TWB 汽車覆蓋件成形工藝參數優化＊

蔣 磊 李十全 王 龍 王大鵬 馬培兵 張雄飛

（東風本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056）

隨著“碳達峰和碳中和”發展目標的提出，輕量化已成為我國乃至全球汽車產業的必然趨勢。拼焊板（tailor-welded blank,TWB）作為一種集材料輕量化和工藝簡單化兩大優點的技術，不僅能夠在保證車身結構強度的同時降低車身裝備質量，還能提高材料利用率，因而被廣泛應用于汽車覆蓋件的生產制造。TWB 技術是根據車身強度和剛度需求，將不同厚度的同一種材質或不同材質通過激光拼焊的方式連接成一個整體坯料，然后進行沖壓成形以加工出所需要的形狀的技術[1-2]。應用TWB 技術可以實現同一零件不同部位材料厚度和性能的柔性定義，使多個零件化零為整成為可能，從而有效減少了沖壓模具數量，降低了零件焊接裝配成本。

TWB 沖壓成形工藝以及在汽車覆蓋件上的應用是近年來的研究熱點之一。白穎等[3]借助有限元分析技術對A286 薄壁大徑雙曲排氣半管拼焊拉深工藝進行了研究，設計了合理的拼焊板焊縫初始位置和焊接方法，從而實現了復雜結構件的成形。洪磊等[4]對22MnB5&Q235 拼焊板高溫力學性能及U形熱彎曲件的微觀組織和力學性能進行實驗研究，揭示了高強鋼與普通鋼拼焊板的熱沖壓成形機理。李亞東等[5]分別對開裂與不開裂拼焊板的焊縫質量以及力學性能進行對比，并利用Autoform-Sigma 模塊對噪音變量下數模的穩定性進行分析，基于分析結果對焊縫區域拉延筋進行優化，消除了零件拉延開裂風險。胡志力等[6]建立了攪拌摩擦焊接頭的有限元模型，試驗結合力學計算研究了攪拌摩擦焊接頭的塑性變形規律，采用焊后熱處理和高溫成形方法顯著提高了2024 鋁合金拼焊板的成形性和力學性能。蔣磊等[7]研究了在拼焊板前門內板上應用鋅鋁鎂鍍層的可行性，通過優化工藝參數獲得了優于傳統鋅鐵鍍層的成形質量，解決了拉延成形裕度低的問題，并降低了零件拉毛、脫鋅等缺陷的發生頻率。王輝等[8]采用正交試驗設計、數值模擬和多目標優化相結合的方法，對差厚板前門內板成形工藝參數進行優化，消除了差厚板零件的成形缺陷。在TWB 沖壓成形的研究中，試驗法和有限元分析被廣泛應用，仿真結果也與實際試驗結果有著較高的吻合度，能夠對生產制造起到一定指導作用。

上述研究主要針對壓邊力、摩擦系數和拉延筋等易于調整的常規工藝參數進行優化，而對于坯料尺寸、工藝切口等調整難度大的工藝參數優化研究較少，因此，為了更加全面地了解TWB 板汽車覆蓋件成形規律以及工藝參數對其成形過程的影響，本文以東風本田某TWB 前門內板為研究載體，綜合考慮壓邊力、摩擦系數、拉延筋、皮料尺寸和工藝切口對拉延成形的影響，通過成形工藝設計和有限元分析，識別零件拉延成形缺陷，基于正交試驗法快速確定影響TWB 前門內板成形開裂的主要工藝參數，并利用極差分析得出成形工藝參數的最優組合，利用方差分析驗證了影響TWB 前門內板成形開裂的主要因素的顯著性。最后，將最優工藝參數組合用于TWB 前門內板成形仿真和試模驗證，獲得了吻合度較高且成形質量良好的成形件。

