汽車側圍外板銳棱成形工藝設計與數值模擬

蔣磊，謝蛟龍，王龍，趙磊，馬培兵，張雄飛

東風本田汽車有限公司，湖北 武漢 430056

外觀特征線是汽車的重要設計語言之一，決定了汽車的關鍵造型。優美的特征線能夠很好地體現整車的造型風格和車型定位，并提高汽車品牌的辨識度[1-3]。隨著國民人均收入不斷增長，追求個性、思想前衛的年輕人正逐步成為汽車消費的主要群體。新生代的消費客戶在要求汽車駕駛、安全和舒適等基本性能的同時，還會進一步追求富有力量感和運動感的犀利化汽車外觀造型[4-6]。而實現犀利化汽車外觀造型的重要手段之一就是銳棱化的車身側面腰線設計。凌厲的車身側面腰線可以使整車造型更具有立體感和豐富感，從而給消費者帶來強烈的視覺沖擊[7-9]。本文以某腰線銳棱化的側圍外板為研究對象，探究側圍外板銳棱成形工藝方案，并借助AutoForm 軟件進行工藝可行性仿真分析，最后通過現場試模驗證側圍外板腰線銳棱成形效果及質量，總結出側圍外板銳棱化的制造工藝及可實施性。

1 產品信息

圖1(a)為某車型側圍外板產品幾何模型，其輪廓尺寸為3 095 mm×375 mm×1 136 mm，腰線為銳棱化造型，圓角半徑為2.5 mm，產品截面如圖1(b)所示，銳棱夾角為145°，棱線兩側均為凹弧面結構，曲率起伏變化大，在拉深成形過程中易產生壓縮應變，從而導致面畸變難以控制。產品材料選用JAC270F-45/45，等同于寶鋼DC06+ZF-45/45，材料厚度為0.65 mm，各項力學性能參數如表1 所示。

圖1 某車型側圍外板幾何模型

表1 某車型側圍外板材料參數

2 工藝分析

對于具有銳棱特征的車身外覆蓋件，棱線滑移是零件外觀質量控制的難點。滑移線又可稱之為線偏移，是零件在拉延成形初期，板料與凸模最高點圓角接觸后所產生的帶狀加工硬化痕跡。滑移線形成的原因有兩方面，一是成形初期凸模圓角過早與板料接觸；二是凸模圓角兩側材料流動阻力不平衡，如圖2 所示。

圖2 滑移線形成機理

本文所研究的側圍外板由于銳棱化的腰線圓角半徑以及腰線夾角均較小，因此在拉延成形過程中更加容易產生滑移線，且滑移線滑出棱線圓角的風險也更大。同時，由于側圍外板成形深度較深，拉延成形過程中局部材料流入量較大，易導致工藝補充面開裂以及壓料面起皺。此外，由于側圍外板腰線兩側型面均為內凹反弧面，拉延成形時處于單向拉伸狀態，易造成塑性變形不充分、剛性不足以及面畸變等質量缺陷。

為了控制腰線滑移，抑制開裂、起皺，同時使零件成形更加充分，降低外觀面畸變，需要有針對性地進行更加有利于銳棱化造型成形質量的沖壓工藝設計。通過合理的沖壓方向設定、壓料面及工藝補充面設計、拉延筋選型等措施，可以使銳棱化的側圍外板獲得良好的成形質量。

3 工藝設計

3.1 沖壓方向設定

對于常規側圍外板而言，通常將輪眉線設置為凸模最高點，以降低后風擋和頂蓋搭接側拉延深度，從而達到減少開裂以及提高材料利用率的目的。而對于銳棱化側圍外板，為了將腰線的滑移量控制在可接受范圍之內，需將腰線設置為凸模最高點，使銳棱圓角最先觸料成形。同時，沖壓方向的設定還必須保證棱線兩側型面與水平面夾角盡量相等，一般要求夾角應滿足|α-β|≤5°，如圖3(a)所示。為了實現這一要求，需要將產品沿X軸旋轉19°，如圖3(b)所示。

圖3 銳棱化側圍外板沖壓方向設定原則與旋轉角度

3.2 壓料面設計

壓料面對于汽車覆蓋件的拉延成形起著重要的作用，壓料面設計合理與否直接影響著成形質量的好壞。在進行壓料面設計時，應遵循使成形深度最小且各部位成形深度均勻一致、盡量選用平滑光順平面或曲面、壓料面截面線長小于產品截面線長、使材料在成形過程中一直處于拉伸狀態等原則。本文所研究的銳棱化側圍外板，采用了平面與曲面相結合的組合式壓料面，并進行了隨形設計，壓料面在X軸方向為近似直線走勢，在Y軸方向為雙曲面走勢，如圖4 所示。各部位曲率半徑均控制在500 mm 以上，從而使產品能夠充分、均勻拉伸。

