蔣 磊 馬培兵 王 龍 孫 飛 袁新亮 葉禁武

(東風(fēng)本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056)

耐腐蝕性能是決定車身整體質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對于濕度較大的沿海地區(qū)和氣候環(huán)境較為惡劣的鹽堿地區(qū)，車身的耐腐蝕性能會直接影響汽車的使用壽命[1-2]。為了改善車身的耐腐蝕性能，目前主要使用熱鍍鋅板(GI)或熱鍍鋅鐵合金板(GA)替代冷軋裸板作為車身覆蓋件材料[3-4]。近年來，隨著鋼鐵冶煉、軋制技術(shù)的進(jìn)步以及汽車行業(yè)對于車身防腐性能要求的提高，多種新型合金鍍層材料應(yīng)運(yùn)而生。在眾多新型合金鍍層材料中，鋅鋁鎂鍍層材料(ZAM)在車身覆蓋件上的應(yīng)用最為廣泛[5-6]。

ZAM板是在傳統(tǒng)GI板的基礎(chǔ)上對鍍層成分進(jìn)行改良，加入少量的Al、Mg等合金化元素而研發(fā)的一種新型材料。鍍層組織由Zn相、Zn/MgZn2二元共晶相和Zn/Al/MgZn2三元共晶相這3種形態(tài)構(gòu)成[7-8]，鍍層成分中，鋁含量為1%～3%，鎂含量為1%～2%，其余為鋅元素。與傳統(tǒng)GI、GA板相比，ZAM板提升了鍍層的耐磨損和抗劃傷性能，改善了鍍層的摩擦及粘滑特性，使材料的拉延成形能力、抗化學(xué)腐蝕性能更加優(yōu)良，能夠適應(yīng)比GI、GA板更加惡劣的腐蝕工況，可減少零件的后續(xù)防腐和防護(hù)處理。在防腐標(biāo)準(zhǔn)不變的條件下，ZAM鍍層可在一定程度上減薄，節(jié)約Zn用量30%以上[9-10]，從而減少汽車工業(yè)對于Zn資源的消耗，材料成本也更加低廉。因此，ZAM板這種更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保的新型合金鍍層材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

對于汽車前門內(nèi)板的成形工藝，諸多學(xué)者運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究。焦欣[11]等針對車門內(nèi)板成形過程中出現(xiàn)的局部開裂問題，通過綜合應(yīng)用試驗(yàn)法和AutoForm有限元仿真技術(shù)，基于正交試驗(yàn)法對沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了前門內(nèi)板拉延開裂缺陷。龔志輝[12]等通過仿真計(jì)算獲取成形后焊縫線與設(shè)計(jì)焊縫線各自對應(yīng)離散點(diǎn)之間的偏差，并依據(jù)偏差值對坯料焊縫線離散點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的偏移，從而將差厚板前門內(nèi)板的焊縫線偏差控制在很小范圍內(nèi)。王輝[13]等采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬和多目標(biāo)優(yōu)化相結(jié)合的方法，對拉延工藝參數(shù)及工藝刺破刀高度進(jìn)行了優(yōu)化，改善了前門內(nèi)板開裂和起皺缺陷。劉麗娟[14]根據(jù)前門內(nèi)板產(chǎn)品造型特性，設(shè)計(jì)了穩(wěn)健的沖壓工藝方案，并利用AutoForm軟件進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到了具有一定成形裕度的合格零件。徐肖[15]等針對某車型前門內(nèi)板起皺的問題，利用CAE分析與現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合的方式對起皺原因進(jìn)行分析，并通過調(diào)整凸凹模加工間隙、延遲刺破刀刺破時(shí)間，解決了前門內(nèi)板起皺問題。

上述研究主要集中于對GI或GA材前門內(nèi)板的成形仿真及工程應(yīng)用，而對于ZAM材在前門內(nèi)板上的應(yīng)用研究尚無文獻(xiàn)提及。因此，本文通過數(shù)值模擬和試模驗(yàn)證相結(jié)合的方法，成功將ZAM板在某量產(chǎn)車的前門內(nèi)板上進(jìn)行了替代應(yīng)用。借助AutoForm軟件對該前門內(nèi)板進(jìn)行ZAM材替代GA材的可行性研究，根據(jù)兩種材料成形結(jié)果差異優(yōu)化成形工藝參數(shù)，最終解決了該前門內(nèi)板在量產(chǎn)過程中開裂、拉毛和脫鋅頻發(fā)的問題。