1 TWB 前門內板工藝分析

圖1 為某TWB 前門內板產品數模及其材料拼焊方式，該產品由兩部分構成，左側部分（圖1a中左邊深色區域）材料厚度為1.2 mm，右側部分（圖1a 中右側淺色區域）材料厚度為0.65 mm，兩種厚度材料通過下底面對其的方式進行激光拼焊，即錯層區位于零件上表面，如圖1b 所示。產品在X、Y、Z這3 個方向的輪廓尺寸分別為1 688 mm×176 mm×627 mm，整體成形深度較大，空間結構復雜，特征圓角多且小，材料在拉延成形過程中流動困難，零件發生開裂風險較高。

圖1 TWB 前門內板產品與材料拼焊方式

由于前門內板為左右對稱件，為了便于拉延成形、提高材料利用率、減少模具數量、降低模具開發成本，通常會采用左右對拼、一模兩件的拉延成形工藝方案。通過工藝分析得出，該零件的全工序成形工藝方案為：第1 工序拉延（OP10），第2 工序整形、修邊（OP20），第3 工序修邊、翻邊和沖孔（OP30），第4 工序剖切、整形、沖孔和側沖孔（OP40）。在這4 道工序中，拉延序直接成形出產品的絕大部分形狀，對零件的成形質量起著決定性作用，因此，拉延序成形工藝的設計、仿真以及驗證最為重要。利用CATIA 軟件設計的TWB 前門內板拉延工藝模面如圖2 所示。

圖2 TWB 前門內板拉延工藝模面

2 TWB 前門內板有限元模型

2.1 材料性能

該TWB 前門內板厚、薄板圖紙設計的材料均為JAC270D-45/45，材料供應商為蒂森克虜伯，實際生產時所使用的材料為與JAC270D-45/45 性能相當的DX54D-ZF，材料的FLC 曲線基于蒂森克虜伯TKSⅡ-ISO 準則獲得。兩種厚度材料的力學性能參數如表1 所示。

表1 材料力學性能參數

2.2 有限元模型

準確的材料模型是實現精準有限元分析的基礎[9]，利用AutoForm 材料編輯器導入仿真所需要的本構模型、屈服面模型、FLC 曲線，并按照表1 對各項材料參數進行數值輸入，從而得到相應的仿真材料卡MAT 文件[10]。

將TWB 前門內板拉延工藝模面的沖壓方向、凸模、壓邊圈、凹模、坯料及工藝切口分別以IGS格式導入至AutoForm 軟件中，依次完成沖壓方向設定、材料定義、工序規劃、坯料設計、工具體設置以及仿真精度選擇設定，并利用AutoForm 自適應網格技術進行網格劃分，最大網格單元邊長為10 mm，獲得的坯料與拉延模具有限元模型如圖3所示。

圖3 TWB 前門內板坯料與拉延模具有限元模型

2.3 工藝預分析

根據實際生產經驗，前門內板在拉延成形之前，坯料會經過清洗機進行表面涂覆油膜處理，拉延成形過程中潤滑條件良好，因此可將摩擦系數設置為0.13[11]；采用全自動化生產的前門內板沖壓節拍可到達SPM10，壓力機上滑塊行程為900 mm，換算得出等效沖壓速度為300 mm/s；壓邊力通過公式B.H.F.=P×S[12]（式中：B.H.F.為壓邊力，P為單位面積壓強，一般取值3 MPa，S為壓料區域面積）計算得出為1 200 kN；壓邊圈行程按照略大于拉延成形深度取整設定，設置為180 mm；第一刺破刀高度H1 和第二刺破刀高度H2 根據經驗均預設為10 mm。在AutoForm 軟件中將上述工藝參數設置后提交求解，得到如圖4 所示的初步成形仿真結果。其中，圖4a為TWB 前門內板拉延成形性云圖，圖4b為TWB 前門內板減薄率云圖。仿真結果顯示，焊縫區域出現較為嚴重的過渡減薄現象，最大減薄率達到34.8%，存在較高的拉延開裂風險。