3.3 工藝補充面設計

由于汽車覆蓋件本身形狀起伏變化大，且多為敞開式特征造型，因此需要在產品型面之外設計工藝補充面來平衡產品自身的起伏造型，并使其成為可以進行拉延成形的筒狀制件。工藝補充面是拉延工藝數據模型的重要組成部分，不僅直接決定著拉延能否成形，還影響著后工序的修邊、沖孔、翻邊和整形等工藝內容的布局以及可行性[10]。本文所研究的銳棱化側圍外板拉延工藝數據模型如圖5(a)所示。前門洞、后門洞以及后保區域由于產品圓角較小，無法一次拉延成形，因此均采用了過拉延設計，即將產品圓角放大，并增大立壁面打開角度。為了提高材料利用率、減小成形深度，同時降低后工序修邊難度，頂蓋和后風擋搭接部位運用了淺拉延工藝補充面設計，將產品的負角翻邊法蘭展開，使其成為壓料面的一部分，后工序可直接進行垂直修邊，無需設計斜楔機構進行側修邊。各部位工藝補充面截面造型與設計參數如圖5(b)所示。

圖5 銳棱化側圍外板拉延工藝數據模型與截面

3.4 拉延筋設計

拉延筋可以為材料流動提供變形阻力，并根據塑性變形需求調節材料向凹模內流入的速度和流入量[11]。側圍外板拉延成形時，各部位所需的材料流入不盡相同，需要分別設計不同類型的拉延筋，拉延筋阻力的大小主要由拉延筋寬度、深度、截面形狀以及彎曲圓角等參數決定。對于材料流入量小于10 mm 以及材料向外流動、且在變形過程中存在增厚趨勢的區域，選用W12D2C 型單圓筋；對于材料流入量介于10～30 mm 的區域，選用W12D6C 或W16D6C 型單圓筋；對于材料流入量大于30 mm 的區域，選用外側為W12D4C 型、內側為W12D6C 型雙圓筋。上述拉延筋類型參數中，W表示拉延筋寬度(width)、D表示拉延筋深度(depth)、C表示拉延筋截面為圓形(circle)。本文所研究的銳棱化側圍外板各部位拉延筋選用類型以及截面參數如圖6 所示。

圖6 銳棱化側圍外板拉延筋類型與截面參數

4 工藝校核與優化

利用有限元分析法(finite element method, FEM)軟件可以對沖壓工藝可行性進行校核，并根據分析結果對工藝進行優化。AutoForm 作為一種隱式增量迭代求解的FEM 軟件，可以準確、高效地預測汽車覆蓋件成形特點和變形過程的材料流動規律。因此，本文借助AutoForm 仿真平臺進行銳棱化側圍外板成形工藝可行性校核及優化。

4.1 分析參數設置

將銳棱化側圍外板拉延工藝數據模型的凸模、凹模、壓邊圈、坯料線以及沖壓坐標系分別以IGS 格式導出，然后導入至AutoForm 軟件建立有限元模型，如圖7(a)所示。并結合沖壓車間設備參數和模具結構形式，將沖壓行程(Press Stroke)設置為900 mm，沖壓速度(Velocity)設置為300 mm/s，摩擦系數設置為0.15，工具體剛度(Tool Stiffness)設置為25 MPa/mm，壓邊圈支撐類型選擇“Force Controlled”，氣墊行程(Cushion Stroke)設置為240 mm，壓邊力選擇恒定力(Constant Force)、大小設置為2 200 kN。同時，為了保證分析精度，有限元網格采用EPS11(Elastic Plastic Shell use 11 layers)類型的彈塑性殼單元。各有限元參數如圖7(b)所示。

圖7 銳棱化側圍外板有限元模型與工藝參數

4.2 分析結果評價

對銳棱化側圍外板有限元模型進行求解計算，得出的分析結果如圖8 所示。由圖8(c)、(d)可知，側圍外板后三角窗最大減薄率為25.2%，輪拱最大減薄率為25.4%，均超出25%的材料減薄極限，存在一定開裂風險。由圖8(e)可知，側圍外板腰線區域存在明顯滑移線，最大滑移量達到7.6 mm，已滑出R2.5 的棱線圓角半徑。圖8(f)為側圍外板腰線最大接觸應力分析結果，根據經驗值，當最大接觸應力σ與材料區分強度Ys滿足σ≤0.15Ts時，即可認為零件外表面不會出現滑移線缺陷。由上文可知，DC06+ZF-45/45 材料最大屈服強度Ys=180 MPa，即當最大接觸應力在σ≤27 MPa (180×0.15=27)時，可判定零件不存在棱線滑移風險。由圖8(f)可知，側圍外板腰線最大接觸應力為33.78 MPa，大于27 MPa 的上限基準，進一步表明該部位存在較為嚴重的滑移風險，無法滿足側圍外板A 級表面外觀質量要求。