1 工藝分析

選取筆者公司某量產(chǎn)SUV車型前門為研究對象，其幾何模型如圖1a所示。產(chǎn)品外輪廓尺寸為1 125 mm×176 mm×810 mm，采用差厚板進(jìn)行沖壓成形，厚板側(cè)料厚t1=1.2 mm，薄板側(cè)料厚t2=0.7 mm。厚、薄板材質(zhì)相同，均為DC54D-ZF，屬于一種深沖用GA板，內(nèi)、外表面均為鋅鐵合金鍍層，鍍層重量為45 g/。厚、薄板材料以下型為基準(zhǔn)進(jìn)行偏置拼焊，拼焊示意圖如圖1b所示。

前門內(nèi)板由于成形深度大、特征圓角多，拉延成形時(shí)極易產(chǎn)生開裂、拉毛及脫鋅等質(zhì)量缺陷，如圖2所示。受工藝參數(shù)波動(dòng)和材料批次差異的影響，開裂、拉毛和脫鋅等質(zhì)量缺陷會在量產(chǎn)過程中頻頻發(fā)生，從而導(dǎo)致零件額外報(bào)廢、生產(chǎn)效率降低。

考慮到左、右件結(jié)構(gòu)對稱的特點(diǎn)，為了便于拉延成形，本文所研究的前門內(nèi)板采用了一模雙件的成形工藝方案。與單獨(dú)成形相比，成雙工藝可以減少沖壓模具數(shù)量，削減沖壓模具成本。對于汽車覆蓋件，后工序整形量越大，材料失穩(wěn)和尺寸精度就越難以控制。因此，在成形工藝條件允許的前提下，應(yīng)將盡量多的產(chǎn)品型面在拉延序一次成形。該前門內(nèi)板除分模線區(qū)域的圓角為過拉延外，其余所有特征圓角均為直接拉延成形。拉延工藝模面和模具結(jié)構(gòu)與圖3所示。

2 有限元分析

2.1 材料參數(shù)

前門內(nèi)板用于替代GA板的ZAM板材料牌號為DC54D-ZAM，基體材質(zhì)與GA板相同，僅在鍍層成分和重量上存在差異。由于ZAM板方法性能更好，因此，同等規(guī)格的材料，ZAM鍍層更薄。本文所用到的ZAM板內(nèi)、外表面均為鋅鋁鎂合金鍍層，鍍層重量為35 g/。有限元分析所需要的GA板和ZAM板材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 GA板和ZAM板材料性能參數(shù)

傳統(tǒng)GA板與ZAM板的材料屈服面模型均為Hill-48，主要差異為材料硬化曲線類型。GA板一般采用應(yīng)力應(yīng)變曲線來定義硬化曲線，而ZAM板則需要選用基于Swift&Hockett-Sherby公式擬合的材料硬化曲線。Swift&Hockett-Sherby硬化曲線公式如下所示：

(1)

式中：σ為真實(shí)應(yīng)力；α=0～1為混合權(quán)重因子；C為Swift材料常數(shù)、強(qiáng)度系數(shù)；εpl為等效塑性應(yīng)變；ε0為Swift材料常數(shù)、初始屈服應(yīng)變；m為Swift材料常數(shù)、應(yīng)變硬化指數(shù)；σSat為Hockett-Sherby材料常數(shù)、流動(dòng)應(yīng)力飽和值；σi為Hockett-Sherby材料常數(shù)、初始屈服應(yīng)力；p為Hockett-Sherby材料常數(shù)、流動(dòng)應(yīng)力飽和指數(shù)。

在AutoForm R7材料參數(shù)庫中，對于DC54-ZAM，寶鋼基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了定義，具體數(shù)值如表2所示。

表2 DC54-ZAM成形仿真材料參數(shù)

2.2 有限元模型

將前門內(nèi)板拉延工藝模面和坯料線分別以IGS格式導(dǎo)入AutoForm軟件，建立如圖4a所示的有限元模型，該有限元模型包含凸模、壓邊圈、凹模和坯料，坯料形狀、尺寸如圖4b所示。根據(jù)實(shí)際工況條件，將沖壓速度設(shè)置為300 mm/s，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，壓邊力設(shè)置為1 200 kN，壓邊圈行程設(shè)置為150 mm，工程階段選擇計(jì)算精度最高的“FV(final validation)”。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

