車門外板用鋼沖壓開裂分析與仿真工藝優化

梁笑 ，李春林 ，林利 ，徐鑫 ，李蕭彤 ，郝志強

（1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧 鞍山 114009；2.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

隨著近幾年汽車輕量化技術水平的不斷提高，汽車主機廠為了提升自身品牌競爭力，對于車身的用材設計追求精益求精，一直致力于開展車身結構件的輕量化減重以及非結構件的技術降成本等材料替換研究工作。汽車外覆蓋件的重量較大，實施技術降本的效果較為明顯，此類零件常常作為工程技術人員的重點研究對象，車門外板作為一種常見的汽車外觀件，與一般的汽車結構件相比，具有型面尺寸大，特征復雜、成形質量要求高等特點［1］，由于其成形工藝設計難度較高，在材料應用過程中很容易出現起皺及開裂等沖壓缺陷。影響零件發生沖壓起皺及開裂缺陷的因素很多，廣泛涉及到材料性能、零件特征、成形方案、工藝參數等諸多因素［2-4］，多年來隨著有限元仿真技術取得的長足進步，依靠現場實際沖壓來進行工藝試錯的經驗調試法已經被逐漸淘汰，通過CAE仿真軟件能夠為零件設計全流程的成形工藝方案準確預測板料在成形過程中可能出現的起皺、開裂等產品缺陷，大幅縮短汽車零部件的生產制造周期和工藝調試進度［5］。本文針對某車門外板由于原材料替換為鞍鋼產品后引起的沖壓起皺和開裂問題，分析了兩種材料的力學性能及成形能力變化，同時利用成形仿真軟件開展了適用于鞍鋼產品的車門外板成形工藝研究。

1 試驗材料與分析方法

1.1 試驗材料及零件工藝分析

某新能源車型的車門外板如圖1所示，其框架尺寸為860 mm×1 170 mm×0.7 mm，由于在鞍鋼產品推廣過程中提議將車門外板用材由某鋼廠DC04鋼板替換為鞍鋼DC01產品，材料與模具的匹配性發生改變，從而導致零件在實際沖壓過程中出現起皺及開裂等問題，因此需要對材料替換前后的兩種牌號的成形能力差異及工藝方案展開研究分析。

圖1 車門外板Fig.1 Outside Panels of Vehicle Doors

圖1所示的車門外板為左右對稱零件，該零件的結構特征適合采用一模兩件的工藝方案，一般而言，在滿足零件成形質量的前提下，應盡可能減少工序數量以降低模具制造成本。因此，將該零件分為4個工序進行沖壓成形，即落料—拉延—切邊沖孔—翻邊整形，其中拉延工序是整個技術方案中零件變形量最大，也是最容易出現起皺及開裂等產品缺陷的關鍵環節，因此將重點針對拉延工序展開成形工藝分析。

1.2 力學性能及成形極限分析

材料的力學性能及成形極限曲線是表征材料成形能力的主要技術指標，同時也是CAE仿真中定義材料模型時不可或缺的關鍵輸入參數，因此，利用德國Zwick Z100材料拉伸試驗機，按照國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》、GB/T 5028-2008《金屬材料-薄板和薄帶-拉伸應變硬化指數 （n值）的測定》和GB/T 5027-2016《金屬材料-薄板和薄帶-塑性應變比（r值）的測定》［6-8］分別對 DC01和 DC04兩種材料沿著鋼板軋制方向 0°、45°、90°制樣并開展單軸拉伸試驗，分析兩種牌號之間的力學性能差異。通過美國ITC SP225萬能板材成形試驗機，按照國家標準GB/T 15825.8-2008《金屬薄板成形性能與試驗方法 第8部分 成形極限圖（FLD）測定指南》［9］沿著鋼板軋制方向90°制樣進行兩種牌號的成形極限曲線測定，研究材料替換后的成形能力變化以及對工藝設計的影響。

