沖壓成形對(duì)車(chē)身外覆蓋件抗凹性影響研究

俞祖俊 張軍 陳新力 崔磊 田志俊 王祥

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，馬鞍山243000）

1 前言

抗凹性作為用戶(hù)評(píng)價(jià)和判斷車(chē)體堅(jiān)固程度的重要感官質(zhì)量參考指標(biāo)，直接反映了車(chē)輛外覆蓋件抵抗外加負(fù)荷在其表面產(chǎn)生凹陷的能力[1-2]。隨著汽車(chē)輕量化的發(fā)展，汽車(chē)車(chē)身更多的選擇輕薄的高強(qiáng)度鋼和合金材料，材料特性的變化如材料強(qiáng)度和厚度等方面會(huì)影響到工藝制定和成品的使用性能，這對(duì)于汽車(chē)外覆蓋件的表面質(zhì)量提出了更高更嚴(yán)苛的要求[1,3-4]。

目前，車(chē)輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中，利用有限元分析軟件往往使用名義厚度進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)性能分析，沒(méi)有考慮鈑金沖壓成形引起的厚度和塑性應(yīng)變等變化，這導(dǎo)致了仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果不相符[5]。以某車(chē)型的側(cè)圍外板為例，在仿真分析中引入沖壓工藝導(dǎo)致的厚度減薄和加工硬化效應(yīng)，與傳統(tǒng)仿真（不考量沖壓成形影響）和實(shí)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，研究了沖壓成形對(duì)于汽車(chē)白車(chē)身覆蓋件抗凹性的影響。

2 研究背景

2.1 歷史車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果

抗凹性測(cè)試規(guī)范：加載力400 N，壓頭直徑80 mm，壓頭橡膠厚度5 mm；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：加載時(shí)最大位移≤10 mm，卸載后殘余位移≤0.7 mm。

對(duì)比某車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最大位移即抗凹剛度仿真值和實(shí)測(cè)值基本相當(dāng)，殘余位移即凹痕仿真值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值，數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 某車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性的仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 車(chē)身外覆蓋件抗凹性影響因素分析

基于歷史車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較大的差異，出現(xiàn)了仿真結(jié)論為大多數(shù)考察點(diǎn)不合格而實(shí)測(cè)結(jié)果合格的矛盾。為此，進(jìn)行了車(chē)身外覆蓋件抗凹性影響因素的研究分析，如表2所示。

表2 車(chē)身外覆蓋件抗凹性影響因素[1,6]

通過(guò)摸底排查，發(fā)現(xiàn)仿真和實(shí)測(cè)的測(cè)量方法、壓頭大小、加載位置以及模型約束條件等基本一致。因此，將引起這種差異的原因聚焦到由于沖壓成形導(dǎo)致側(cè)圍外板厚度減薄和材料應(yīng)變強(qiáng)化的綜合效應(yīng)上來(lái)。基于此，在新車(chē)型抗凹性分析中引入了沖壓成形工藝因素，以提高仿真分析精度，并驗(yàn)證沖壓成形是導(dǎo)致側(cè)圍外板抗凹性仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較大差異的主要原因。

3 仿真模型建立

3.1 側(cè)圍外板沖壓成形分析

采用AutoForm 沖壓成形仿真軟件，對(duì)某新車(chē)型的側(cè)圍外板進(jìn)行拉延成形分析后，其厚度和等效塑性應(yīng)變分別如圖1 和圖2 所示。在抗凹分析的區(qū)域，厚度由0.7 mm 減薄至0.66 mm 左右，等效塑性應(yīng)變?yōu)?%左右。

圖1 某新車(chē)型側(cè)圍外板沖壓成形后減薄量云圖

圖2 某新車(chē)型側(cè)圍外板沖壓成形后等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

3.2 考慮沖壓成形的側(cè)圍外板抗凹性仿真模型

由于各個(gè)軟件分析算法存在差異性，雖然當(dāng)前研究所采用的AutoForm 有限元模型分析的工藝仿真結(jié)果，無(wú)法直接映射到后續(xù)結(jié)構(gòu)性能分析軟件（如HyperMesh、Abaqus）中，但零件沖壓成形歷史信息對(duì)后續(xù)車(chē)身覆蓋件結(jié)構(gòu)性能分析存在較大的影響。

