高強度零件局部凸包成形缺陷分析

韓忠英，張小勇

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 201814）

0 引言

目前，汽車輕量化是應對能源危機和環境污染的重要手段之一。輕量化主要可從兩個方面考慮：一是車身結構的優化，通過結構優化，可以達到減少零件數量和減輕零件質量的目的；二是材料的優化，通過合理地應用材料來達到減輕車身質量的目的。高強度鋼板的應用，不僅能減薄零件的厚度以達到減輕零件質量的目的，同時可以保證車身的安全性、耐撞性、舒適性和抗震性等[1-2]。

材料強度的提高，對模具開發提出了更高的要求。高強度鋼板的高抗拉強度和高抗剪強度，使得其沖壓過程中非常容易出現開裂、起皺等缺陷，這也成為制約其快速發展的重要原因[3]。本文將以某副車架左右梁為例，針對高強度零件局部凸包可能出現的成形缺陷進行研究，分析其可能出現的質量缺陷，并通過數值仿真，建立局部特征成形的質量評價方法。

1 高強度零件局部凸包缺陷分析

高強度鋼板的應用可以提高零件的強度，可通過減小料厚的方式來減輕零件的質量，同時也由于其強度高引起材料塑性下降、成形性能變差，而屈服強度的提高則引起面畸變和回彈效應，增加了尺寸和形狀的不穩定性。高強度零件常見的成形缺陷包括起皺、開裂、回彈和扭曲等[4-6]。對高強度零件的局部特征來說，最重要的質量缺陷是起皺和開裂。本文主要研究某副車架左右梁下片（如圖1）局部凸包的成形缺陷。

圖1 副車架左梁下片

左右梁的材料為HR550LA，其材料性能如表1所示。

表1 HR550LA力學性能

1.1 起皺

起皺在車身鈑金沖壓成形中的出現非常頻繁，在造型比較復雜的高強度零件沖壓過程中也是經常出現的質量特征，對于局部的凸包等細節特征，更應該值得關注。在沖壓件發生變形的時候，由于受到的壓應力超過材料的受力極限導致其法向失穩而引起起皺缺陷[7]。

本例中，由于凸包的深度比較大（如圖2），周邊材料進料困難，一次成形必然會導致零件的開裂，考慮先成形較大的凸包，以保證其后序成形過程中有足夠的材料（如圖3）。

圖2 零件凸包尺寸

圖3 拉延和成形工藝造型

由于局部凸包的深度比較大，且兩側的小平面需要足夠的位置和平面度來保證控制臂的安裝，在小平面及其周邊非常容易出現積料的現象，如圖4所示。

圖4 零件起皺

1.2 開裂

開裂是在成形過程中最為常見的缺陷之一，是由于沖壓件在拉伸過程中拉應力大于材料的抗拉強度導致材料完全失穩而造成的破裂情況[7]。對于形狀復雜的零件，一般很難確定其材料的塑性變形情況。本例中，下片凸包位置出現開裂的位置如圖5所示。

圖5 零件開裂

1.3 起皺與開裂的原因分析

引起零件起皺和開裂的原因非常多，綜合起來可以歸納為零件材料、模具工藝造型及工藝參數等[8]。

材料的延伸率及強度在很大程度上決定了零件的可成形性；合理的模具工藝造型對成形性能的影響非常大，能否順利沖壓成形，很大程度上是由工藝造型決定的；工藝參數設置是否合理，決定了零件是否有開裂、起皺等缺陷的出現，也是沖壓成形穩健性的基礎。

1.4 改善起皺與開裂的對策分析

鋼板的強度越高，成形性能越差。使部件形狀平直化，是一種有效的解決方法。在出現開裂、起皺等缺陷的情況下，適當調整壓邊力、調整下料尺寸和進料方向，以及調整壓料筋大小和高度等，可使起皺開裂得到改善[8]。本文研究的是零件的局部凸包起皺和開裂，主要從模具工藝造型和工藝參數兩個方面進行調整。

在模具工藝造型方面，主要從造型的位置和大小等方面做出相應的調整，比如先成形大致形狀后通過整形的方式得到需要的造型，或者先成形反方向的凸包，再通過整形的方式得到最終的造型等。

在工藝參數方面，主要是通過工藝參數的調整來改善材料的流入速度，以達到控制材料走向和速度的目標。主要的工藝參數包括模具R角大小的調整、模具潤滑條件的調整及坯料尺寸的調整等。

2 成形數值仿真

由于零件的造型復雜，很難用簡單的應力應變關系進行計算，這里對局部凸包采用數值仿真軟件AutoForm進行成形性能分析[9]。

針對本例中零件的凸包，采用兩種不同的造型進行分析，觀察其零件厚度的變化，以零件的變薄率作為評判方案可行性的標準，即零件的變薄率不超過材料的延伸率，零件的增厚不超過零件厚度的10%。選用兩種不同的工藝造型進行分析，方案一先成形反向的凸包，再通過整形達到零件要求（如圖6），方案二先成形大致的凹包形狀，再通過整形的方式達到所需要的形狀（如圖7）。

圖6 工藝造型設計方案一

圖7 工藝造型設計方案二

在AutoForm軟件中設置好相關的工藝參數和工具，并進行計算，得到相應的減薄結果，如圖8和圖9所示。

圖8 方案一CAE分析結果

圖9 方案二CAE分析結果

通過對比兩種方案的減薄的CAE分析結果，與材料的斷后延伸率相比，方案二優于方案一（如表2）。

表2 最大變薄率分析結果

3 實驗驗證

對以上兩種方案分別進行實驗驗證，結果方案一（如圖10）沒有出現開裂的現象，但是兩小平面處有起皺出現。方案二（如圖11）滿足零件設計要求，沒有出現開裂和起皺的現象。

圖10 方案一驗證結果

在CAE的仿真過程中，方案一出現了起皺的現象，實際的沖壓零件也出現了起皺的現象，零件品質達不到要求。因此，需要對高強度厚板零件的局部成形質量進行重新評判，需要在仿真中增加板料過程狀態的確認，是否有起皺的風險。

4 結論

在高強度厚板零件沖壓工藝設計過程中，需要特別關注局部造型的成形質量。

1）模具工藝造型是零件成形的基礎，設置合理的工藝造型是減少成形缺陷出現的關鍵所在；

圖11 方案二驗證結果

2）零件的工藝參數是改善成形缺陷的重要因素，需要在工藝設計及模具調試過程中靈活應用；

3）高強度零件工藝設計中，整體零件質量評價的標準應該與局部的特征評價區別對待，建立零件局部造型的質量評價標準。