蔣磊 王龍 李十全 王大鵬 田鐘炎 石峻嶸

（東風本田汽車有限公司新車型中心，武漢430056）

1 前言

側(cè)圍外板是車身上尺寸最大、功能最多的覆蓋件之一，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復雜、特征圓角多樣、成形深度大而不均勻，表面質(zhì)量和尺寸精度要求高[1～3]。在拉延成形過程中，受材料、幾何、邊界非線性的影響，極易出現(xiàn)開裂、起皺以及塑性變形不充分等問題[4～6]。因此，對于側(cè)圍外板的拉延成形預測，僅憑經(jīng)驗很難在工程設計階段對成形效果做出合理的判斷，從而導致生產(chǎn)準備階段沖壓模具制造難度大、調(diào)試周期長，進而增加沖壓模具的開發(fā)成本[7～8]。

為了能夠準確判斷車身覆蓋件成形效果，各種先進的數(shù)值模擬技術被不斷應用于車身覆蓋件的沖壓成形仿真。利用數(shù)值模擬技術可以在產(chǎn)品開發(fā)前期及早識別成形缺陷，提高產(chǎn)品制造工藝可行性，指導沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化，從而降低沖壓模具制造難度，縮短沖壓模具調(diào)試周期，降低沖壓模具開發(fā)成本。

在運用數(shù)值模擬技術進行側(cè)圍外板成形過程分析和沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化方面，諸多學者進行了相應的研究。吳志兵[9]等利用AutoForm軟件構(gòu)建側(cè)圍外板工藝方案模型，并根據(jù)仿真結(jié)果改進車身外造型概念面（Concept A Surface,CAS）分縫，解決了側(cè)圍外板C柱起皺問題。王沖[10]等在產(chǎn)品同步工程階段對側(cè)圍外板成形性進行有限元分析，通過修改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)解決了側(cè)圍外板拉延開裂問題。侯小剛[11]等將CAE分析結(jié)果與精細化模面設計相結(jié)合，提高了模具研合率，解決了側(cè)圍外板輪廓R角起皺問題。熊文韜[12]等利用GS理論和神經(jīng)網(wǎng)絡遺傳算法函數(shù)尋優(yōu)法，在Dynaform中分析了側(cè)圍外板拉延成形過程，優(yōu)化了沖壓工藝參數(shù)，解決了側(cè)圍外板門檻開裂問題。吳磊[13]等將網(wǎng)格應變法應用于側(cè)圍外板成形數(shù)值模擬，分析了材料尺寸和拉延筋阻力系數(shù)對拉伸破裂的影響規(guī)律，解決了側(cè)圍外板B柱下部開裂問題。

上述研究均采用有限元分析軟件對側(cè)圍外板拉延成形過程進行了模擬，或借助一些算法模型對沖壓工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并進行試模驗證，得到了質(zhì)量合格的零件，證明了數(shù)值模擬技術的可靠性。然而，由于未對影響成形效果的變量因素進行系統(tǒng)對比分析，導致仿真分析與試模結(jié)果仍然存在一定誤差。同時，大多數(shù)研究僅是單方面追求減薄率和增厚率的最小化，而較少考慮塑性變形是否充分。充分的塑性變形是保證汽車覆蓋件強度和剛度的必要條件。因此，有必要在拉延成形過程中對塑性變形充分與否進行評價。

針對上述問題，本研究以某車型側(cè)圍外板為例，運用AutoForm軟件對側(cè)圍外板拉延成形過程進行仿真分析，以最大減薄率為優(yōu)化目標進行正交試驗和極差分析，得到了最佳的沖壓工藝參數(shù)組合，并對試驗結(jié)果進行方差分析，篩選出影響最大減薄率的顯著因素。將優(yōu)化后的沖壓工藝參數(shù)應用于成形仿真和試模驗證，均獲得了良好的成形效果，并保持了高度的一致性。

2 側(cè)圍外板工藝分析

側(cè)圍外板幾何模型如圖1所示，產(chǎn)品為非對稱結(jié)構(gòu)、造型起伏大，外形尺寸為3 095 mm×1 136 mm×375 mm。材料選用超深沖冷軋板，牌號為JAC270F-45/45，等同于寶鋼DC56D+ZF，料厚t=0.65 mm，屬于一種熱鍍鋅鐵合金鍍層軟鋼薄板，合金鍍層中鐵含量通常為8%～15%，材料性能參數(shù)如表1所示。

