基于AutoForm的鋅鋁鎂鍍層板拉深成形及回彈研究

蔣 磊，李十全，王 龍，趙 磊，陳一哲，趙春暉

（1.東風本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056；2.武漢理工大學 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；3.寶山鋼鐵股份有限公司 汽車板銷售部，上海 201999）

0 引 言

鋅鋁鎂鍍層板是在傳統熱鍍鋅板基礎上對鍍層成分進行改良，加入少量的鋁、鎂等合金元素研發的一種新型材料。鍍層成分中，鋁含量為1%～3%，鎂含量為1%～2%，其余為鋅。鍍層組織由Zn相、Zn/MgZn2二元共晶相和Zn/Al/MgZn2三元共晶相3 種形態構成[1-5]。其與傳統熱鍍鋅板相比，鋅鋁鎂鍍層板提升了鍍層的耐磨損和抗劃傷性能，改善了鍍層的摩擦及粘滑特性，有更優良的沖壓成形性能、抗化學腐蝕性能，能適應更惡劣的腐蝕工況，可減少后續防腐處理和防護，在相同防腐標準下，鍍層可進行一定程度的減薄，鋅用量可節約30%以上[6-9]。因此鋅鋁鎂鍍層板作為新一代經濟環保型高性能鍍層產品越來越受到各大整車制造商的重視。國內能批量生產并有整車工業化應用的部件主要集中于車身內覆蓋件，對于車身外覆蓋件鋅鋁鎂鍍層板的應用研究需進一步探索。

對于發動機罩外板拉深成形及回彈許多學者利用數值模擬方法進行了一系列的研究。胡文治等采用層次分析法結合BP神經網絡（AHP-BP）模型對鋁機罩外板成形性進行了仿真和優化[10]；董麗等基于正交試驗法借助DynaForm 對發動機罩外板進行成形模擬，并優化了工藝參數[11]；么大鎖運用二次多項式逐步回歸的多目標優化方法分析了發動機罩外板拉深成形性，獲得了較好的成形效果[12]。但對于鋅鋁鎂鍍層板的發動機罩外板拉深成形及回彈卻鮮有研究，現借助AutoForm 仿真軟件對鋅鋁鎂鍍層板的拉深成形及回彈進行研究，通過成形極限圖、減薄率、起皺因子、主應變、次應變及回彈量對其成形性能進行分析。

1 拉深工藝分析

選取某SUV 車型發動機罩外板為研究對象，如圖1 所示，外形尺寸為1 605 mm×1 157 mm×248 mm，基體厚度為0.6 mm，質量為7.358 kg，內、外表面均為鋅鋁鎂鍍層，鍍層質量為35 g/m2。該零件屬于車身外覆蓋件，具有尺寸大、造型復雜、表面質量要求高等特點[13]，拉深成形過程中容易出現成形零件開裂、起皺及回彈等缺陷[14,15]。

圖1 發動機罩外板幾何模型

零件選用的鋅鋁鎂鍍層板材料牌號為HC220BD+ZM-35/35，基體材質為烘烤硬化鋼，各項性能參數如表1所示。

表1 鋅鋁鎂鍍層板材料性能參數

2 拉深工藝模面設計

運用CATIA V5 創成式曲面設計(generative surface design, GSD)模塊對鋅鋁鎂鍍層板發動機罩外板進行三維工藝模面設計。由于發動機罩外板屬于淺拉深件，為了保證零件的成形性能，并抑制板料在成形過程中的起皺趨勢，零件沿周拉深筋采用“內側方筋+外側圓筋”的雙筋設計。基于發動機罩外板結構特點和工藝特性，設計了初始拉深工藝模面及各部位工藝補充面，如圖2所示。

3 有限元分析

將鋅鋁鎂鍍層板發動機罩外板拉深工藝模面轉換為IGS格式，導入AutoForm R7中進行拉深成形仿真，板料尺寸為1 850 mm×1 430 mm×0.6 mm，屈服準則選擇Hill-48。傳統熱鍍鋅板一般選用基于Table公式擬合的材料硬化曲線，而鋅鋁鎂鍍層板則需要選用基于Swift&Hockett-Sherby 公式擬合的材料硬化曲線。Swift&Hockett-Sherby 硬化曲線公式如下：

式中：σ——真實應力，MPa；α——混合權重因子（0～1）；C——強度系數；εpl——等效塑性應變；ε0——初始屈服應變；m——應變硬化指數；σSat——流動應力飽和值；σi——初始屈服應力；p——流動應力飽和指數。

AutoForm R7 材料參數庫中，對于HC220BD+ZM 鋅鋁鎂鍍層板基于試驗數據對各項參數進行了定義，數值如表2所示。

對于發動機罩外板類的大型車身外覆蓋件，在AutoForm 中進行成形仿真時，為了保證其分析精度，有限元網格采用EPS11(elastic plastic shell use 11 layers)類型的彈塑性殼單元。支撐類型選用“Force Controlled”，壓邊力設置為1 400 kN，拉深墊行程設置為130 mm，沖壓速度設置為200 mm/s，摩擦因數設置為0.125，為了能與實際生產情況保持一致，壓邊力加載類型選用氣墊頂桿式（cushion pin），并按模具結構形式將壓邊圈有效厚度（effective binder thickness）設定為200 mm，各項工藝參數與有限元模型如圖3所示。

