鮑 立， 鄭德兵， 余歡慶

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司,上海 201216)

進(jìn)入21世紀(jì)以來，中國(guó)汽車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)正趨白熱化，降本增效是目前車企都在積極研究的主課題.在量產(chǎn)制造過程中，車身鈑金件在沖壓時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)開裂起皺等成形問題.鈑金沖壓影響因素頗多，如果盲目調(diào)整工藝參數(shù)、修整模具，將很可能導(dǎo)致多輪次的試模調(diào)整仍不能很好地解決出現(xiàn)的成形問題，造成不必要的成本損失.因此，有必要研究汽車沖壓件的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低因設(shè)計(jì)階段、制造水平的差異等給制造質(zhì)量造成的影響.若給出穩(wěn)健可行的沖壓工藝參數(shù)、加大板料和工藝參數(shù)等的工藝帶寬，將會(huì)縮短制造樣車的生產(chǎn)周期，極大地降低沖壓件制造的成本，從而提升汽車產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1].

六西格瑪設(shè)計(jì)(Design for Six Sigma，DFSS)是通用汽車公司廣泛推廣應(yīng)用的一種解決復(fù)雜問題的質(zhì)量提升方法.該方法是按照合理的流程，運(yùn)用質(zhì)量管理的方法和理念，準(zhǔn)確地理解和把握客戶呼聲，并將之轉(zhuǎn)化成可實(shí)現(xiàn)的工程指標(biāo)；能夠?qū)Ξa(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并尋求最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，使之對(duì)可能造成系統(tǒng)性能變化的各種干擾因素的敏感度最小化，最終使產(chǎn)品和流程在低成本下滿足六西格瑪質(zhì)量水平，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量/性能的期望，同時(shí)保證設(shè)計(jì)的低成本[2-4].

本研究以某車型前縱梁Kick-down鈑金件的制造工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)為例，采用全流程的DFSS中的IDDOV(Identify Define Develope Optimize Verify)理論方法，完善高強(qiáng)度鋼邊緣應(yīng)變材料模型，實(shí)現(xiàn)Autoform CAE分析結(jié)果與實(shí)物零件狀態(tài)的一致性研究，優(yōu)化其沖壓成形工藝，解決其在試模階段邊緣開裂的問題；同時(shí)，建立高強(qiáng)鋼邊緣應(yīng)變極限數(shù)據(jù)庫(kù)，以及邊緣開裂的Autoform CAE分析結(jié)果評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，識(shí)別邊緣開裂失效風(fēng)險(xiǎn)，提高整車開發(fā)的產(chǎn)品質(zhì)量、縮短項(xiàng)目進(jìn)度.

1 問題分析

AHSS和UHSS高強(qiáng)度鋼是近幾年汽車企業(yè)廣泛應(yīng)用的輕量化鋼材[5-6]，上海通用車型的高強(qiáng)度鋼應(yīng)用比例已經(jīng)高達(dá)54%～65%，并呈逐年上升趨勢(shì).但由于AHSS和UHSS高強(qiáng)度鋼板在沖壓時(shí)對(duì)邊緣開裂的敏感性，成形過程中往往未達(dá)到成形極限就發(fā)生開裂現(xiàn)象[7-11].

某項(xiàng)目前縱梁Kick-down零件采用DP780的AHSS高強(qiáng)鋼材料，在應(yīng)用Autoform軟件同步成形開發(fā)時(shí)，零件成形狀態(tài)通過審核；但在量產(chǎn)階段，鈑金邊緣局部區(qū)域破裂頻發(fā)，如圖1所示，廢品率高達(dá)15%，遠(yuǎn)高于廢品率低于3‰的行業(yè)要求，無法滿足量產(chǎn)需求.