圖4 TWB 前門內板初步成形仿真結果

3 TWB 前門內板成形工藝優化

3.1 試驗設計

為了解決TWB 前門內板焊縫區域拉延開裂問題，本文對影響TWB 前門內板成形質量的主要工藝參數進行了試驗設計，并結合試驗結果確定了最優工藝廠參數。通過分析，選擇對TWB 前門內板拉延成形影響較大的壓邊力B.H.F.、摩擦系數μ、第一刺破刀高度H1、第二刺破高度H2、薄板寬度W作為設計因素。先利用單因素試驗確定各因素的大致取值范圍，再利用正交試驗法確定各因素對TWB 前門內板焊縫區域成形質量影響的主次順序以及最優工藝參數組合。

試驗設計中將壓邊力B.H.F.定義為試驗因素A，摩擦系數μ定義為試驗因素B，第一刺破刀高度H1 定義為試驗因素C，第二刺破高度H2 定義為試驗因素D，薄板寬度W定義為試驗因素E。通過單因素試驗結果得出各因素的取值范圍為：試驗因素A取值1 000～1 400 kN，試驗因素B取值0.12～0.16，試驗因素C取值8～12 mm，試驗因素D取值8～12 mm，試驗因素E取值1 040～1 048 mm。運用正交試驗法建立的5 因素5 水平正交試驗表如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表

根據建立的5 因素5 水平正交試驗表，得出25 組不同因素和水平的試驗組合，將上述初步成形仿真文件克隆25 份，并分別代入25 組試驗組合的工藝參數進行求解計算，以TWB 前門內板焊縫區域的最大減薄率作為評價指標，通過逐一處理查看成形仿真文件，得到如表3 所示的正交試驗結果。

表3 正交試驗方案與結果

3.2 極差分析

極差分析能夠非常直觀地顯示正交試驗中各因素對試驗結果的影響程度[13]，因此，為確定各工藝參數對TWB 前門內板焊縫區域成形性影響的主次順序，需要對正交試驗結果進行極差處理，其中，K=ΣKij(i=1，2，3，4，5；j=A，B，C，D，E)；k=1/5ΣKij（i=1，2，3，4，5；j=A，B，C，D，E）；Rj=kmax-kmin，以最大減薄率為評價指標，得出正交試驗結果的極差分析如表4 所示。

由表4 中的極差分析結果可知，各因素對TWB 前門內板焊縫區域最大減薄率影響的主次順序為：A＞B＞E＞D＞C，其中，壓邊力B.H.F.對焊縫區域最大減薄率的影響最大，第一刺破刀高度H1對焊縫區域最大減薄率的影響最小。所得到的最優工藝參數組合為A1B2E3D4C3，即壓邊力B.H.F.=1 000 kN、摩擦系數μ=0.13、薄板寬度W=1 044 mm、第二刺破高度H2=11 mm、第一刺破刀高度H1=10 mm。在實際生產中，壓邊力可通過沖壓設備進行設定和調整[14]，摩擦系數可通過調整坯料清洗機泵油量、擠干輥壓力來改變[15]，坯料寬度可在原材料落料時進行調整，工藝切口的刺破刀高度則可以通過打磨或者堆焊刃口進行不同數值的調整。在壓邊力、摩擦系數、坯料寬度確定之后，僅需對工藝切口的刺破刀高度進行調試驗證即可使實際工況條件與最優工藝參數組合趨于一致。

表4 正交試驗結果的極差分析

3.3 方差分析

利用極差雖然獲得了TWB 前門內板拉延成形的最優工藝參數組合，但是在沒有試模驗證之前，該工藝參數組合所能達到的試驗值及其波動范圍，均無法預知。因此，還需要運用方差分析法對各因素的顯著性進行檢驗。正交試驗的方差分析結果如表5 所示。

由表5 中的方差分析結果可知，因素A 對試驗結果有顯著影響，表明壓邊力對TWB 前門內板焊縫區域的最大減薄率起著決定性作用。根據F值可知，5 個因素的主次順序為A＞B＞E＞D＞C，即壓邊力B.H.F.＞ 摩擦系數μ＞薄板寬度W＞第二刺破高度H2＞第一刺破刀高度H1。同時，通過對比極差與方差分析數據可知，方差分析所得出的各因素主次順序結論與極差分析結論完全一致，證明了極差分析的準確性。