圖8 有限元分析結果

4.3 工藝優化

4.3.1 開裂優化

針對側圍外板后三角區域開裂風險，需要適當增大產品過拉延圓角半徑，并增大立壁打開角度，以降低材料與凸模圓角接觸時的變形抗力；而對于側圍外板輪拱區域開裂問題，則需要將凹模圓角放大，同時增大拔模角度，以減小材料向凹模內流動的阻力。優化前后的工藝造型對比如圖9 所示。

圖9 優化前后工藝造型對比

4.3.2 滑移線優化

滑移線形成的原因有2 個，一是成形初期凸模圓角過早與坯料接觸；二是凸模圓角兩側材料流動阻力不平衡。由于側圍外板腰線區域的滑移線向著出料方向側滑動，說明進料方向側材料流動阻力小于出料方向側，且凸模腰線區域在成形過程中過早地觸料。因此，需要通過調整拉延筋阻力系數，使進、出料方向兩側材料流動阻力趨于平衡，具體實施方法是將側圍外板腰線出料方向側對應部位拉延筋類型由“W12D6C+W12D4C”修改為“W12D6C+W12D4C”。此外，還需要對工藝補充面造型進行優化，可考慮在輪拱區域設計隆起式余肉造型，使該區域的工藝補充面先于凸模腰線與坯料接觸，從而延遲腰線與坯料的接觸時機，減小腰線圓角的滑移。最終優化的隆起式余肉造型如圖10 所示。

圖10 隆起式余肉造型

4.3.3 優化后的分析結果

工藝優化后的銳棱化側圍外板FLD、成形性、減薄率、主應變、次應變以及滑移線分析結果如圖11 所示。由圖11(a)、(b)可知，工藝優化后，銳棱化側圍外板成形性良好，未出現開裂、起皺等質量缺陷。由圖11(c)可知，側圍外板后三角窗與輪拱區域最大減薄率分別為18.9%、19.9%，均已降低至25%的材料減薄極限以內，開裂風險消除。由圖11(d)、(e)、(f)可知，側圍外板減薄率均在4%以上，主應變變化均勻，全部大于3%，次應變變化均勻，全部大于0，表面材料變形充分，拉延成形后獲得了良好的剛性。由圖11(g)可知，側圍外板腰線區域最大滑移量已減小至2.2 mm，小于腰線R2.5 的圓角半徑，未滑出產品棱線圓角，說明滑移線得到了較好地控制。由圖11(h)可知，側圍外板腰線區域最大接觸應力為17.65 MPa，小于27 MPa 的上限基準，說明該區域發生滑移線的概率較小，已達到側圍外板A 級表面外觀質量要求。

圖11 工藝優化后有限元分析結果

5 方案驗證

利用銳棱化側圍外板最終成形工藝方案進行沖壓模具設計以及制造調試，所用試模設備為日立造船(H&F)23 000 kN 機械壓力機，沖壓工藝參數與有限元分析所設置的工藝參數保持一致。最終調試穩定后得到如圖12(a)所示的零件，零件整體成形質量良好，無開裂、起皺以及剛性不足等質量缺陷。通過對光檢查，腰線區域外觀面未發現明顯的滑移痕跡，如圖12(b)所示，可以滿足側圍外板A 級表面外觀質量需求，證明了銳棱化側圍外板成形工藝的可行性。

圖12 銳棱化側圍外板試模驗證結果

6 結論

1）利用數值模擬技術可以準確地預測銳棱化側圍外板拉延成形過程中開裂以及腰線滑移等潛在的質量缺陷，并能指導成形工藝優化和現場試模。

2）增大產品過拉延圓角半徑以及立壁打開角度，能夠降低材料與凸模圓角接觸時的變形抗力；增大凹模圓角半徑，可以減小材料向凹模內流動的阻力，從而解決了側圍外板后三角窗和輪拱區域的拉延開裂問題。

3）通過優選拉延筋類型以及在輪拱區域工藝補充面設計隆起式余肉造型，有效地控制了側圍外板銳棱化腰線的滑移。

4）將數值模擬結果應用于最終的成形工藝方案，使開裂、滑移等問題在產品數據階段就得以解決，提高了銳棱成形工藝一次試模合格率，銳棱化構造在側圍外板上成功實現了工業化應用，對于具有銳棱化特征造型的汽車外覆蓋件的成形工藝設計及模具制造調試有著一定的借鑒和指導意義。