根據(jù)汽車覆蓋件沖壓成形技術要求和質(zhì)量標準，零件成形后不允許出現(xiàn)開裂、起皺、塑性變形不充分等缺陷，最大減薄率不得大于20%，最大增厚率不得大于5%。綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和零件尺寸精度要求，一般需要四道工序完成側(cè)圍外板沖壓成形，即拉延、修邊+整形+沖孔、翻邊+整形、翻邊+沖孔，其中拉延是保證側(cè)圍外板成形質(zhì)量最重要的工序，同時也是成形效果預測難度最大的一道工序。

由圖1可知，側(cè)圍外板腰線圓角為銳棱化設計，棱線圓角半徑僅R2.5 mm，在拉延成形過程中存在棱線滑移的風險，因此在設定沖壓方向時，應使棱線兩側(cè)型面與材料接觸時機盡量一致；同時，在設計拉延筋時，應保證棱線兩側(cè)材料流動阻力平衡。

圖1 側(cè)圍外板產(chǎn)品幾何模型

3 有限元模型建立

將側(cè)圍外板幾何模型以IGS格式導入AutoForm軟件中，首先確定沖壓方向，基于成形質(zhì)量、材料利用率以及后工序工藝可行性的考慮，以車身坐標系X軸為中心旋轉(zhuǎn)19°作為側(cè)圍外板拉延序沖壓方向。其次，定義仿真材料，利用AutoForm材料編輯器，導入材料本構(gòu)模型、屈服準則、FLC曲線以及表1中各項材料力學性能參數(shù)，生成相應的仿真材料參數(shù)MTB文件。然后在模面設計模塊進行壓料面設計和工藝補充面設計，得到如圖2所示的拉延工藝模面。為了進一步降低腰線在拉延過程中產(chǎn)生滑移線的風險，在輪拱工藝補充面區(qū)域設計了半徑為R25 mm、高度為20 mm的隆起式余肉造型。最后在落料設計模塊進行坯料形狀和尺寸設計，所設計的坯料如圖3所示。

表1 某車型側(cè)圍外板材料參數(shù)

圖2 側(cè)圍外板拉延工藝模面

圖3 側(cè)圍外板拉坯料設計

利用設計好的拉延工藝模面自動生成凸模、壓邊圈和凹模，并在壓邊圈上設置拉延筋，為了能夠更準確地模擬壓料面的閉合狀態(tài)，拉延筋選用閉合3D實體筋，所得到的拉延成形有限元模型如圖4所示。

圖4 有限元模型

4 工藝參數(shù)的影響

為了驗證工藝參數(shù)對側(cè)圍外板拉延成形的影響，選取壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具型面間隙以及拉延筋阻力系數(shù)這五個工藝參數(shù)作為變量，以獲得最佳成形效果為目標，運用單因素變量法分析工藝參數(shù)對成形效果的影響，并根據(jù)FLD（成形極限圖）、最大減薄率、最大增厚率等成形結(jié)果評價指標確定正交試驗的取值范圍。

4.1 壓邊力的影響

壓邊力是汽車覆蓋件拉延成形過程中的重要工藝參數(shù)之一，合適的壓邊力能夠保證材料均勻穩(wěn)定流動，有效抑制零件失穩(wěn)趨勢。壓邊力過小會導致零件起皺，壓邊力過大則會導致零件開裂[14-15]。因此，選擇合理的壓邊力才能保證零件的成形質(zhì)量。對于壓邊力的確定，一般需要使用經(jīng)驗公式進行初步估算，經(jīng)驗公式如下。

式中，F(xiàn)為壓邊力；P為單位面積壓強；A為板料與壓邊圈的接觸面積。對于拉延成形工藝，P一般取值3 MPa，經(jīng)計算得出壓邊力約為1 800 kN。根據(jù)試模經(jīng)驗，汽車覆蓋件拉延成形實際所需要的壓邊力往往比理論計算取值要大，因此，在設計壓邊力變量區(qū)間時，可以將1 800 kN作為取值下限，以100 kN為增量依次增加。壓邊力變化的試驗方案為沖壓速度3 000 mm/s，摩擦系數(shù)0.13，模具型面間隙1.0t（t為料厚，下同），拉延筋選用半徑為R6 mm、寬度為6 mm的半圓筋、阻力系數(shù)為0.6，從1 800 kN開始，逐步增大壓邊力取值，并分別進行拉延成形數(shù)值模擬，得出壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響如表2所示。