圖1 某項(xiàng)目前縱梁Kick-down鈑金件邊緣開裂現(xiàn)狀

經(jīng)分析，其原因是：1)AHSS和UHSS高強(qiáng)鋼零件拉伸后板料發(fā)生了加工硬化，塑性性能下降；而且，零件在拉伸之后的修邊工序，剪切廢料時(shí)將不可避免的產(chǎn)生毛刺，造成板料邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而致使零件邊緣開裂；2)當(dāng)采用Autoform軟件進(jìn)行同步成形開發(fā)時(shí)，目前僅通過型面減薄率和FLD曲線兩個(gè)參數(shù)來判斷零件的開裂風(fēng)險(xiǎn).該參數(shù)無法模擬實(shí)際零件成形后的邊緣加工硬化和邊緣的切邊毛刺狀態(tài)，無法準(zhǔn)確預(yù)判高強(qiáng)鋼的邊緣拉深性能，也就無法預(yù)測(cè)邊緣開裂狀態(tài).

因此需要做以下三方面的研究：1)通過擴(kuò)孔試驗(yàn)來研究高強(qiáng)鋼鋼板的邊緣拉伸性能，并獲取判斷板料邊緣開裂的最大邊緣應(yīng)變極限值；2)將最大邊緣應(yīng)變極限值引入Autoform材料卡片，來判斷Autoform軟件成形仿真分析能夠模擬實(shí)物邊緣開裂狀態(tài)；3)設(shè)計(jì)新的沖壓工藝方案及工藝參數(shù)來降低邊緣應(yīng)變.

2 高強(qiáng)鋼材料邊緣應(yīng)變?cè)u(píng)判標(biāo)準(zhǔn)定義

研究表明，板料的邊緣拉伸性能及最大邊緣應(yīng)變值，可以通過鋼板的預(yù)變形拉伸和擴(kuò)孔試驗(yàn)來獲取.按照ISO-TS16630試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[12]，高強(qiáng)度鋼板的預(yù)變形拉伸和擴(kuò)孔試驗(yàn)步驟如下：首先制作尺寸為400 mm×40 mm×1.6 mm的拉伸試驗(yàn)樣條，并分別完成3%、6%和9%的預(yù)變形拉伸；然后對(duì)試驗(yàn)樣條預(yù)沖φ6和φ10的圓孔；最后利用擴(kuò)孔模具進(jìn)行擴(kuò)孔，直到出現(xiàn)第一道貫穿料厚方向的裂紋為止，記錄破裂后的圓孔平均直徑，如圖2所示.對(duì)每種預(yù)變形量的試驗(yàn)樣條進(jìn)行至少5組的有效重復(fù)試驗(yàn)，記錄所得試驗(yàn)結(jié)果的平均值，通過公式(1)計(jì)算最終的擴(kuò)孔率HER%.

圖2 擴(kuò)孔試驗(yàn)

HER%=(Dh-D0)/Do×100%，

(1)

式中：HER%為擴(kuò)孔率，Dh是破裂后的圓孔平均直徑，Do是沖制圓孔的初始直徑.

最大邊緣應(yīng)變MaxEdgeStrain與擴(kuò)孔率的關(guān)系[13]為

MaxEdgeStrain=ln(1+HER%)

.

(2)

擴(kuò)孔率反映了板料邊緣抵抗破裂的能力，值越大，材料的邊緣拉伸性能越好，即通過實(shí)物的擴(kuò)孔試驗(yàn)來定義板料的最大邊緣應(yīng)變[14-15].

結(jié)合公式(2)計(jì)算得到各種材料料厚的邊緣應(yīng)變極限值，制定最大邊緣應(yīng)變極限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，其中，本研究對(duì)象材料的最大邊緣應(yīng)變極限值為0.337，輸入到Autoform材料卡片內(nèi)作為評(píng)判邊緣開裂的閾值.

