論沖壓工藝對汽車覆蓋件抗凹性能的影響

文/惠錦陽·江鈴汽車股份有限公司

汽車前門外板、發動機艙蓋、后背門外板是具有一定承載能力的結構件，汽車零件很大比例都是采用沖壓工藝制造完成的。但是在實際覆蓋件制造中，板料沖壓易使材料產生塑性變形，出現加工硬化現象，導致材料硬度變高，延伸率降低；同時成形板料厚度變化不均勻，引發成形件強剛度不一致，影響了覆蓋件整體的剛度和動態性能，也導致了覆蓋件各處臨界失穩條件不一致，碰撞吸能性能發生改變。為此，對沖壓工藝制造的零部件進行強剛度、動態及碰撞吸能性能評估，進而為覆蓋件和汽車結構設計和優化提供參考。

抗凹性能評價指標

覆蓋件抗凹性能評價主要有抗凹剛度、抗凹穩定性和局部凹痕抗力三個方面。抗凹剛度指的是覆蓋件抵抗凹陷撓曲的彈性變形能力，采用載荷-位移曲線表示。覆蓋件的抗凹剛度會隨著力的增加而發生改變。抗凹穩定性是試件在外載荷達到某種程度時，抵抗彈性變形的能力突然消失，從而發生失穩的現象，也就是當力加載到某種程度時，位移發生變大的現象。局部凹痕抗力是指試件在外載荷作用下發生凹陷，載荷去除后，試件表面會有局部永久性凹陷保留，是覆蓋件抵抗局部凹陷的塑性變形能力。其中，抗凹剛度和抗凹穩定性體現覆蓋件的彈性性能，局部凹痕抗力體現覆蓋件的塑性性能。

沖壓工藝對材料性能的影響

在沖壓過程中，若覆蓋件的材料性能發生改變，就會影響材料的屈服強度、抗拉強度和材料自身的厚度。本文以某品牌汽車為例，對前門外板、發動機艙蓋和后背門外板原始材料和沖壓后的材料進行力學性能研究及厚度測量，截取樣品平整區的板材，其中前門外板使用的材料是DC04，發動機艙蓋使用的材料是DC03，后背門外板使用的材料是DC06。

把截取的板材加工為靜態拉伸試樣，在每個外板取三個試樣進行試驗，利用砂紙將試樣表面的漆和疙瘩除去，并且記錄測量試樣的厚度如表1所示，使用電液伺服疲勞測試系統MTS Landmark進行靜態拉伸試驗。經過靜態拉伸試驗，三種材料沖壓后屈服強度都增加了一倍左右，抗拉強度基本上沒有改變。

表1 材料厚度變化

表2 兩種材料特性曲線下抗凹性能計算結果

在沖壓過程中，原始鋼板的材料發生塑性流動，產生冷作硬化狀況，甚至有的區域會比以前變薄。因此沖壓后鋼板的屈服強度有所提高，但塑性變形和伸長率有所降低。

建立有限元模型

利用Hypernesh軟件建立前門、發動機艙蓋和后背門的有限元模型，此外，還需要建立壓頭有限元模型。⑴前門有限元模型：根據前門的數模進行網格劃分，主要包括外板、內板加強板及防撞梁等部分，因車門主要是由鈑金件制作構成，所以采用殼單元劃分網格。網格劃分完成后對其賦予屬性及材料，按樣板車情況對每個零件進行焊接、膠粘，并對各零件進行螺栓連接。根據前門閉合工況對其進行邊界約束，其中約束上下鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF。⑵發動機艙蓋有限元模型：依據前門的建模方法建立發動機艙蓋有限元模型，邊界條件約束鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束3DOF。⑶后背門有限元模型：根據前門的建模方式建立后背門有限元模型邊界條件約束鉸接123456DOF，約束鎖扣123456DOF，緩沖塊約束1DOF。⑷壓頭有限元模型：根據試驗壓頭建立其有限元模型，單元類型為六面體網格，為方便和覆蓋件建立接觸面，在體單元表面建立殼單元。

抗凹性能的數值分析

模型建立完成后，使用Hypernesh軟件中的Abaqus板塊進行處理，先建立覆蓋件和壓頭的接觸面，然后進行工況設置：Step1為加載150N的壓力，Step2為加載400N的壓力，Step3為卸載。利用Abaqus求解器分別對沖壓前后兩種情況特性曲線下的前門外板、發動機艙蓋和后背門外板進行抗凹計算求解，結果如表2所示。

通過對比三種材料沖壓前后的抗凹性能計算結果，可以得出：通過沖壓工藝后，覆蓋件的抗凹剛度、加載位移基本是沒有改變的，但是殘余位移明顯降低。

結論

通過對沖壓前后覆蓋件的材料進行靜態拉伸試驗，得到其屈服強度和抗拉強度，基于數值模擬法，對某車型前門外板、發動機艙蓋和后背門外板進行計算分析，得到加載力-位移曲線，從沖壓前后對比結果中可以得出，沖壓工藝對材料的抗凹剛度和抗凹穩定性基本上沒有影響，對局部凹痕抗力影響還是很大的，這為抗凹殘余位移目標值的設定提供了參考。