近年来, 随着能源和环境问题的逐渐升级, 汽车轻量化已成为当前汽车行业发展的主要趋势。研究表明:汽车每减轻10%的车身质量, 可节省约3%～7%的燃油、降低废气排放2%～4%。高强钢材料因其突出的力学性能和减重特性, 目前已越来越多地应用于汽车零件的生产[1,2,3,4,5]。

高强度钢材因其强度较高, 塑性、韧性较低, 因此, 零件的成形难度也更大。为保证高强度车身零件的成形质量, 国内外学者对采用高强钢的汽车零件成形进行了相关的研究。岳宗敏[6]对汽车用双相高强钢材料的拉延成形性进行了相关研究;王梦寒等[7]针对高强度钢板横梁拉延成形过程存在的拉裂、起皱等问题, 提出了一种具有平缓特征的工艺补充面设计方法;郭驿[8]针对拉延筋对拉深成形及回弹的影响, 进行了相关研究;郑捷等[9]利用田口方法, 对汽车发动机前内盖板的拉延成形工艺参数进行了优化和试验验证;李文平[10]对汽车顶盖前横梁的拉延成形工艺进行了数值模拟分析, 并通过实际生产验证了其模拟参数组合的可行性;刁可山等[11]采用有限元仿真和网格试验研究的方法分析高强钢零件变形特征, 以及主要力学性能参数对成形质量的影响, 为零件冲压成形质量的控制提供了技术依据。可以看出, 针对高强钢零件的成形研究大多局限于单一的型面优化或工艺参数优化, 而很少针对零件的成形缺陷, 对模具型面设计和工艺参数控制进行综合的优化研究。

本文以某汽车地板横梁为研究对象, 设计了该零件的成形工艺方案, 并利用Autoform软件建立了汽车地板横梁成形的有限元模型。根据初步的模拟结果对模具型面进行了优化设计, 并综合考虑拉延筋阻力系数和压边力对目标函数的影响, 采用了二次响应面方程对目标函数进行了拟合, 得到了*优参数组合。*终通过模拟验证和生产试制, 检验优化结果的准确性。

1 零件分析及有限元模型

1.1 零件几何分析

本文研究的对象是某汽车后地板横梁零件, 如图1所示。该零件型面结构复杂, 具有小圆角和多处用于加强刚度的凹槽, 易发生开裂和起皱缺陷;且零件截面呈U形结构, 切边后的回弹较大。因此, 零件整体成形难度较高。为保证零件的成形质量和精度, 在试模前, 须先对零件的成形工艺进行数值模拟分析, 以避免生产过程中出现拉裂、起皱等缺陷, 以及保证材料尽可能成形充分, 使更多的材料进入塑性变形阶段, 从而降低切边后零件的回弹量。根据零件的几何结构, 设计成形工艺为拉延切边翻边整形, 其中, 拉延成形的质量对于零件*终的成形质量有着重要的影响。

图1 零件三维模型   下载原图

Fig.1 3D model of part

该零件使用的钢牌号为SPFC440, 室温下材料的性能参数如表1所示, 板料厚为1.5 mm。要求成形后零件*大减薄率小于20%, *大增厚率小于25%, 且成形充分。为保证零件顺利成形, 需将产品的三维模型展开并进行模面设计, 得到添加工艺补充面后的模型, 如图2所示。

1.2 有限元模型建立

利用有限元软件Autoform建立有限元模型, 如图3所示。初始板料尺寸为1090 mm×270 mm, 模拟时, 设置摩擦因数为0.125, 压边力为1000 k N。初始模拟结果如图4所示。可以发现:零件在拉延成形过程中, 出现了大面积的成形不充分和起皱现象;且在后续的翻边过程中, 零件端部带筋型面处, 在翻边后出现材料增厚严重导致的起皱现象。因此, 需要对成形工艺及相关参数进行优化, 使材料成形更均匀、更充分, 从而消除起皱缺陷和降低切边后的回弹量。

表1 SPFC440高强钢的材料性能参数     下载原表

图2 工艺补充后的模型   下载原图

Fig.2 Model after process supplement

图3 Autoform中建立的有限元模型   下载原图

Fig.3 FEM models built by Autoform

(a) 拉延成形 (b) 翻边整形

(a) Drawing process (b) Shaping and flanging

2 工艺及参数优化

2.1 型面优化

通过分析发现, 翻边后缺陷产生的原因为:端部带筋型面的翻边属于曲面翻边, 在翻边过程中材料易发生堆积, 导致材料增厚严重, 因此易出现起皱缺陷。本文对拉延模具型面进行了优化:拉延成形时, 在零件带筋结构的翻边区域成形出一个沉台, 保证筋底和沉台型面高度一致。在后续翻边过程中, 带筋结构的翻边就由曲面翻边变为平面翻边, 降低产生起皱的风险, 优化后的模型如图5所示。

图4 成形缺陷   下载原图

Fig.4 Forming defects

(a) 拉延不充分和起皱严重 (b) 翻边起皱

(a) Insufficient drawing and severe wrinkling (b) Wrinkling after flanging

图5 型面优化设计后的模型   下载原图

Fig.5 Model of optimization designed for profile surface

2.2 参数优化

初始拉延后的零件出现大面积的成形不充分和起皱现象, 这是由于该件在成形过程中, 模具对材料施加的流动阻力不够, 且不同区域对拉延阻力的需求不同。因此, 优化时采用拉延筋增加材料流动阻力, 并采用分段式的拉延筋设置方式, 保证零件的成形质量[12]。

