穩。對比3種材料的硬化指數可發現：SPCE材料最大(0.247)，成形后應變分布相對較均勻，卸載后殘余應力最小，因此，塌陷也最小。

3 結論

1)板料沖壓成形后的塌陷取決于材料特性、料厚、制件幾何形狀以及壓邊力等多種因素。轎車頂蓋制件成形后，板面內塑性變形量小導致形狀凍結性差、制件剛度不足以及由殘余壓應力引發的彈性失穩，是產生塌陷的根本原因。

2) 增大壓邊力會使得頂蓋板平面的殘余壓應力增大且分布不均勻，導致塌陷更加嚴重。

3)在頂蓋拉深成形過程中，塌陷隨著板料厚度的增加而呈增大趨勢。

4) 重力也是引起轎車外覆蓋件沖壓塌陷的一個不可忽視的因素，可以通過優化制件形狀、提高結構剛性予以解決。

致謝：

本文得到了東風汽車模具有限公司的支持，在此深表謝意！

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Surface deflection of automotive roof in stamping forming

LIU Lei1, WEN Tong1, YUE Yuanwang1, CHEN Shi1, CHEN Haodong2

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Dongfeng Motor Die & Mould Co. Ltd., Shiyan 442025, China)

By taking a car roof that presents surface deflection in practice of press working as an object, numerical simulation and physical experiments were carried out to analyze the defect and influencing factors, especially from the perspective of mechanism of plastic flow. The results show that surface defection is affected by numbers of factors, including material properties, sheet thickness, geometrical feature of panels and blank holding force (BHF). For the car roof, surface deflection is mainly caused by insufficient shape-fix ability due to low plastic strain and lack of stiffness of the panels after forming, together with the elastic instability induced by residual compressive stress. The surface deflection increases with the increase of BHF and sheet thickness, since they incur more residual stress and lead to uneven stress distribution. Furthermore, gravity is also an affecting factor of the surface deflection, which can be eliminated by optimizing the panel shape and improving the structural stiffness.

exterior panel; car roof; surface deflection; stiffness; blank holding force; residual stress

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.008

TG386

A

1672?7207(2015)05?1622?06

2014?07?11；

2014?09?25

國家重大科技專項(2012ZX04010-081) (Project(2012ZX04010-081) supported by National Key Technologies R&D Program of China)

溫彤，博士(后)，副教授，從事塑性成形工藝與模具技術研究；E-mail: wentong@cqu.edu.cn

(編輯 羅金花)