因此，本研究考量區(qū)別于采用名義厚度的傳統(tǒng)仿真模型，將考察該側(cè)圍外板抗凹性的大平面區(qū)域網(wǎng)格厚度做整體減薄至0.66 mm，相應(yīng)的將原始材料曲線(xiàn)按等效塑性應(yīng)變（6%）做相應(yīng)的平移處理，即坐標(biāo)系向右移6%，得到抗凹性考察區(qū)域的新材料曲線(xiàn)。

在HyperMesh 軟件中分別建立側(cè)圍外板抗凹性分析的傳統(tǒng)模型（不考量沖壓成形影響）和考量沖壓工藝后的分析模型，模型如圖3 所示。然后采用Abaqus軟件分別對(duì)側(cè)圍外板不同考察點(diǎn)進(jìn)行抗凹性仿真分析。

4 結(jié)果與分析

4.1 側(cè)圍外板抗凹性仿真結(jié)果對(duì)比

該新車(chē)型側(cè)圍外板傳統(tǒng)的（不考量沖壓成形影響）和考量沖壓成形后的抗凹性仿真分析結(jié)果如表3 所示。

圖3 某新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性仿真模型

表3 某新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性的仿真結(jié)果對(duì)比

4.2 考慮沖壓成形的側(cè)圍外板抗凹性仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比驗(yàn)證

試驗(yàn)工程人員在進(jìn)行該新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性實(shí)物試驗(yàn)時(shí)，在仿真時(shí)抗凹剛度較弱的區(qū)域選擇了3 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4 所示。圖4 中考察點(diǎn)的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比如表4 所示。

圖4 某新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性實(shí)測(cè)區(qū)域示意

表4 某新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹性的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.3 分析討論

通過(guò)以上仿真結(jié)果對(duì)比以及仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，可發(fā)現(xiàn)考慮沖壓成形導(dǎo)致的厚度減薄和材料應(yīng)變強(qiáng)化綜合效應(yīng)后，側(cè)圍外板在保持抗凹剛度的情況下，凹痕深度有明顯降低且與實(shí)測(cè)結(jié)果更接近。

通過(guò)圖5 和圖6 的柱狀圖，可更直觀(guān)地看出考慮沖壓成形后仿真的結(jié)果與實(shí)物測(cè)試結(jié)果更接近。因此，考慮沖壓成形效應(yīng)的仿真方式提高了仿真分析精度，也證實(shí)了沖壓成形是導(dǎo)致側(cè)圍外板抗凹性傳統(tǒng)的（不考拉沖壓成形影響）仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果較大差異的主要原因。

圖5 某新車(chē)型側(cè)圍外板抗凹剛度仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比

圖6 某新車(chē)型側(cè)圍外板凹痕深度仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比

車(chē)身外覆蓋件由板材到成品過(guò)程均經(jīng)歷了沖壓成形工藝，在這個(gè)過(guò)程中材料發(fā)生劇烈的塑性變形導(dǎo)致位錯(cuò)密度增大，宏觀(guān)上表現(xiàn)為屈服強(qiáng)度提高延伸率降低，屈服強(qiáng)度提高便是導(dǎo)致凹痕深度降低的原因。此外，對(duì)于烘烤硬化鋼需要考慮間隙原子對(duì)位錯(cuò)釘扎作用產(chǎn)生的烘烤硬化效應(yīng)，這也能提高材料的屈服強(qiáng)度，這對(duì)車(chē)身外覆蓋件抗凹性的提升亦是有益的。因此，在車(chē)身外覆蓋件的抗凹性仿真分析中，沖壓成形效應(yīng)的影響是不容忽視的重要因素。

5 結(jié)論

通過(guò)側(cè)圍外板抗凹性的仿真和實(shí)測(cè)對(duì)比分析，得出了以下結(jié)論：

a.引入沖壓成形導(dǎo)致的車(chē)身外覆蓋件厚度減薄和材料應(yīng)變強(qiáng)化綜合效應(yīng)提升了側(cè)圍外板抗凹性分析仿真精度和與實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性。

b.沖壓成形導(dǎo)致的加工硬化實(shí)現(xiàn)了材料強(qiáng)度的提高，是影響車(chē)身外覆蓋件抗凹性的積極因素。