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引 言
        過去40 年, 汽車成形技術(shù)主要發(fā)展方向為安全性、電氣化和節(jié)能。當(dāng)前, 能源問題和日益嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)使汽車制造技術(shù)發(fā)生很大變化, 輕量化是zui突出的發(fā)展方向[ 。車身約占整車重量的50%,
        因此, 車身減重是汽車輕量化設(shè)計的關(guān)鍵。采用*的高強鋼板, 特別是兼顧良好碰撞吸能和成形性能的雙向鋼（ Dural phase, DP 鋼） , 在保證車身安全性能的同時, 能夠顯著降低車身重量,得到廣泛關(guān)注 , 為鋼板供應(yīng)商和汽車生產(chǎn)廠聯(lián)手建立高強鋼性能與零件的可成形性的對應(yīng)關(guān)系提供了可能。控制鋼板性能參數(shù), 保障成形過程無開裂、不起皺等, 已成為鋼鐵行業(yè)和汽車行業(yè)共同追求的目標(biāo)。因此, 需要在綜合評價高強鋼板成形性能的基礎(chǔ)上, 充分了解沖壓零件的應(yīng)變狀態(tài)、應(yīng)變量和危險部位的變形情況, 通過對板材成形性能和成形技術(shù)的深入研究, 實現(xiàn)真正意義上的合理選材和用材 。
        本文針對北京奔馳某款車使用DP600 高強鋼的橫梁減震器后橋零件為例, 在模具開發(fā)階段, 采用有限元仿真和網(wǎng)格試驗研究的方法分析變形特征,以及主要力學(xué)性能參數(shù)對沖壓成形的影響, 提出保證零件成形的鋼板關(guān)鍵性能指標(biāo)及控制范圍, 為該零件沖壓成形質(zhì)量的控制提供了技術(shù)依據(jù)。

        1 FEM 模型及材料影響規(guī)律
        1.1 FEM 模型
        橫梁減震器后橋零件采用的是強度級別60kg的DP 鋼, 原為德國進(jìn)口材料, 寶鋼國產(chǎn)材料通過奔馳鋼種論證后, 在新車型國產(chǎn)化階段進(jìn)行替代,對應(yīng)寶鋼牌號為HC340/ 590DP E + Z, 為雙面電鍍純鋅鋼板, 材料厚度為1mm。采用JIS13A 號試樣,利用寶鋼Instr on 電子拉伸機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試,其力學(xué)性能如表1 所示。
利用HyperMesh 進(jìn)行模具型面的網(wǎng)格劃分,基于商用軟件AutoForm 進(jìn)行成形分析。該零件拉延過程的仿真分析模型如圖1 所示。在沖壓過程中采用單動模型, 凹模在上, 凸模在下。沖壓時, 凹模下行, 與壓邊圈貼緊, 壓緊材料; 然后凹模、板材和壓邊圈下行至與凸模貼模, 完成成形過程。

表1 寶鋼DP600 的材料性能

圖1 有限元仿真模型

        模具上設(shè)置拉延筋, 是zui常用的調(diào)控材料流動阻力的手段, 在仿真模擬中普遍采用等效拉延筋模型, 設(shè)置4 條等效拉延筋, 其位置與實際模具吻合, 如圖2 所示。毛坯尺寸為1060mm @400mm,厚向積分點為7 個, 壓邊力為80t 與現(xiàn)場一致; 采用庫侖摩擦定律, 摩擦系數(shù)取試驗測量值01 15。在AutoForm 中, 對于判斷是否開裂的成形極限曲線FLC, 有Keeler 和Arcelor V9 兩種模型。由于基于Keeler 準(zhǔn)則的經(jīng)驗公式不適合于DP 鋼,因此采用Arcelor V9 模型, 該模型適用于抗拉強度1500MPa 以下、厚度01 25mm~ 31 5mm 的材料, 本仿真分析的DP600 其FLC0 = 21%。

圖2 拉延筋設(shè)置

        1. 2 成形特征分析及減薄分布
        拉延成形終了, 橫梁減震器后橋零件的厚度減薄率分布如圖3a 所示?？梢钥吹? 除了板料4 個邊角區(qū)域材料略微增厚外, 大部分區(qū)域的材料均為減薄。材料的zui大厚度減薄率、增厚率及其位置如圖3b 所示, 可見zui大厚度減薄率為191 7%。