利用前門內(nèi)板拉延成形有限元模型在AutoForm軟件中分別進(jìn)行基于GA板和ZAM板的成形數(shù)值模擬，并通過成形極限圖、減薄率、最大失效、表面缺陷高度、材料流入量以及磨損失效極限沖次對兩種材料的拉延成形效果進(jìn)行對比。兩種材料拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5a、5b可知，ZAM板比GA板的成形安全裕度更大。由圖5c可知，GA板最大減薄率為24.4%，雖然小于25%的材料減薄極限，但已超出20%的安全范圍，一旦工藝參數(shù)或材料性能發(fā)生波動(dòng)，則極易產(chǎn)生開裂；由圖5d可知，ZAM板最大減薄率為19.1%，處于安全范圍以內(nèi)，說明ZAM板相對于GA板開裂風(fēng)險(xiǎn)更低。由圖5e可知，GA板最大失效為0.891，超出最大失效需小于0.8的判斷標(biāo)準(zhǔn)，存在一定開裂風(fēng)險(xiǎn)；由圖5f可知，ZAM板最大失效為0.631，滿足最大失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，說明ZAM板相對于GA板更不容易發(fā)生開裂。由圖5g可知，GA板最大表面缺陷高度為-0.189 mm，符合表面缺陷高度需在±0.2 mm以內(nèi)的要求，零件產(chǎn)生起皺的風(fēng)險(xiǎn)較?。挥蓤D5h可知，ZAM板最大表面缺陷高度為-0.445 mm，不滿足表面缺陷高度在±0.2 mm以內(nèi)的要求，零件存在起皺風(fēng)險(xiǎn)，說明ZAM相對于GA板更容易發(fā)生起皺。由圖5i、5j可知，ZAM板比GA板的材料流入量更大，說明ZAM板相對于GA板有著更好的材料流動(dòng)性。由圖5k、5l可知，在沖壓模具材料以及表面處理方式一致的條件下，ZAM板比GA板的磨損失效極限沖次數(shù)更大，說明ZAM板相對于GA板抗磨損性能更好，零件更不容易發(fā)生拉毛以及脫鋅。

綜合分析前門內(nèi)板分別基于GA板和ZAM板的拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果差異可知，與GA板相比，在同等工況條件下，ZAM板材料流動(dòng)性能和抗磨損性能更好，在拉延成形過程中能夠適應(yīng)更大的工況波動(dòng)，能夠有效降低零件拉延開裂風(fēng)險(xiǎn)以及拉毛和脫鋅的發(fā)生頻次。此外，由于ZAM板在拉延成形過程中更容易向凹模內(nèi)流動(dòng)，材料失穩(wěn)趨勢更加顯著，從而導(dǎo)致在工藝參數(shù)不變的情況下，ZAM板比GA板更容易產(chǎn)生起皺。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

數(shù)值模擬結(jié)果表明，前門內(nèi)板材料由GA板切換為ZAM板后，拉延成形的安全裕度顯著提升，開裂、拉毛、脫鋅問題得以解決，但同時(shí)也帶來了起皺問題。因此，不能直接對材料進(jìn)行切換，需要對沖壓模具或工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于該前門內(nèi)板已經(jīng)批量生產(chǎn)，無法采用沖壓模具型面改修這種周期長、風(fēng)險(xiǎn)高的優(yōu)化方案，只能通過調(diào)整工藝參數(shù)來解決起皺問題。

起皺是汽車覆蓋件沖壓成形過程中常見而又難以解決的問題。根據(jù)塑性變形理論，板料在厚度方向上的狀態(tài)極不穩(wěn)定，當(dāng)所受到的壓應(yīng)力超出臨界值時(shí)，板料在厚度方向無法維持穩(wěn)定的塑性變形，從而產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)。在實(shí)際生產(chǎn)中，影響起皺的工藝參數(shù)包括壓邊力、進(jìn)料阻力和摩擦系數(shù)。進(jìn)料阻力的大小由拉延筋決定，摩擦系數(shù)由沖壓模具表面處理方式以及板料清洗方式?jīng)Q定，對于量產(chǎn)沖壓模具這兩項(xiàng)工藝參數(shù)基本不做調(diào)整。因此，解決起皺最方便快捷、又不會對量產(chǎn)沖壓模具和生產(chǎn)設(shè)備造成影響的方法就是調(diào)整壓邊力。