表2 壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響

由表2可知，當壓邊力小于1 900 kN時會導致拉延成形不充分；當壓邊力大于2 200 kN時存在開裂風險。隨著壓邊力的增加，最大減薄率呈逐漸增大趨勢，而最大增厚率則呈逐漸減小趨勢，說明壓邊力對最大減薄率和最大增厚率均有著比較明顯的影響。

4.2 沖壓速度的影響

沖壓速度是板料成形的重要工藝參數(shù)，在不同的沖壓速度下材料的塑性變形抗力各不相同，并有著不同的成形極限。沖壓速度過大，會導致板料極限拉深系數(shù)降低，從而增加成形破裂的風險。而沖壓速度過小，則又會降低沖壓生產(chǎn)效率、增加制造成本。沖壓速度變化的試驗方案為壓邊力2 000 kN，摩擦系數(shù)0.13，模具型面間隙1.0t，拉延筋選用半徑為R6 mm、寬度為6 mm的半圓筋、阻力系數(shù)為0.6，從2 000 mm/s開始，以500 mm/s為增量逐步增大沖壓速度取值，并分別進行拉延成形數(shù)值模擬，得出沖壓速度對拉延成形質(zhì)量的影響如表3所示。

表3 沖壓速度對拉延成形質(zhì)量的影響

由表3可知，在不同的沖壓速度下，側(cè)圍外板均能充分成形，最大減薄率隨著沖壓速度的增大而增加，但均在20%的上限基準以內(nèi)；最大增厚率隨著沖壓速度的增大呈先遞增后遞減趨勢，但變化量較小，且均未超過5%的上限基準。

4.3 摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)既決定著成形力的大小和成形過程中的能力消耗，又影響著板料的成形性能。摩擦系數(shù)過大，會增加材料的流動阻力，從而導致成形破裂[16-17]。摩擦系數(shù)過小，會造成材料流動不可控，從而導致成形不充分。摩擦系數(shù)變化的試驗方案為壓邊力2 000 kN，沖壓速度3 000 mm/s，模具型面間隙1.0t，拉延筋選用半徑為R6 mm、寬度為6 mm的半圓筋、阻力系數(shù)為0.6，從0.10開始，以0.01為增量逐步增大摩擦系數(shù)取值，并分別進行拉延成形數(shù)值模擬，得出摩擦系數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響如表4所示。

由表4可知，當摩擦系數(shù)小于0.11時，會導致拉延成形不充分；當摩擦系數(shù)大于0.15時，會增大拉延開裂風險。隨著摩擦系數(shù)的增大，最大減薄率呈遞增趨勢，最大增厚率呈遞減趨勢。

表4 摩擦系數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響

4.4 模具型面間隙的影響

模具型面間隙對拉延成形力、零件質(zhì)量、模具壽命都存在一定影響。間隙過小，會增加摩擦阻力，導致零件表面拉毛、劃傷，并降低模具壽命。間隙過大，對零件的校直作用小，從而影響零件的尺寸精度。模具型面間隙變化的試驗方案為：壓邊力2 000 kN，沖壓速度3 000 mm/s，摩擦系數(shù)0.13，拉延筋選用半徑為R6 mm、寬度為6 mm的半圓筋、阻力系數(shù)為0.6，從1.0t開始，以0.05 t為增量逐步增大模具型面間隙取值，并分別進行拉延成形數(shù)值模擬，得出模具型面間隙對拉延成形質(zhì)量的影響如表5所示。

表5 模具型面間隙對拉延成形質(zhì)量的影響

由表5可知，隨著模具型面間隙的增加，最大減薄率呈遞減趨勢，最大增厚率呈遞增趨勢，但變化量均較小，說明模具型面間隙的變化對拉延成形質(zhì)量的影響較小。

4.5 拉延筋阻力系數(shù)的影響

在拉延成形過程中，拉延筋對于防止起皺和開裂的起著至關重要的作用。阻力系數(shù)合理的拉延筋，不但能提高拉延成形的穩(wěn)定性，減少質(zhì)量問題的發(fā)生，還可以保證零件的剛性，并能在一定程度上提高材料利用率[17-18]。拉延筋的阻力系數(shù)主要由拉延筋深度、寬度以及彎曲圓角決定。本研究主要通過調(diào)整彎曲圓角來改變拉延筋阻力系數(shù)，拉延筋半徑和寬度保持恒定不變。拉延筋阻力系數(shù)變化的試驗方案為壓邊力2 000 kN，沖壓速度3 000 mm/s，摩擦系數(shù)0.13，模具型面間隙1.0t，從0.3開始，以0.1為增量逐步增大拉延筋阻力系數(shù)取值，并分別進行拉延成形數(shù)值模擬，得出拉延筋阻力系數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響如表6所示。