原Autoform成形仿真分析結(jié)果顯示：前縱梁Kick-down零件開裂區(qū)域最大邊緣應(yīng)變達(dá)到0.4，超出該材料的最大邊緣應(yīng)變極限值0.337，如圖3所示，Autoform軟件CAE分析邊緣開裂結(jié)果與實(shí)物狀態(tài)一致.仿真結(jié)果表明，最大邊緣應(yīng)變極限值可以和FLD圖無紅色區(qū)域，過程無明顯起皺，最大增厚率小于10%，最大減薄率小于13%等成形性基本評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一起，更加準(zhǔn)確地模擬分析前縱梁Kick-down零件開裂的實(shí)際狀態(tài).

圖3 Autoform成形分析邊緣應(yīng)變狀態(tài)

所以，制定本文的目標(biāo)要求：在滿足行業(yè)CAE成形性基本評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)以及外部客戶供應(yīng)商的廢品率低于3‰的質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上，增加沖壓鈑金件最大邊緣應(yīng)變小于0.337的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn).

3 沖壓工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了快速有效地解決前縱梁Kick-down邊緣開裂的問題，借助建立的Autoform邊緣應(yīng)變材料模型，采用通用汽車公司六西格瑪設(shè)計(jì)(DFSS)中的IDDOV理論方法，開發(fā)可解決邊緣開裂的沖壓工藝方案，并借助田口方法獲得最優(yōu)的沖壓工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品生產(chǎn)穩(wěn)定性.

3.1 沖壓工藝方案確定

設(shè)計(jì)開發(fā)概念階段的目標(biāo)，是利用六西格瑪質(zhì)量管理工具，建立最好的可行產(chǎn)品概念，并用客觀科學(xué)和可評(píng)估的方法從眾多潛在設(shè)計(jì)方案中選擇最合適的方案，能完成定義要求階段識(shí)別的功能，同時(shí)又能達(dá)到其他的業(yè)務(wù)目標(biāo).

針對(duì)本文研究的課題，原始沖壓工藝方案是半拉延→正修邊→下翻邊→側(cè)修邊.為了尋求解決邊緣開裂的工藝方案，同時(shí)達(dá)到減少零件更改頻次、避免模具報(bào)廢、最大化地降低生產(chǎn)成本和開發(fā)周期的目的，我們秉承精益化概念開發(fā)理念，確定了普氏概念選擇的準(zhǔn)則是成形性、成本和開發(fā)周期，最精益可行的解決方案為：方案1為Form成形，方案2為全拉延→側(cè)修邊，方案3為半拉延→正修邊→側(cè)修邊→下翻邊，如圖4所示.

圖4 普氏分析評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及解決方案

相比原始方案，方案1使用成形工藝，相比拉延工藝，無壓邊圈周圈壓料，可改善減薄率超標(biāo)的開裂風(fēng)險(xiǎn)；方案2使用拉延出產(chǎn)品造型，再增加側(cè)修邊的工藝，相比成形，使用壓邊圈周圈壓料，可改善增厚率過大導(dǎo)致的起皺問題；方案3使用拉延出一部分產(chǎn)品造型，正修邊和修邊后再下翻邊工序，可以降低拉延深度，降低開裂區(qū)域邊緣的變形量，減小開裂風(fēng)險(xiǎn).秉承精益化概念開發(fā)理念，對(duì)比分析各方案成形分析結(jié)果，建立普氏矩陣分析表，如表1所示，方案1最大減薄率12%，最大邊緣應(yīng)變0.28，但過程存在起皺、最大增厚率大于10%的問題；方案2最大增厚率9.5%，最大邊緣應(yīng)變0.325，但存在最大減薄率大于13%；方案3的減薄率、增厚率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，最大邊緣應(yīng)變狀態(tài)接近標(biāo)準(zhǔn)極限，最終選擇采用方案3，成形性、成本和開發(fā)周期都有明顯收益.