增大壓邊力不僅可以增加材料向凹模內(nèi)的流動(dòng)阻力，還能增大材料的拉伸變形、減小切向壓應(yīng)力，從而在一定程度上降低材料的失穩(wěn)趨勢。為了能夠得出基于ZAM材的前門內(nèi)板拉延成形的最佳壓邊力，在保持沖壓速度為300 mm/s，摩擦系數(shù)為0.15，壓邊圈行程為150 mm的條件下，將壓邊力設(shè)計(jì)為單一變量因素進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)。變量區(qū)間設(shè)計(jì)為1 300～1 700 kN，以100 kN為增量，從1 300 kN開始逐步增大壓邊力至1 700 kN，并分別進(jìn)行拉延成形數(shù)值模擬。由于材料減薄率與壓邊力呈正相關(guān)變化，當(dāng)壓邊力增大到一定程度時(shí)，會導(dǎo)致材料超出拉伸極限，從而產(chǎn)生開裂。因此，選擇最合理的壓邊力需要綜合考慮表面缺陷高度和減薄率。不同壓邊力條件下ZAM材前門內(nèi)板的表面缺陷高度及減薄率數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

對圖6所示的不同壓邊力工況條件下數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出壓邊力對ZAM材前門內(nèi)板拉延成形質(zhì)量的影響如表3所示。

表3 壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響

由表3可知，當(dāng)壓邊力小于1 300 kN時(shí)，存在起皺風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)壓邊力大于1 500 kN時(shí)，存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。隨著壓邊力的增加，最大減薄率呈逐漸增大趨勢，而最大表面缺陷高度則呈逐漸減小趨勢。對比可知，滿足ZAM材前門內(nèi)板拉延成形質(zhì)量，保證零件不開裂、起皺的最佳壓邊力為1 400 kN。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照基于ZAM板的拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果對前門內(nèi)板進(jìn)行試模驗(yàn)證，試驗(yàn)選用額定能力為24 000 kN的機(jī)械壓力機(jī)，工藝參數(shù)與最終優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)保持一致。首次試模即獲得無開裂、起皺、拉毛以及脫鋅的合格零件，所獲得的試模件如圖7a所示。為了驗(yàn)證ZAM材前門內(nèi)板拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試模過程中還進(jìn)行了FLD等效網(wǎng)格應(yīng)變測試，經(jīng)計(jì)算得出試模件最大減薄率位于厚、薄板拼焊線附近，該部位實(shí)際減薄率為18.7%，如圖7b所示，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

基于試模結(jié)果對前門內(nèi)板材料進(jìn)行切換，批量生產(chǎn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，材料切換為ZAM板后，前門內(nèi)板生產(chǎn)過程中開裂、拉毛、脫鋅等質(zhì)量缺陷的發(fā)生頻次大幅降低，有效地削減了成本浪費(fèi)，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

(1)利用AutoForm軟件分別對GA材前門內(nèi)板和ZAM材前門內(nèi)板拉延成形過程進(jìn)行了模擬，研究了鋅鐵合金鍍金與鋅鋁鎂合金鍍層對前門內(nèi)板成形質(zhì)量影響的差異，結(jié)果表明，鋅鋁鎂合金鍍層比鋅鐵合金鍍層有著更好的材料流動(dòng)性能和抗磨損性能，采用ZAM板可提高材料的成形安全裕度。

(2)通過單變量因素試驗(yàn)法，優(yōu)選出ZAM材前門內(nèi)板拉延成形最為合理的壓邊力，解決了前門內(nèi)板材料由GA板切換為ZAM板所帶來的起皺問題，試驗(yàn)表明，在其他工藝參數(shù)不變的條件下，ZAM板獲得合格成形質(zhì)量所需的壓邊力比GA板更大。

(3)運(yùn)用數(shù)值模擬與試模驗(yàn)證相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了ZAM板在汽車前門內(nèi)板上工業(yè)化應(yīng)用的可行性。研究表明，ZAM板可直接應(yīng)用于前門內(nèi)板的沖壓成形，無需對沖壓模具進(jìn)行調(diào)整，在拉延成形過程中，鋅鋁鎂合金鍍層能夠與基體保持牢固的連接，未出現(xiàn)鍍層剝落現(xiàn)象，對于ZAM板在汽車行業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。