表2 HC220BD+ZM鋅鋁鎂鍍層板成形仿真材料參數

圖3 拉深工藝參數與有限元模型

對有限元模型進行求解計算，得出成形性模擬結果如圖4 所示。模擬結果顯示發動機罩前風擋左、右兩側工藝補充面存在開裂風險，說明初始拉深工藝模面不滿足成形要求，需要對工藝模面進行造型優化。

為了改善發動機罩外板成形性，解決拉深開裂問題，在初始拉深工藝模面基礎上對工藝補充面及拉深筋進行修改，將前風擋左、右兩側凸圓角由R20 mm 增大至R25 mm；凹圓角由R12 mm 增大至R15 mm；內側方筋頂部圓角由R2 mm 增大至R2.5 mm，底部圓角由R3 mm 增大至R3.5 mm，具體造型優化方案如圖5所示。

圖4 成形性模擬結果

圖5 拉深工藝模面優化方案

拉深工藝模面優化的成形仿真結果如圖6 所示，發動機罩外板成形良好，前風擋左、右兩側開裂問題得到解決，其余部位也未開裂、起皺，成形的零件整體變形充分，主應變均大于3%，次應變均大于0，表明通過改變凸、凹圓角及拉深筋圓角大小可有效解決成形零件拉深開裂問題，并能使材料應變均勻分布，使成形零件獲得良好的剛性。但從成形零件回彈模擬結果看，發動機罩外板特征棱線外側回彈較大，回彈量為2～4 mm，最大達到3.959 mm，均為負向回彈，說明拉深成形后，成形零件產生了內縮變形，無法滿足成形零件型面±0.5 mm 的尺寸精度要求，需要進一步對拉深工藝模面進行優化。

圖6 拉深工藝模面優化后仿真結果

4 回彈補償方案

由于發動機罩外板厚度較薄、外觀造型曲率變化大，拉深成形難以獲得良好的形狀凍結性（shape fixedness），即材料成形后的穩定性，通過改變工藝補充面造型或調整工藝參數的常規方法難以有效降低零件成形的回彈，需要對拉深工藝模面進行回彈補償設計。

運用AutoForm 回彈補償模塊可基于回彈結果對模具零件型面進行補償，補償后運行新的增量法模擬，然后將模擬結果與目標模型進行對比。若回彈量超出成形零件尺寸公差要求，則啟動新一輪的迭代循環，若回彈量在成形零件尺寸公差要求內，則可將補償向量場或補償后的模具零件型面導出，作為拉深工藝模面回彈補償設計的參考依據。將AutoForm 回彈補償結果導入CATIA 軟件，對發動機罩外板拉深工藝模面進行逆向重構，將逆向重構數據以txt格式輸出，再次導入CATIA 軟件進行曲面驅動變形。通過控制點的合理選擇和邊界約束設置，使變形后的拉深工藝模面達到G2連續，滿足成形零件外觀曲面光順性要求。回彈補償方案基本原理及補償后的拉深工藝模面如圖7所示。

圖7 回彈補償方案原理與補償后的拉深工藝模面

經過多輪循環補償，發動機罩外板拉深回彈量越來越小，圖8 所示為發動機罩外板最終補償后的回彈數值云圖。由圖8 可知，補償后的發動機罩外板拉深回彈量已全部降低至0.5 mm 以內，滿足成形零件尺寸精度要求，回彈補償達到預期效果。

圖8 拉深工藝模面補償后回彈數值云圖

5 試驗驗證

對獲得回彈補償的成形發動機罩外板的沖模進行試模驗證，試驗選用額定壓力為20 000 kN的機械壓力機，工藝參數與最終仿真方案保持一致，得到的試模樣件及成形零件各部位等效厚度減薄率如圖9 所示。由圖9 可知，采用鋅鋁鎂鍍層板的發動機罩外板成形質量較好，無開裂、起皺，且成形零件表面光滑、無劃傷、拉傷及鋅粉脫落等缺陷，拉深回彈量也較小，均控制在0.5 mm 以內，無需對沖模進行修改，試模結果與仿真結果基本相符，符合零件成形質量要求，解決了鋅鋁鎂鍍層板在發動機罩外板上應用的難題。

6 結束語

（1）基于AutoForm 模擬鋅鋁鎂鍍層板的發動機罩外板拉深成形過程，研究了拉深工藝模面造型對鋅鋁鎂鍍層板成形性的影響，通過調整拉深工藝模面結構可以有效提高零件的成形質量。

（2）通過改變拉深凸、凹圓角及拉深筋圓角可以改善鋅鋁鎂鍍層板材料流動性能，使拉深成形后的零件應力、應變均勻分布，解決了鋅鋁鎂鍍層板拉深開裂的問題。

（3）借助AutoForm 增量求解法對拉深工藝模面循環補償，為發動機罩外板在CATIA 軟件中進行回彈補償設計提供了數據參考，快速準確地解決了鋅鋁鎂鍍層板拉深回彈量過大的問題，達到了鋅鋁鎂鍍層板零件成形精度要求。

圖9 試模樣件與等效厚度減薄率

（4）利用數值模擬和試模試驗相結合的方法，驗證了鋅鋁鎂鍍層板在汽車發動機罩外板上應用的可行性。研究表明，鋅鋁鎂鍍層板可直接用于汽車發動機罩外板的沖壓成形，無需特殊處理，成形過程中，鋅鋁鎂鍍層與基體連接良好，不會與基體分離或出現變形不同步的問題，對于該材料在汽車行業的擴大應用有一定的指導意義。