表1 普氏矩陣分析表

3.2 最優(yōu)方案沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化

接下來的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，是基于選擇的方案3，優(yōu)化并獲得其最優(yōu)的沖壓成形工藝參數(shù)，使之在成形性、成本和開發(fā)周期允許的條件下達(dá)到綜合效益的最大化，確保產(chǎn)品在各種操作條件下對(duì)噪音因子不敏感，均有一致的性能.

1)響應(yīng)模型建立

該項(xiàng)目應(yīng)用田口方法非動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型，尋求提高產(chǎn)品穩(wěn)定性的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，如圖5所示，根據(jù)基礎(chǔ)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)可知：控制因子選取可以直接在模具加工和沖壓設(shè)備時(shí)設(shè)置的參數(shù)，有利于實(shí)際生產(chǎn)操作的可行性.本文選取影響沖壓成形過程的5個(gè)控制因子，分別是拉延凹模圓角半徑B、板料長(zhǎng)度尺寸C、壓邊力D、摩擦系數(shù)E、模具間隙F，每個(gè)因子選取3個(gè)水平，優(yōu)化成形性能，其中原工藝方案拉延凹模圓角半徑B3為13 mm、板料長(zhǎng)度尺寸C3為735 mm、壓邊力D3為40噸、摩擦系數(shù)E2為0.15、模具間隙F1為1.68 mm.噪音因子N主要考慮板料厚度公差變化， N1，N2，N3是其三個(gè)水平.

圖5 田口響應(yīng)參數(shù)圖

利用通用汽車公司DFSS常用的Orthogonal Array Design and Optimization Tool -- Version 8.1工具，得到最大減薄率、最大增厚率和最大邊緣應(yīng)變的信噪比S/N主效應(yīng)圖及系統(tǒng)響應(yīng)均值Mean主效應(yīng)圖，如圖6所示.

圖6 最大減薄率、最大增厚率、最大邊緣應(yīng)變信噪比S/N及系統(tǒng)響應(yīng)均值Mean主效應(yīng)圖

2)工藝仿真分析

為獲取最優(yōu)解，選取L18(21×37)正交矩陣列表，并進(jìn)行虛擬替代處理，結(jié)果如表2所示.

表2 最大減薄率、最大增厚率、最大邊緣應(yīng)變正交列表(望小特性)

(b)最大增厚率

(c)最大邊緣應(yīng)變

從B、C、D、E和F中，按照最大減薄率、最大增厚率、最大邊緣應(yīng)變的Mean均值望小，信噪比S/N值望大的基本原則，選取各自的最優(yōu)組合，如表3所示.3種方案最大減薄率和最大邊緣應(yīng)變差別較大，而最大增厚率的差別較小，為了更好的控制零件在生產(chǎn)中的開裂問題，綜合評(píng)估后最終方案選擇B1-C1-D1-E1-F3，即拉延凹模圓角半徑為8 mm、板料長(zhǎng)度尺寸為725 mm、壓邊力為20 t、摩擦系數(shù)為0.13、模具間隙為1.84 mm.

表3 優(yōu)化方案輸出對(duì)比

按照最佳設(shè)計(jì)工藝參數(shù)組合再進(jìn)行Autoform CAE成形分析，對(duì)比原工藝基準(zhǔn)方案(B3-C3-D3-E2-F1)，最大減薄率、最大增厚率和最大邊緣應(yīng)變都有明顯的收益，如表4所示，三項(xiàng)指標(biāo)均滿足目標(biāo)要求，其中邊緣應(yīng)變收益最為明顯，S/N值從9.129 dB提升到11.402 dB，收益量為2.273 dB，收益率達(dá)到20%，系統(tǒng)響應(yīng)的Mean值均從0.349降低到0.269，下降了0.08，收益率達(dá)到23%.

表4 最優(yōu)方案穩(wěn)健評(píng)估

(b)增厚率

(c)邊緣應(yīng)變

3.3 驗(yàn)證確認(rèn)

最后，DFSS驗(yàn)證階段的任務(wù)是確認(rèn)量產(chǎn)狀態(tài)是否滿足預(yù)望的質(zhì)量水平目標(biāo).