表6 拉延筋阻力系數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響

由表6可知，當拉延筋阻力系數(shù)小于0.4時，會導致拉延成形不充分；當拉延筋阻力系數(shù)大于0.7時，會導致拉延開裂。隨著拉延筋阻力系數(shù)的增加，最大減薄率呈遞增趨勢，最大增厚率呈遞減趨勢，說明拉延筋阻力系數(shù)對最大減薄率和最大增厚率均有著比較明顯的影響。

5 工藝參數(shù)優(yōu)化

5.1 正交試驗結(jié)果

通過研究單變量因素對側(cè)圍外板拉延成形質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)潛在的成形風險主要集中于最大減薄率的增加，而各項工藝參數(shù)在取值范圍內(nèi)變化對最大增厚率的影響相對較小，且最大增厚率一直處于5%以下的安全區(qū)間。因此，需要以降低最大減薄率為目標對側(cè)圍外板拉延工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

根據(jù)單變量因素分析結(jié)果，舍棄導致成形不充分的因素水平，以壓邊力（2 000 kN，2 100 kN，2 200 kN，2 300 kN）、沖壓速度（2 500 mm/s，3 000 mm/s，3 500 mm/s，4 000 mm/s）、摩擦系數(shù)（0.12，0.13，0.14，0.15）、模具型面間隙（1.0t、1.05t、1.1t、1.15t）和拉延筋阻力系數(shù)（0.5，0.6，0.7，0.8）作為研究因素，每個因素選取4個水平，因此采用標準正交表L16(45)。因素水平表和正交試驗結(jié)果分別如表7、表8所示。

表7 正交試驗因素水平表

表8 正交試驗結(jié)果

5.2 極差分析

極差分析可以十分直觀地顯現(xiàn)正交試驗中各變量因素對結(jié)果的影響程度，壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具型面間隙以及拉延筋阻力系數(shù)對最大減薄率的極差分析如表9所示。

從表9可以看出，各變量因素對側(cè)圍外板最大減薄率的影響主次順序為A（壓邊力）＞C（摩擦系數(shù)）＞E（拉延筋阻力系數(shù)）＞D（模具型面間隙）＞B（沖壓速度）。其中，壓邊力對最大減薄率的影響最大，沖壓速度對最大減薄率的影響最小。得出最佳拉延成形工藝參數(shù)為A2B1C2D3E2，即壓邊力2 100 kN，沖壓速度為2 500 mm/s，摩擦系數(shù)為0.13，模具型面間隙為1.1t，拉延筋阻力系數(shù)為0.6。在實際生產(chǎn)過程中，沖壓速度SPM（Stroke Per Minute，SPM）由壓力機決定，基本不做調(diào)整；模具型面間隙在型面精加工之后也很少進行調(diào)整。因此，確定好合適的壓邊力和潤滑條件后，對拉延筋阻力系數(shù)進行適當調(diào)整，即可使零件的成形效果達到最佳狀態(tài)。

表9 正交試驗結(jié)果的極差分析 %

5.3 方差分析

對于極差分析無法評估試驗過程中以及試驗結(jié)果測定時必然存在的誤差之大小，還需要運用方差分析法對變量因素的顯著性進行檢驗。正交試驗結(jié)果的方差分析如表10所示。

由表10可知，影響側(cè)圍外板最大減薄率的顯著因素是壓邊力、摩擦系數(shù)和拉延筋阻力系數(shù)，而沖壓速度、模具型面間隙對側(cè)圍外板最大減薄率的影響不顯著。方差分析得出的各變量因素對側(cè)圍外板最大減薄率的影響主次順序為A（壓邊力）＞C（摩擦系數(shù)）＞E（拉延筋阻力系數(shù)）＞D（模具型面間隙）＞B（沖壓速度），與極差分析結(jié)果完全一致，證明了極差分析的準確性。