1.3 仿真分析

以成形仿真軟件作為分析工具建立目前與實際模具狀態一致的單動拉延仿真模型，研究材料替換后出現的起皺及開裂等產品缺陷，為了提高仿真軟件對成形結果的預測精度，根據力學性能的試驗結果，利用Ludwik本構模型輸入高擬合優度的材料應變硬化曲線，由于Hill屈服準則對于r值大于1的鋼板具有較高的表征精度［10-11］，因此利用Hill屈服準則建立材料的屈服軌跡，同時根據成形試驗結果將材料的極限應變點進行回歸，然后建立材料的成形極限曲線，并以Table的形式輸入到材料卡片中。

2 試驗結果與分析

2.1 力學性能及成形性能結果分析

按照國家標準GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗室溫試驗方法》［6］中規定的P6試樣開展單向拉伸試驗，兩種材料的力學性能如表1所示，DC04和DC01鋼板均存在明顯的各向異性，在沿著鋼板軋制方向 0°、45°、90°上都出現了一定程度的性能差異，通過對比DC04和DC01的強度性能發現，材料替換后的屈服強度和抗拉強度有所提升，而在塑性性能方面，均勻延伸率Ag、總延伸率A80mm、應變強化指數n值都略有下降，尤其是塑性應變比r值降低的更為明顯。

表1 兩種材料的力學性能Table 1 Mechanical Properties of Two Types of Materials

材料的強度性能和塑性性能對零件的可成形性影響較大，屈服強度越小，板料在成形時發生塑性變形越容易，發生沖壓開裂的可能性也會降低，但是板料起皺發生的風險也會逐漸增加［12］。從表1可見，材料替換后屈服及抗拉強度提高了約20 MPa，說明材料發生塑性變形的難度增加，且屈服強度的提高會降低材料的成形能力，增加沖壓開裂的風險，由于車門外板等外覆蓋件在車身中不要求具有較大的承載能力，抗拉強度的提高對該零件的功能性影響不大。

均勻延伸率和總延伸率分別表征了材料抵抗頸縮變形和斷裂的能力，從表1中發現，材料替換后的均勻延伸率Ag和A80mm總延伸率下降了約1%，說明材料的塑性變形能力變差。應變強化指數n值代表材料進入塑性變形后的硬化能力及均勻變形程度，n值在材料替換后變化不大，但塑性應變比r值降低了約0.4，塑性應變比r值代表板料在厚度方向抵抗塑性變形的能力，r值降低，板料在厚度方向的變形量會增加，在平面內發生的變形量會降低，對沖壓成形不利。

DC04和DC01的成形極限曲線如圖2所示。

圖2 DC04和DC01的成形極限曲線Fig.2 Forming Limiting Curves of DC04 and DC01

通過對比發現，DC01在位于左半部分拉—壓變形區和平面應變特征點FLD0與DC04相差不大，位于右半部分的拉—拉變形區的成形極限曲線與DC04相比略有下降，說明材料在抵抗拉—拉變形時的能力變差，總體來看，如果選擇用DC01作為替換材料，即使鋼板的大部分性能指標變化不大，但材料的r值和雙拉變形區的極限應變明顯降低，成形能力必然下降，從而導致材料與模具的匹配難度大幅增加，零件的成形工藝設計參數窗口變窄。

2.2 仿真結果分析

根據沖壓現場模具的實際情況設計了車門外板單動拉延的仿真模型，如圖3所示，該模型從上到下由凹模、板料、壓邊圈及凸模組成，其中，箭頭方向為各模具的運動方向。按照一模兩件的工藝方案設計矩形板料尺寸為1 045 mm×2 580 mm×0.7 mm，網格單元類型為EPS-11殼單元，單元細化精度為6級，最小單元尺寸為0.3 mm，最大單元尺寸為20 mm，按照材料替換前DC04的仿真工藝參數設置摩擦系數為0.15、壓邊力為1 150 kN、恒定拉延筋阻力系數為0.45、壓邊圈行程為260 mm。

