主應變分析在成形零件邊部開裂中的應用

2021-03-18 02:00:56陸靜易彭文虎許立強

模具工業 2021年2期

陸靜易，彭文虎，劉振，許立強，龔豪

（1.廣西汽車集團有限公司，廣西柳州 545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007；3.安徽福達汽車模具制造有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

在汽車輕量化驅動下，高強度鋼板在汽車結構件中應用越來越廣泛。因高強度鋼板塑性變形性能相對較差，同時為降低生產成本，提高材料利用率，高強度鋼板汽車零件越來越多地采用落料成形工藝。780DP 雙相鋼具有較高的強度，也有一定的塑性變形能力，是汽車結構件的優選材料之一，但落料成形時易出現成形零件邊部開裂。現針對實際模具開發，高強度鋼板零件成形邊部開裂問題，采用沖壓CAE 中主應變分析數值評判其成形零件邊部開裂風險，制定解決方案，并進行驗證，為邊部開裂提供解決方案。

1 高強度零件邊部開裂

某乘用車左前大梁材料為寶鋼HC420/780DP，料厚為1.4 mm，外形尺寸為986 mm×184 mm×247 mm，結構復雜，如圖1 所示。零件采用落料成形工藝，零件周邊在落料后不再切邊，模具制造后進行調試時，因落料模延后完成，前期采用激光切割代替沖壓落料，成形后零件較少出現邊部開裂。在零件生產現場進行在線調試時，采用落料模沖壓毛坯，成形后零件出現大量邊部開裂，超過80%，不能滿足批量生產要求，如圖2 所示。將成形零件開裂處對應落料后毛坯邊緣拋磨光順再沖壓成形，則開裂率下降。

圖1 左前大梁

圖2 左前大梁開裂

2 邊部開裂分析

零件成形時在拉應力的作用下，邊部斷面微裂紋和微空洞會成為開裂源，不斷聚齊和擴大，引起板料過早在邊部開裂。初步分析，激光切割毛坯斷面較平整光順，邊部微裂紋及微空洞少甚至沒有，在成形過程中承受拉應力時，不容易產生應力集中，能較好地減少甚至消除邊部開裂。根據沖裁機理，對于左前大梁落料這類普通沖裁，在沖裁過程中凹模刃口和凸模刃口產生的2 條裂紋難以吻合，在2 條裂紋間會發生撕裂，斷面微裂紋和微空洞難以避免。當對落料后毛坯邊緣拋磨光順后，局部微裂紋及微空洞顯著減少甚至消除，有效減少了成形零件邊部開裂。對于大批量沖壓生產，考慮生產效率和生產成本，采用激光切割毛坯或對落料后毛坯邊緣拋光的方法不可行，必須采取其他方法解決成形邊部開裂問題。

采用沖壓CAE 分析軟件AutoForm 對成形過程進行分析，成形極限圖如圖3所示，料厚變薄率如圖4 所示。在實際零件的開裂部位，成形極限圖顯示為安全（safe）最大變薄率為7.3%，變薄標準為＜17%，變薄率未超標。分析結果表明，對于材料為HC420/780DP 的高強鋼零件，不能采用常規的成形極限圖和料厚變薄率指標評判零件邊部開裂情況，需尋找其他指標進行評判。按標準定義，最大力塑性延伸率Ag為金屬材料拉伸試驗過程中受力最大時原始標距的延伸與引伸標距Le之比，如圖5所示，延伸率超過Ag后，試樣將進入縮頸和斷裂階段。由于高強鋼整體塑性差，材料進入縮頸和斷裂階段時，主應變數值超過Ag區域，特別是存在斷面微裂紋和微空洞的邊部區域風險最大。

圖3 成形極限圖

圖4 料厚變薄率

圖5 延伸定義

采用AutoForm 軟件對左前大梁成形工序進行分析，主應變分析結果如圖6所示，最大主應變部位與實物開裂部位一致。AutoForm 軟件分析所使用的材料參數如圖7 所示，Ag（最大力塑性延伸率）為11.7%。最大主應變為0.135，明顯大于Ag值。基于以上分析，在解決左前大梁邊部成形開裂問題時，考慮使用主應變分析數值評估邊部開裂，以Ag數值作為評判標準。

圖6 主應變

圖7 材料參數

3 邊部開裂問題解決方案

在確定以Ag值為標準、采用主應變CAE 分析數值評判邊部開裂的分析方法后，制定了解決左前大梁成形邊部開裂的措施。在保證零件成形力的前提下，增加邊部開裂部位局部邊寬，加大成形力承載截面面積，以降低開裂部位的主應變。利用Auto-Form 軟件進行成形CAE分析，加大局部邊寬后成形工序分析結果中主應變數值如圖8 所示，原開裂部位最大主應變為0.095，小于Ag值，為Ag值的81%；成形極限圖顯示為安全（safe），最大變薄率為5.2%。

根據CAE 分析結果，確定整改方案：按更改后的毛坯線更改落料模，同時增加局部切邊，切除成形后多余的料邊，消除成形零件邊部開裂，以滿足大批量沖壓生產需求。實施該方案后，進行2 批次正常沖壓，左前大梁超過3 000 件未發現邊部開裂，整改完成后生產的左前大梁如圖9所示。

圖8 加大邊寬主應變

圖9 整改后生產的左前大梁

解決此零件的邊部開裂問題后，參照上述方法，對此車型的右前大梁和其他車型的類似前大梁進行了沖壓CAE 分析評估，并制定了相應的解決方案，取得了較好的效果。

4 結束語