本文采用Box-Behnken响应面分析法来进行试验设计。该方法不需要连续进行多次试验, 能以较少的试验次数得到较准确的优化分析函数, 与传统的正交试验设计相比, 试验拟合精度更高。分析影响成形质量的主要因素, 选择拉延筋阻力系数和压边力的大小作为优化因素。根据初始的拉延成形模拟结果, 设置分段式拉延筋, 如图6所示, 分别定义为t1、t2、t3, 并将压边力Fb作为优化因素。各因素的取值是根据单因素试验确定, *终确定试验的各因素水平表, 见表2。

地板横梁零件的质量影响着整车的结构强度。因此, 为保证该零件的质量, 将拉延成形后零件的*大减薄率Y1和*大增厚率Y2作为优化目标函数。根据选定的4个优化因素和2个目标函数, 利用软件Design-Expert的中心复合试验设计, 设计了1组试验, 并根据试验设计方案进行模拟, 模拟结果如表3所示。

图6 拉延筋的分布   下载原图

Fig.6 Distribution of drawbeads

表2 各因素水平表     下载原表

表3 响应面试验方案及结果     下载原表

根据表3中的模拟结果, 利用二阶响应函数来对目标函数值以及控制因素进行拟合回归分析, 得到关于Y1、Y2的函数式为:

利用方差分析对响应模型的准确性进行检测。一般当回归模型的显著性概率P小于0.05时, 说明模型显著, 且P值越小, 模型越准确。本文对响应方程模型在试验点的解和模拟试验目标值之间进行了方差分析, 根据计算结果, Y1、Y2的显著性概率P均小于0.0001, 即均远远小于0.05。说明得到的响应面模型拟合效果很好, 预测精度较高。

2.3 多目标优化结果

在拉延工序中, 需要寻求没有破裂、主要型面无起皱, 且壁厚分布尽量均匀的优化结果。所以, 约束条件为:成形整体无破裂, 零件区域无起皱现象, *大减薄率不能超过20%, *大增厚率不能超过25%。利用Design-Expert软件, 根据上面优化约束条件和目标函数计算出优化结果, 得到*大期望值的参数组合为:t1为40%、t2为20%、t3为40%、压边力Fb为899.2 k N (取整为900 k N) 。拉延成形预测结果为:*大减薄率为17.18%, *大增厚率为19.52%。

3 试验验证

根据优化结果中*大期望值所对应的参数组合, 在Autoform中进行参数设置并模拟, 得到零件成形的模拟结果如图7所示。根据有限元模拟的试验结果可知:拉延后的零件成形充分, 成形性较好, 整体无破裂缺陷产生, 起皱主要发生在工艺补充面中, 切边线内的零件区域无破裂和起皱缺陷;拉延成形后材料的*大减薄率为18.12%, 与预测结果的误差为5.20%, *大增厚率为20.48%, 与预测结果的误差为4.69%, 预测精度较高;翻边后, 带筋型面处虽还有起皱的趋势, 但该处材料的增厚率已大大降低, 降低了产生起皱缺陷的风险, 优化效果明显;翻边后对零件进行了回弹分析, 成形充分后的零件沿法向的*大回弹量为0.682 mm, 且出现较大回弹的区域主要分布在法兰边的外侧边沿, 可通过对模具型面进行回弹补偿来控制回弹量的大小。

图7 优化后的结果   下载原图

Fig.7 Results after optimization

(a) 拉延后的成形性能图 (b) 拉延后的壁厚分布 (c) 翻边后的零件状况 (d) 翻边后的回弹分布

(a) Formability diagram after drawing (b) Wall thickness distribution after drawing (c) Part condition after flanging (d) Springback distribution after flanging

利用优化后得到的拉延筋阻力系数, 在Autoform软件的Drawbead generator模块中, 以拉延筋高度为目标, 分别对每段实体拉延筋进行了优化设计。根据优化设计后的拉延筋参数和回弹分析结果, 指导钳工分别对拉延模具和翻边整形模具进行了修模处理。利用优化设计后的压边力参数和模具型面结构, 在8000 kN液压机下进行试模生产, 得到实际成形零件, 如图8所示。实际拉延后的零件成形质量较好, 成形件整体无开裂缺陷, 零件区域无起皱发生;切边后对零件端部进行翻边整形时, 端部翻边区域成形质量较好, 翻边前和翻边后均无起皱现象;对翻边后的试模零件, 利用检具对其进行了检测, 各检测点的实际面差均在0.5 mm以内, 满足工艺技术要求。为进一步检测零件的成形质量, 对拉延后零件的危险截面进行了线切割, 并利用尖头千分尺对其壁厚进行了测量。检测结果为:*小壁厚为1.214 mm、*大壁厚为1.813 mm, 对应的*大减薄率和*大增厚率分别为19.07%和20.87%, 满足生产质量要求, 且与预测结果和模拟结果基本吻合。

图8 试模后的零件状态   下载原图

Fig.8 State of part after trial production

(a) 拉延后 (b) 翻边前后

(a) After drawing

4 结论

(1) 针对零件端部带筋型面翻边起皱问题, 对拉延模具型面进行了优化设计, 优化后的零件翻边由曲面翻边变为平面翻边, 降低了翻边区域在翻边后的增厚率, 从而大大降低了发生起皱缺陷的风险。

(2) 利用响应面法, 对零件的成形工艺参数进行了优化, 得到*优参数组合为:t1为40%、t2为20%、t3为40%、压边力Fb为900 kN。

(3) 实际生产出的零件成形质量较好, 且*大、*小壁厚的分布与优化后的模拟结果和预测结果基本吻合, 满足生产的技术要求, 验证了数值模拟和参数优化方法的有效性, 为此类零件的研究提供了参考, 具有指导和借鉴的意义。