圖3 拉延仿真模型Fig.3 Simulation Model for Drawing

2.2.1 成形極限分析結果

成形極限云圖能夠全面反映材料在沖壓過程中的變形情況，是評估零件可成形性的主要判定指標，基于DC04的成形工藝參數及單動拉延仿真模型，輸入DC01的材料性能卡片進行仿真計算，建立的仿真模型是按照零件左右對稱性設計的一模兩件工藝方案，其計算結果以圖4的零件中心線為基準左右對稱，在進行分析時僅考慮單側的成形及減薄情況。

圖4 仿真結果Fig.4 Simulation Results

從圖4仿真結果可見，車門外板的零件特征面在拉延工序完成后大部分處于成形極限圖的安全區內，然而，從圖4（a）發現，在零件四周及邊角（區域A、區域B、區域C）出現了不同程度的板料增厚及起皺情況，這些區域對零件特征影響不大，可以在后續修邊工序中切除。從圖4（b）可見，在零件的側壁（區域D、區域E）存在開裂風險，這些區域的板料變形量較大，已經超過成形極限曲線的安全裕度區，說明按照當前的工藝參數進行沖壓存在很大的開裂風險。

2.2.2 減薄率分析結果

減薄率云圖能夠有效反映材料在成形過程中的厚度變化情況，是評估零件成形質量、分析零件沖壓缺陷的關鍵因素，基于成形極限云圖的仿真分析結果，針對板料成形后的主要特征面及發生起皺和開裂缺陷的風險區域進行減薄率分析，研究板料替換成DC01后在成形過程中的流動狀態和厚度減薄的變化趨勢。車門外板的總體減薄率分布如圖5所示，在零件主要特征面的減薄率基本在-9.0%～-3.9%，滿足最小減薄率-3%的成形工藝要求。

圖5 DC01車門外板的總體減薄率分布Fig.5 Distribution of Overall Thickness Reduction Rates for DC01 Outside Panels of Vehicle Doors

DC01局部區域減薄率仿真結果如圖6所示，由圖6可見，在區域A、區域B和區域C的板料變形量較小，說明板料的流動性較差，在區域A的減薄率甚至出現了正值，說明板料在成形過程中的面內變形受阻，發生了較為嚴重的板料堆疊增厚情況，從而導致沖壓成形后零件四周及邊角部位產生起皺。在區域D和區域E的最大減薄率分別達到了-41.2%和-29.0%，超過了材料減薄率-25%的成形安全極限，發生了材料的過度減薄，具有較大的沖壓開裂風險，這些風險區域的減薄率分析結果與成形極限云圖的預測結果形成了對應關系，而且，利用仿真分析預測的起皺及開裂情況與現場使用DC01來替換DC04進行實際沖壓出現的結果基本一致，說明當前建立的仿真模型精準可靠，可以用來開展零件的可成形性分析及工藝優化研究。

圖6 DC01局部區域減薄率仿真結果Fig.6 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

3 工藝優化方案

由于材料替換后與模具的匹配關系已經發生改變，保持原有的工藝參數顯然已經不能滿足零件的成形質量要求，為了研究適用于鞍鋼產品的車門外板成形工藝方案，實現模具與DC01鋼板的最佳匹配，考慮從摩擦系數、壓邊力、拉延筋三個方面展開分析。

3.1 優化摩擦系數

模具與板料的摩擦系數是影響零件成形質量的工藝參數之一，摩擦系數過大，板料在成形時流動阻力增加，容易發生開裂風險，摩擦系數過小，可能出現沖壓起皺［5］，鑒于當前的材料替換不涉及到板料的摩擦狀態改變，因此，摩擦系數依然根據材料替換前0.15進行設置即可。