表10 正交試驗結(jié)果的方差分析

6 方案驗證

6.1 仿真驗證

根據(jù)正交試驗結(jié)果極差分析和方差分析所得出的變量因素主次順序確定最優(yōu)工藝方案水平，在AutoForm中將壓邊力設置為2 100 kN，沖壓速度設置為2 500 mm/s，摩擦系數(shù)設置為0.13，模具型面間隙設置為1.1t，拉延筋阻力系數(shù)設置為0.6。完成工藝參數(shù)設置后求解計算，得到如圖5、圖6所示的拉延成形仿真結(jié)果。由圖5a可知，側(cè)圍外板各部位均在成形極限以內(nèi)，且具有一定的安全裕度。由圖5b可知側(cè)圍外板整體成形充分，無塑性變形不足和極限減薄區(qū)域，成形效果良好。由圖6可知，側(cè)圍外板最大減薄率為19.6%，位于前門洞下部工藝補充面區(qū)域；最大增厚率為4.3%，位于尾燈部壓料面，符合側(cè)圍外板批量生產(chǎn)的質(zhì)量標準。

圖6 側(cè)圍外板減薄率

6.2 試模驗證

利用正交試驗優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合，對側(cè)圍外板進行拉延成形試模驗證。試模設備為日立造船（H&F）23 000 kN伺服壓力機，如圖7a所示，拉延模具如圖7b所示。

圖7 試模設備與拉延模具

最終調(diào)試得到的側(cè)圍外板拉延件實物如圖8所示，零件整體成形效果良好，產(chǎn)品型面無開裂、起皺、滑移線、沖擊線以及成形不充分等缺陷，僅拉延筋外側(cè)的局部壓料面出現(xiàn)輕微波紋，但對最終完成件的質(zhì)量無影響，同時，由于拉延筋外側(cè)壓料面為非強壓區(qū)域，因此，輕微的波紋也不會對模具批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性造成影響。

圖8 側(cè)圍外板拉延件

為了更加準確地驗證工藝參數(shù)優(yōu)化后數(shù)值模擬的準確性，在試模過程中對側(cè)圍外板拉延成形進行FLD網(wǎng)格應變測試。通過換算得出側(cè)圍外板拉延件實測最大減薄率為19.8%，位于前門洞下部工藝補充面（圖9a中B區(qū)域），最大增厚率為3.6%，位于尾燈部壓料面（圖9a中O區(qū)域）。由上文可知，工藝參數(shù)優(yōu)化后，數(shù)值模擬測得的最大減薄率為19.6%，最大增厚率為4.3%。實際試模結(jié)果與數(shù)值模擬基本吻合，證明了數(shù)值模擬的準確性和工藝參數(shù)的合理性。

圖9 側(cè)圍外板拉延成形FLD網(wǎng)格應變測試結(jié)果

7 結(jié)論

a.在其他工況條件不變的情況下，側(cè)圍外板的最大減薄率隨著壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)以及拉延筋阻力系數(shù)的增加而逐漸增大，隨著模具型面間隙的增加而逐漸減小。在取值范圍內(nèi)，壓邊力、摩擦系數(shù)和拉延筋阻力系數(shù)對最大減薄率的影響最顯著。而工藝參數(shù)的變化對最大增厚率的影響并不明顯，且最大增厚率波動較小，一直處于安全范圍以內(nèi)。

b.通過正交試驗的極差分析和方差分析，得出影響側(cè)圍外板最大減薄率的變量因素主次順序為壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力系數(shù)＞模具型面間隙＞沖壓速度，并確定了最優(yōu)拉延工藝參數(shù)組合為壓邊力2 100 kN，沖壓速度為2 500 mm/s，摩擦系數(shù)為0.13，模具型面間隙為1.1t，拉延筋阻力系數(shù)為0.6。

c.應用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行側(cè)圍外板拉延成形數(shù)值模擬，獲得良好的成形效果。試模驗證得到無開裂、起皺、滑移線、沖擊線，變形充分的零件，利用FLD網(wǎng)格應變測試對比，所換算的最大減薄率和最大增厚率與數(shù)值模擬高度吻合，驗證了數(shù)值模擬和正交試驗的準確性。

研究結(jié)果表明，應用基于正交試驗法的數(shù)值模擬技術能夠提高側(cè)圍外板的拉延成形質(zhì)量、減少因工藝參數(shù)調(diào)整的試模次數(shù)、縮短沖壓模具開發(fā)周期、降低零件沖壓生產(chǎn)成本。