圖3 壁厚分布及zui大壁厚減薄位置
a） 壁厚分布; b） zui大壁厚變化及位置

        零件變形終了階段的應(yīng)變狀態(tài)在FLD 中的分布及安全裕度如圖4 所示, 零件在拉延工序中變形均處于安全狀態(tài), 無起皺和開裂的發(fā)生, 能夠順利成形。另外, 從應(yīng)變狀態(tài)分布可知, 零件變形兼有拉延、平面應(yīng)變和脹形3 種狀態(tài), 其中高應(yīng)變區(qū)域的變形狀態(tài)是以拉延和平面應(yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

 

圖4 零件變形狀態(tài)和安全裕度分布
a） 零件變形安全狀態(tài); b ） 應(yīng)變狀態(tài)在FLD 中的分布      

        1.3 材料性能波動的影響規(guī)律
        沖壓成形過程中, 材料、工藝和模具等影響因素較多, 而且各因素間交互作用, 使得變形過程異常復(fù)雜。在實際生產(chǎn)過程中, 供貨的材料性能必然存在波動, 對零件安全裕度造成影響, 借助于有限元仿真分析, 可以方便地得出材料性能對零件成形的影響, 對于合理控制材料性能具有重要的指導(dǎo)意義。
        高強鋼由于成形性能的下降, 容易產(chǎn)生開裂,因此保障成形順利需予以特別關(guān)注。以DP 鋼為代表的高強度鋼板, 材料性能控制參數(shù)為屈服強度、抗拉強度、材料硬化指數(shù)n 和延伸率D。很明顯,低的屈強比、高的延伸率和n 值, 均有利于成形,但相應(yīng)增加了鋼廠的生產(chǎn)成本和控制難度, 因此需要對鋼板性能的范圍進(jìn)行合理控制。
        1. 31  屈服強度的影響規(guī)律
        保持材料性能參數(shù)Rb = 633MPa, n= 01 17 和摩擦系數(shù)01 15 不變, 分別取材料屈服強度Rs =350MPa, 400MPa, 430MPa, 450MPa, 即屈強比分別為Rs / Rb = 01 55, 01 63, 01 68, 01 71, 進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明, 隨著屈服強度的增大, 板料zui大減薄增大, 成形后零件的zui大減薄率分別為191 7%、201 2% 、211 1% 和221 0%。當(dāng)屈服強度增大至Rs = 450MPa 時, 即屈強比達(dá)到01 71, 部分網(wǎng)格應(yīng)變臨近FLC 曲線, 表明零件處于破裂臨界狀態(tài)。說明隨著材料屈服強度的增大, 屈強比增大, 材料成形性能降低, 增大了破裂的可能性。
        因此, 為保證零件的順利成形, 在滿足寶鋼標(biāo)準(zhǔn), 即屈服強度Rs \ 340MPa、抗拉強度Rb \590MPa 的前提下, 屈強比應(yīng)控制在01 68 以內(nèi), 且要求較小的屈服強度。
1.32  n 值影響規(guī)律
        保持材料性能參數(shù)Rs = 350MPa、Rb = 633MPa和摩擦系數(shù)01 15 不變, 取n 值分別為01 19、01 17、01 15 和01 13 進(jìn)行仿真計算。結(jié)果表明, 隨著n 值降低, 板料均勻變形能力減弱, 成形后零件的zui大減薄率分別為191 2%、191 7% 、191 9% 和201 2%。
        FLC 曲線的高度與n 值和板厚t 密切相關(guān)。n值越高, 材料抵抗局部變薄的能力升高, FLC 的曲線位置也相應(yīng)升高。因此, 當(dāng)n 值降低到01 13 時,不僅材料均勻變形能力降低, 而且成形極限下降,因此部分網(wǎng)格應(yīng)變超過FLC 曲線, 表明發(fā)生破裂,如圖5 所示。