通過本文的研究，引入邊緣應(yīng)變極限模型的Autoform CAE分析結(jié)果可識(shí)別零件邊緣開裂的狀態(tài).同時(shí)，采用優(yōu)化工藝方案后，成形分析結(jié)果滿足FLD圖無紅色區(qū)域，過程無明顯起皺，最大增厚率小于10%，最大減薄率小于13%等成形性基本評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，而且最大邊緣應(yīng)變值也有明顯改善，最大邊緣應(yīng)變值從原始狀態(tài)的0.4下降到0.269，如圖7所示，下降了33%，小于邊緣應(yīng)變極限的0.337.

圖7 優(yōu)化后CAE邊緣應(yīng)變狀態(tài)和量產(chǎn)實(shí)物圖

針對(duì)修模和工藝參數(shù)優(yōu)化后的實(shí)物零件，收集連續(xù)9個(gè)月多批次近萬件工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)，從各月的廢品率數(shù)據(jù)中無零件發(fā)生邊緣開裂案例，邊緣開裂導(dǎo)致的報(bào)廢率從15%下降為0，達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的各項(xiàng)目標(biāo)要求.

通過本文的研究可以看出，在車身同步成形開發(fā)過程中，針對(duì)高強(qiáng)鋼零件，需要利用邊緣開裂極限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估邊緣最大應(yīng)變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的精益化開發(fā).同時(shí)，后續(xù)利用現(xiàn)有沖孔和擴(kuò)孔模具，擴(kuò)充高強(qiáng)鋼邊緣應(yīng)變極限數(shù)據(jù)庫(kù)，完善邊緣開裂極限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并推廣應(yīng)用到后續(xù)車型的同步成形開發(fā)，在前期設(shè)計(jì)階段成功識(shí)別出了邊緣開裂的成形問題，提升車身設(shè)計(jì)精益性.

4 結(jié) 論

本文以某車型前縱梁Kick-down鈑金件邊緣開裂問題為例，成功識(shí)別出了邊緣開裂的問題，確定了解決邊緣開裂的最優(yōu)沖壓工藝參數(shù)，成形分析結(jié)果滿足成形性基本評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，最大邊緣應(yīng)變值也有明顯改善，從0.4下降到0.269，下降了33%，而且，量產(chǎn)零件無邊緣開裂問題，報(bào)廢率從15%下降為0，前縱梁Kick-down零件的邊緣開裂問題得到了成功解決.

采用不同材料等級(jí)的高強(qiáng)度鋼板預(yù)變形拉伸和擴(kuò)孔試驗(yàn)來研究鋼板邊緣拉伸性能，在分析大量高強(qiáng)度鋼材料樣件的不同預(yù)變形量的擴(kuò)孔試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，制定了邊緣應(yīng)變極限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，建立Autoform邊緣應(yīng)變材料模型，完善了Autoform工藝仿真分析軟件的指標(biāo)參數(shù)，提高了工藝仿真能力和水平.同時(shí)，采用通用汽車公司DFSS的IDDOV理論方法，開闊了沖壓工藝設(shè)計(jì)思路，提升了評(píng)估方案穩(wěn)健收益的能力.

推而廣之，在高強(qiáng)度鋼零件的同步成形分析中，要結(jié)合邊緣應(yīng)變極限評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，建立邊緣應(yīng)變材料模型，評(píng)估零件成形的最大邊緣應(yīng)變狀態(tài).同時(shí)，后續(xù)需要通過擴(kuò)孔試驗(yàn)測(cè)量更多種類的材料料厚組合，形成完善的高強(qiáng)鋼邊緣極限應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)，使我們?cè)谇捌诔尚畏治鰰r(shí)能夠準(zhǔn)確評(píng)判高強(qiáng)鋼零件邊緣開裂狀態(tài)，更為高強(qiáng)鋼邊緣開裂的后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ).