蔣 磊，謝蛟龍，王 龍，趙 磊，袁新亮，馬培兵

（東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢 430056）

0 引 言

拉深成形工藝是汽車覆蓋件制造的關(guān)鍵技術(shù)，而塑性變形直接決定汽車覆蓋件拉深成形性能[1,2]。在拉深成形過(guò)程中，材料塑性變形與壓邊力加載方式和沖壓速度有著密切關(guān)系[3,4]，同一材料的塑性變形會(huì)隨著壓邊力加載方式及沖壓速度的改變而發(fā)生變化[5,6]。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽車制造商仍采用曲柄連桿式機(jī)械壓力機(jī)進(jìn)行覆蓋件的生產(chǎn)[7,8]。由于機(jī)械壓力機(jī)所提供的壓邊力恒定、沖壓速度呈正弦周期性變化，二者均不可調(diào)整[9,10]，對(duì)汽車覆蓋件的拉深成形工藝裕度與材料力學(xué)性能都有苛刻的要求，導(dǎo)致大型復(fù)雜汽車覆蓋件必須使用成本更高的超深沖類材料，提高了整車制造成本。

得益于伺服技術(shù)在汽車工業(yè)的推廣，搭載液壓拉深墊的伺服壓力機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并成為當(dāng)前最先進(jìn)的沖壓加工設(shè)備，其壓邊力和沖壓速度可任意調(diào)整，空載時(shí)可采用高速運(yùn)行、負(fù)載時(shí)采用低速運(yùn)行，成形初始階段可施加較大壓邊力，成形終了階段可施加較小壓邊力，有效改善汽車覆蓋件拉深成形質(zhì)量，拓展成形工藝裕度，并降低對(duì)材料力學(xué)性能的要求，在保證拉深成形質(zhì)量的前提下，使汽車覆蓋件材料降級(jí)成為可能，降低了零件的制造成本。

以某車型側(cè)圍外板為研究對(duì)象，以伺服技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)材料進(jìn)行降級(jí)可行性驗(yàn)證。運(yùn)用AutoForm軟件在變壓邊力和變沖壓速度條件下，對(duì)側(cè)圍外板拉深成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析JAC270D-45/45材料替代JAC270F-45/45材料的可行性，并篩選最優(yōu)變壓力加載模型與變沖壓速度曲線，然后將最優(yōu)變壓邊力加載模型和變沖壓速度曲線用于實(shí)際沖壓成形，最終側(cè)圍外板在材料切換為JAC270D-45/45后獲得了與JAC270F-45/45同等的成形質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了零件的降本方案。

1 側(cè)圍外板工藝分析

圖1所示為側(cè)圍外板模型，外形輪廓尺寸為3 320 mm×1 178 mm×397 mm，材料牌號(hào)為JAC270F-45/45，料厚為0.65 mm。側(cè)圍外板是汽車最大的外覆蓋件，與翼子板、前車門、后車門、前風(fēng)擋、頂蓋、后風(fēng)擋、行李箱蓋、尾燈、后保險(xiǎn)杠、加油口蓋、裙邊飾板等多個(gè)開閉件或車身附件存在配合關(guān)系，尺寸精度要求較高，配合部位輪廓尺寸公差均為±0.5 mm。由于裝配需要，側(cè)圍外板周邊存在多處負(fù)角法蘭結(jié)構(gòu)，在拉深工序需要進(jìn)行過(guò)拉深設(shè)計(jì)。對(duì)零件結(jié)構(gòu)和成形工藝進(jìn)行綜合分析，確定了4道工序的側(cè)圍外板成形工藝方案：OP10拉深、OP20修邊+側(cè)修邊+整形、OP30翻邊+側(cè)翻邊+側(cè)整形、OP40沖孔+側(cè)沖孔+側(cè)翻邊。

圖1 側(cè)圍外板模型

2 有限元模型建立

2.1 工藝模型建立

利用CATIA V5 R27軟件進(jìn)行側(cè)圍外板拉深工藝模面設(shè)計(jì)，將工藝模面中的凸模、凹模、壓邊圈、板料分別以IGS格式導(dǎo)出，然后依次導(dǎo)入AutoForm R7軟件，并在Process操作界面對(duì)凸模、凹模以及壓邊圈工具體進(jìn)行定義。由于AutoForm軟件的有限元網(wǎng)格為系統(tǒng)自動(dòng)生成，所劃分的網(wǎng)格大小、數(shù)量無(wú)法滿足精確數(shù)值模擬的需求，需要對(duì)有限元參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化定義，各有限元參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 有限元參數(shù)設(shè)置

按照上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)側(cè)圍外板進(jìn)行網(wǎng)格和精度參數(shù)設(shè)置，得到圖2所示的有限元模型。壓邊圈行程設(shè)置為200 mm，使壓邊圈略高于凸模最高點(diǎn)，防止壓料面閉合之前凸模棱線過(guò)早與板料接觸。

圖2 側(cè)圍外板有限元模型

2.2 邊界條件設(shè)定

凹模行程設(shè)定為1 200 mm，運(yùn)動(dòng)速度設(shè)定為1 500 mm/s，拉深類型選擇單動(dòng)式拉深，工具體剛度設(shè)置為10 MPa，摩擦系數(shù)設(shè)定為0.15。壓邊力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式F=P×S計(jì)算得出（P為壓強(qiáng)，一般取值3 MPa，S為板料與壓料面接觸面積），側(cè)圍外板拉深成形所需的壓邊力為2 400 kN。

2.3 材料參數(shù)

量產(chǎn)初期側(cè)圍外板材料為JAC270F-45/45，屬于超深沖用低碳鋼，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，適合深拉深類汽車覆蓋件的生產(chǎn)，材料成本較高。為了降低材料成本，考慮采用單價(jià)更低的JAC270D-45/45材料替代生產(chǎn)，2種材料力學(xué)性能指標(biāo)對(duì)比如表2所示。由表2可知，JAC270D-45/45相比JAC270F-45/45，斷面延伸率和厚向異性指數(shù)更小，說(shuō)明JAC270D-45/45材料力學(xué)性能劣于JAC270F-45/45，在成形工況不變的情況下，JAC270D-45/45材料有著更高的成形失效風(fēng)險(xiǎn)。

表2 材料力學(xué)性能指標(biāo)

3 成形數(shù)值模擬

3.1 恒定壓邊力與恒定沖壓速度有限元分析結(jié)果

在恒定壓邊力和恒定沖壓速度工況條件下，分別采用JAC270F-45/45、JAC270D-45/45兩種材料對(duì)側(cè)圍外板拉深成形進(jìn)行有限元分析，結(jié)果分別如圖3、圖4所示。

圖3 JAC270F-45/45材料有限元分析結(jié)果

圖4 JAC270D-45/45材料有限元分析結(jié)果

由圖3可知，采用JAC270F-45/45材料的側(cè)圍外板塑性變形充分，無(wú)開裂、起皺等質(zhì)量缺陷，成形效果良好。由圖4可知，采用JAC270D-45/45材料的側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域應(yīng)變超出成形極限曲線，該部位最大減薄率達(dá)到29.2%，超過(guò)減薄基準(zhǔn)（20%），存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 變壓邊力與變沖壓速度有限元分析結(jié)果

根據(jù)塑性變形理論，材料的變形抗力會(huì)隨著應(yīng)變速率的增大而增加，從而削弱材料的塑性變形能力，導(dǎo)致開裂[11,12]。因此，降低材料的應(yīng)變速率是提升拉深成形工藝裕度的有效方法，實(shí)際生產(chǎn)中可借助伺服技術(shù)減小拉深成形過(guò)程中壓力機(jī)滑塊的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變速率的降低。結(jié)合生產(chǎn)車間伺服壓力機(jī)滑塊最大行程、最大運(yùn)行速度以及可調(diào)節(jié)特性，初步確定圖5所示的變沖壓速度曲線。

圖5 變沖壓速度曲線

壓邊力是拉深成形過(guò)程中的重要載荷，其目的是為了抑制成形過(guò)程中材料在法蘭及轉(zhuǎn)角區(qū)域的起皺，使材料均勻向凹模內(nèi)流動(dòng)。對(duì)于單動(dòng)式拉深，壓邊力由拉深墊提供，其表達(dá)式如下：

其中，F(xiàn)BH為壓邊力，kN；t為時(shí)間，s；S為壓邊圈位移，mm。

由理論分析和試模經(jīng)驗(yàn)可知，壓邊圈在下降過(guò)程中，不同時(shí)間點(diǎn)材料的失穩(wěn)和減薄趨勢(shì)也各有差異。因此，對(duì)不同時(shí)間施加不同的壓邊力能有效改善材料拉深成形過(guò)程中的過(guò)度失穩(wěn)和極限減薄。

基于恒定壓邊力的拉深成形數(shù)值模擬結(jié)果及變壓邊力工作原理，選取6種變壓邊力模型對(duì)JAC270D-45/45材料的側(cè)圍外板進(jìn)行拉深成形有限元分析，各變壓邊力模型如圖6所示。

圖6 變壓邊力模型

利用有限元分析結(jié)果中的成形性、FLD、最大減薄率、最大失效等評(píng)價(jià)指標(biāo)，可以準(zhǔn)確判斷各變壓邊力工況下側(cè)圍外板的成形效果與開裂風(fēng)險(xiǎn)。上述6種變壓邊力模型工況下的側(cè)圍外板拉深成形有限元分析結(jié)果如表3所示。

表3 不同變壓邊力工況下的有限元分析結(jié)果

對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，模型6的變壓邊力工況下側(cè)圍外板成形效果最佳，采用JAC270D-45/45材料B柱立壁開裂問(wèn)題得到解決，滿足了側(cè)圍外板材料降級(jí)替代的需求?；谀Ｐ?的變壓邊力有限元分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 模型6變壓邊力有限元分析結(jié)果

4 試模驗(yàn)證

4.1 機(jī)械壓力機(jī)拉深成形試驗(yàn)

將側(cè)圍外板拉深模安裝于生產(chǎn)車間線下調(diào)試用的機(jī)械壓力機(jī)上，該機(jī)械壓力機(jī)額定壓力為20 000 kN，由氣墊提供恒定壓邊力，滑塊速度按正弦曲線軌跡進(jìn)行周期性變化。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，將氣墊壓力設(shè)置為2 400 kN，氣墊行程設(shè)置為200 mm，采用JAC270D-45/45材料進(jìn)行拉深成形，生產(chǎn)的側(cè)圍外板如圖8所示。由圖8（a）可知，在恒定壓邊力工況下側(cè)圍外板B柱立壁出現(xiàn)暗裂，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

圖8 機(jī)械壓力機(jī)拉深件

4.2 伺服壓力機(jī)拉深成形試驗(yàn)

將側(cè)圍外板拉深模安裝于生產(chǎn)車間全自動(dòng)沖壓線的伺服壓力機(jī)上，并基于模型6的變壓邊力拉深成形數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行試模。該伺服壓力機(jī)額定壓力為23 000 kN，由液壓拉深墊提供壓邊力，滑塊與拉深墊均由伺服電機(jī)控制。按照?qǐng)D5變沖壓速度曲線和模型6的變壓邊力加載曲線對(duì)伺服壓力機(jī)進(jìn)行滑塊軌跡和壓邊力程序設(shè)定，得到圖9所示的連續(xù)性沖壓速度和壓邊力伺服曲線。

圖9 伺服曲線

再次采用JAC270D-45/45材料進(jìn)行側(cè)圍外板拉深成形試驗(yàn)，并同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10（a）可知，應(yīng)用伺服技術(shù)側(cè)圍外板拉深成形效果良好，試模結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。由圖10（b）可知，側(cè)圍外板各部位等效減薄均在安全區(qū)域以內(nèi)，最大減薄率位于B柱立壁區(qū)域，實(shí)測(cè)值為19.3%，滿足側(cè)圍外板大批量生產(chǎn)要求，證明基于伺服技術(shù)可實(shí)現(xiàn)材料降級(jí)替代的降本方案。

圖10 基于伺服技術(shù)的側(cè)圍外板拉深試驗(yàn)結(jié)果

側(cè)圍外板板料尺寸為3 530 mm×1 450 mm×0.65 mm，材料密度為7 850 kg/m3，則每輛車所用材料質(zhì)量為3.53×1.45×0.65×7.85×2=52.2 kg。JAC270F-45/45材料價(jià)格為8.275元/kg，JAC270D-45/45材料價(jià)格為7.268元/kg。采用伺服技術(shù)進(jìn)行材料降級(jí)替代后，所節(jié)約的制造成本為8.275×52.2-7.268×52.2=52.6元/臺(tái)，降低制造成本效果顯著。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用AutoForm軟件對(duì)側(cè)圍外板拉深成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，在恒定壓邊力和沖壓速度工況下，采用JAC270F-45/45材料分析時(shí)，零件成形充分，無(wú)開裂產(chǎn)生，滿足汽車外覆蓋件的質(zhì)量需求。當(dāng)材料替換為JAC270D-45/45時(shí)，在相同的工況下對(duì)側(cè)圍外板拉深成形過(guò)程再次進(jìn)行數(shù)值模擬，零件B柱立壁區(qū)域出現(xiàn)過(guò)度減薄現(xiàn)象，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。利用額定壓力為20 000 kN的機(jī)械壓力機(jī)對(duì)JAC270D-45/45材料的側(cè)圍外板進(jìn)行試模驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)側(cè)圍B柱立壁區(qū)域產(chǎn)生暗裂缺陷，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

結(jié)合伺服壓力機(jī)工作特性，設(shè)計(jì)了變沖壓速度的滑塊運(yùn)行軌跡，并利用數(shù)值模擬篩選最佳的變壓邊力加載模型，將二者應(yīng)用于采用JAC270D-45/45材料的側(cè)圍外板拉深成形，得到了良好的成形效果，零件未出現(xiàn)開裂。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)額定壓力為23 000 kN的伺服壓力機(jī)進(jìn)行伺服曲線程序設(shè)定，并進(jìn)行側(cè)圍外板試模驗(yàn)證，得到了成形充分、無(wú)開裂且具有足夠安全裕度的零件。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用伺服技術(shù)可實(shí)現(xiàn)側(cè)圍外板材料降級(jí)替代的降本方案。