表5 正交試驗結果的方差分析

3.4 工藝優化分析

根據正交試驗結果極差和方差分析所得出的因素主次順序選取最優方案水平，在AutoForm 軟件對初步成形仿真文件進行工藝參數修改，依次壓邊力B.H.F.設置為1 000 kN，摩擦系數μ設置為0.13，薄板寬度W設置為1 044 mm，第二刺破刀高度H2設置為11 mm，第一刺破刀高度H1 設置為10 mm，然后再次提交求解計算，得到如圖5 所示的工藝參數優化后的成形仿真結果。其中，圖5a 為TWB 前門內板拉延成形FLD，TWB 前門內板所有區域的應變全部位于材料FLC 曲線以下，并且具有足夠的安全裕度；圖5b 為TWB 前門內板成形性云圖，零件產品面區域塑性變形充分，成形良好，未出現拉延開裂和過度減薄缺陷；圖5c 為TWB 前門內板減薄率云圖，焊縫區域最大減薄率為24.3%，未超出25%的上限基準，零件發生開裂的風險較低；圖5d 為TWB 前門內板最大失效云圖，焊縫區域最大失效為0.688，根據企業內部標準，當最大失效小于0.8 時，即可認為零件不會發生開裂[16]。綜合判斷圖5 的成形仿真結果可知，TWB 前門內板焊縫區域拉延開裂的問題得到解決，按照優化后的工藝參數進行生產，零件可獲得良好的成形質量。

圖5 TWB 前門內板工藝參數優化后的成形仿真結果

4 方案驗證

利用正交試驗優化得到的工藝參數組合及成形仿真結果進行沖壓模具設計開發，最終調試穩定的TWB 前門內板拉延模如圖6a 所示，利用拉延模對TWB 前門內板件試模驗證，獲得如圖6b 所示的成形樣件，通過目視檢測可知，樣件變形均勻、成形充分，無開裂、起皺等缺陷。為了進一步量化評價試驗方案的可靠性，利用ARGUS 網格應變測量系統對拉延成形過程進行應變測量分析，樣件網格劃分及變形情況如圖6c 所示，獲得的應變分析結果如圖6d 所示，最終得出TWB 前門內板焊縫區域最大減薄率為23.8%，與工藝參數優化后的成形仿真結果基本吻合，驗證了基于正交試驗優化成形工藝方案的正確性。

圖6 TWB 前門內板拉延模與拉延成形樣件

5 結語

（1）通過設計拉延成形正交試驗方案以及極差、方差分析，得出影響TWB 前門內板焊縫區域最大減薄率的因素主次順序為壓邊力B.H.F.＞ 摩擦系數μ＞薄板寬度W＞第二刺破高度H2＞第一刺破刀高度H1，并確定了成形工藝參數最優組合為壓邊力B.H.F.取值1 000 kN、摩擦系數μ取值0.13、薄板寬度W取值1 044 mm、第二刺破高度H2 取值11 mm、第一刺破刀高度H1 取值10 mm。

（2）采用優化后的成形工藝參數組合進行TWB 前門內板拉延成形仿真，消除了焊縫區域的開裂風險，零件獲得了足夠的安全裕度。基于優化后的工藝方案和成形仿真結果進行模具制造調試以及試模驗證，得到成形性良好，無開裂、起皺等缺陷的合格樣件。試模結果與成形仿真保持著較高的一致性，證明了正交試驗和有限元分析的準確性。

（3）研究結果表明，將正交試驗應用于成形仿真能夠有效解決TWB 前門內板焊縫區域拉延開裂問題、提高TWB 前門內板的成形裕度，減少零件量產階段的質量缺陷，對于同類汽車覆蓋件成形工藝的開發和沖壓生產具有一定指導意義。