圖5 n= 01 13 時應(yīng)變狀態(tài)在FLD 中的分布

        要保證零件整體成形的安全裕度, n 值應(yīng)控制在n \ 01 15。
        1.33 典型材料的仿真分析
        選取寶鋼大批次生產(chǎn)的實際性能的材料進(jìn)一步進(jìn)行分析, 根據(jù)大批次生產(chǎn)的1mm 的DP600 電鍍純鋅鋼板的力學(xué)性能的統(tǒng)計結(jié)果, 按照設(shè)定的屈強比Rs/ Rb< 01 68, n \ 01 15 的標(biāo)準(zhǔn), 選取5 種典型材料進(jìn)行分析, zui大減薄率計算結(jié)果如表2 所示。從分析結(jié)果看, 同樣表現(xiàn)出隨著屈強比的增大和n 值的降低, zui大減薄率有升高的趨勢。另外, 5 種材料的應(yīng)變狀態(tài)分布均在FLC 曲線下方, 表明零件沒有開裂。

表2 典型B340/ 590DP+ Z 鋼板的力學(xué)性能

        綜合上述分析可知, 應(yīng)用DP600 于橫梁減震器后橋零件, 屈強比值小的材料成形性好, n 值是影響零件成形的材料敏感參數(shù)。保證該零件安全裕度的關(guān)鍵性能參數(shù)的選取準(zhǔn)則為: 屈強比Rs/ Rb [01 68, 且要求較小的屈服強度Rs ; 材料硬化指數(shù)n \ 01 15, 斷裂延伸率D\ 25% 。

        2 試驗與生產(chǎn)驗證
        網(wǎng)格分析技術(shù)（ Cir cle Grid Analyses, CGA）是分析復(fù)雜零件成形和判定成形安全裕度的有效方法 。為確定該零件沖壓成形板料關(guān)鍵性能參數(shù)選擇準(zhǔn)則的合理性, 采用網(wǎng)格分析技術(shù)對其成形過程進(jìn)行試驗驗證。在實際沖壓時, 零件試制前, 在鋼板表面印上5mm 圓形網(wǎng)格, 沖壓后測量不同區(qū)域網(wǎng)格的變形情況, 計算得到該處的應(yīng)變, 然后把各處應(yīng)變與材料FLC 相比較, 得到該零件的安全裕度。
        試驗的HC340/ 590DP E+ Z 材料力學(xué)性能為,屈服強度Rs = 394MPa, 抗拉強度Rb = 640MPa, 屈強比Rs/ Rb = 01 62, 斷裂延伸率D= 25%, n= 01 17,r0= 01 67, r 45= 01 81, r90 = 01 97。
        試驗鋼板沖壓后零件高變形區(qū)域分布如圖6a 中的A~ I 區(qū)域所示。測量A~ I 區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格應(yīng)變,將所測應(yīng)變與材料的成形極限曲線相比較, 獲得的安全裕度如圖6b 所示, 該零件成形后的安全裕度為6%。對于高強鋼, 6% 的安全裕度能夠滿足穩(wěn)定生產(chǎn)的需求。zui大應(yīng)變主要分布在E、G 區(qū)域, 兩個區(qū)域材料主要變形方式均為平面應(yīng)變和脹形。
        在試模現(xiàn)場, 對于該批次材料, 連續(xù)沖壓100件均無開裂發(fā)生。后續(xù)批量供貨時, 由于材料的關(guān)鍵性能嚴(yán)格按照上述范圍進(jìn)行控制, 生產(chǎn)穩(wěn)定, 制件無開裂發(fā)生。

圖6 橫梁減震器后橋的網(wǎng)格應(yīng)變分布

        3 結(jié) 論
        針對某車型橫梁減震器后橋零件應(yīng)用DP600 高強鋼, 以控制沖壓成形質(zhì)量、減少零件廢品率為目的,采用有限元仿真模擬和網(wǎng)格應(yīng)變分析技術(shù), 對其成形過程進(jìn)行綜合分析, 研究其變形特征及厚度減薄規(guī)律, 獲取了材料性能的合理控制范圍。
        1） 采用CAE 和網(wǎng)格分析技術(shù)相結(jié)合的方法,是分析成形過程, 保障產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段。
        2） 橫梁減震器后橋零件高應(yīng)變區(qū)域變形方式,是以平面應(yīng)變和深拉延變形為主。
        3） 穩(wěn)定沖壓所需的關(guān)鍵性能參數(shù)及控制范圍為, 屈強比Rs / Rb [ 01 68, 材料硬化指數(shù)n \ 01 15,斷裂延伸率D\ 25%。