3.2 優化壓邊力

板料在壓邊圈與凹模閉合時，其四周會承受一定的壓邊力來控制后續成形時板料的流動狀態，根據當前的工藝參數仿真結果，零件的主要特征面變形量足夠，針對側壁出現的開裂情況，通過降低壓邊力的方式來研究對其可成形性的影響，將壓邊力從1 150 kN調整到880 kN。由于零件四周及邊角（區域A、區域B、區域C）的起皺對零件特征影響不大，可以在后續修邊工序中切除。因此，針對區域D和區域E進行優化分析，DC01局部區域減薄率仿真結果如圖7所示。

圖7 DC01局部區域減薄率仿真結果Fig.7 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

從圖7發現，壓邊力的減小能夠有效改善零件側壁的拉延開裂風險，區域D和區域E的減薄率已經分別從-29.0%和-41.2%降到-18.9%和-21.5%，然而，對于車門外板等汽車外覆蓋件，除了要防止沖壓開裂之外，還要保證零件在成形過程中變形量足夠。如圖8所示，壓邊力的減小使零件的大部分特征面變形量嚴重不足，甚至在局部區域還產生了起皺缺陷，而壓邊力過大，會導致零件的側壁過度減薄產生沖壓開裂，由此可見，僅僅依靠壓邊力的全局工藝調整并不能同時解決零件的起皺和開裂問題。

圖8 零件特征區域的起皺風險Fig.8 Risk of Forming Wrinkles in aracteristic Region of Parts

3.3 優化拉延筋

拉延筋作為一種控制材料變形量和減薄率的關鍵工藝參數，其靈活的設計方式能夠控制板料的局部流動狀態，避免車門外板產生沖壓開裂。目前的仿真結果采用的拉延筋阻力系數是恒定的0.45，本質上還是全局控制方式，由于區域D和區域E存在開裂風險，應該逐漸減小該區域的板料流動阻力，避免該區域板料的減薄率過大，同時，拉延筋阻力系數太小會造成局部區域的變形量不足，因此，重新設計拉延筋在各區域的分布位置，靈活設計拉延筋的阻力系數，拉延筋分段設計如圖9所示。從圖9可見，區域D和區域E的拉延筋阻力系數從0.45降低到0.25～0.30，防止區域內的板料過度減薄，零件邊角及局部區域的阻力系數從0.45降低到0.40。

圖9 拉延筋分段設計Fig.9 Section by Section Design for Draw Beads

4 優化結果

結合將壓邊力從1 150 kN調整到1 260 kN，最終的仿真結果如圖10所示，零件主要特征面的變形量足夠充分，區域D和區域E的側壁開裂風險消失，說明靈活設計拉延筋的分布及阻力系數能夠合理控制各個區域的板料流入量，零件的成形狀態良好，滿足了實際生產要求。

圖10 最終仿真結果Fig.10 Final Simulation Results

5 結論

（1）通過對比分析DC04鋼和DC01鋼力學性能及成形極限的試驗結果，可以看出塑性應變比r值和雙拉變形區的極限應變下降會導致材料替換后的成形能力變差，零件的成形工藝窗口變窄，模具與材料的匹配設計難度增加。

（2）利用成形仿真軟件預測的開裂風險區域與實際沖壓情況一致，證明了仿真模型的準確性。零件側壁處發生的沖壓開裂是由于板料流動阻力過大發生了過度減薄和材料的成形性能下降共同所致。

（3）壓邊力對零件的可成形性具有很大影響，但僅依靠壓邊力的全局性工藝參數調整不能同時解決起皺和開裂問題。通過拉延筋的靈活設計和壓邊力的精細調整，將區域D和區域E的拉延筋阻力系數從0.45降低到0.25～0.30，零件邊角及局部區域的阻力系數從0.45降低到0.40，壓邊力從1 150 kN調整到1 260 kN后，車門外板在各個區域的板料流動變形分配合理，側壁區域的開裂風險消失，滿足了客戶使用要求，提高了鞍鋼產品的推廣量及應用穩定性。