唐浩興，洪杰偉，溫彤

（1.重慶郵電大學(xué) 先進制造工程學(xué)院，重慶 400065；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023；3.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044）

0 引 言

汽車覆蓋件由于形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、相對厚度小、表面質(zhì)量要求高等特點，且輪廓內(nèi)部帶有局部形狀、成形工序多，是車身制造生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但沖壓成形過程中常會出現(xiàn)開裂、起皺、擦傷、凹痕等缺陷[1-3]。尤其是起皺，不僅降低成形產(chǎn)品表面質(zhì)量、影響裝配工藝，嚴重時會損傷模具，對生產(chǎn)造成損失。關(guān)于材料抗皺性能的測試，方板對角拉伸試驗（Yoshida buckling test，YBT）方法因試樣簡單、操作方便而被廣泛應(yīng)用[4-6]。在此基礎(chǔ)上，學(xué)者們進行了一系列的改進，旨在獲取板材復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)[7-11]，如在方板或矩形板中心開圓孔的方法[12]，對于研究材料的起皺性能具有重要意義。

針對某車型前門內(nèi)板，經(jīng)過一段時間的停產(chǎn)和設(shè)備維護后，重新生產(chǎn)時出現(xiàn)了較嚴重的起皺現(xiàn)象，如圖1（a）所示。經(jīng)生產(chǎn)現(xiàn)場鑒定，一方面是由于設(shè)備保養(yǎng)等僅是常規(guī)清潔，模具整體狀態(tài)可視為不變；另一方面，在此期間廠家提供的材料批次也不一致，為避免反復(fù)試錯和節(jié)約成本[13]，結(jié)合有限元技術(shù)，將后一批次材料的力學(xué)性能參數(shù)導(dǎo)入Auto-Form進行全工序（包括落料、拉深、修邊、沖孔、翻邊、整形等）分析，對應(yīng)的起皺結(jié)果如圖1（b）所示。

由圖1可知，模擬起皺的位置及起皺程度與實際匹配度較好，說明利用AutoForm仿真板料實際沖壓過程的方法可靠?；诖?，首先從材料的角度，在測試相同牌號、不同批次板材的基本力學(xué)性能后，根據(jù)帶夾持端的開孔方板和開孔矩形板單向拉伸方法對比2種材料的抗皺性，并結(jié)合車門起皺模擬進行驗證，為后續(xù)選材提供參考。其次從工藝的角度，分別在拉深筋的參數(shù)設(shè)計與布局兩方面對門板的起皺缺陷進行優(yōu)化。

圖1 前門內(nèi)板成形起皺

1 材料抗皺性能測試與驗證

針對A和B兩個不同批次生產(chǎn)的厚度為0.7 mm的DC05鋼板（以下簡稱A/B材料），為獲得其基本力學(xué)性能并對比二者抗皺性，采用的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣和開孔試樣的尺寸與實物如圖2所示。

圖3所示分別是A、B材料標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣的力-位移和真實應(yīng)力-應(yīng)變曲線，再將后者對應(yīng)的數(shù)據(jù)按照公式（1）所表示的Ludwig本構(gòu)方程擬合，其他參數(shù)如表1所示。由表1可以看出，A的屈服強度、強度系數(shù)、最大承載能力等都略高于B，但二者的加工硬化指數(shù)卻相同。因此，根據(jù)Szacinski的研究結(jié)論[5]，即屈服強度越高，起皺傾向越大，初步判斷B的抗皺性優(yōu)于A。

圖3 材料力學(xué)性能

其中，σtrue為真實應(yīng)力，MPa；σ0為屈服強度，MPa；ε為真實塑性應(yīng)變；K為強度系數(shù)，MPa；n為硬化指數(shù)。

由圖2可知，開孔方板夾持端的長、寬均為40 mm，開孔矩形板夾持端的長、寬分別為30、70 mm，一端固定，另一端將開孔的方板和矩形板分別拉伸至5、10 mm，速度均為0.1 mm/s。由圖4可知，在相同條件下A材料的拉伸載荷略高。若A/B試樣均起皺，則起皺高度較高的材料抗皺性能較差。因此將表1中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到有限元模型中，并結(jié)合試驗結(jié)果對比試樣的起皺高度。

圖2 試樣尺寸與實物

圖4 開孔方板和矩形板的載荷-位移曲線

圖5所示為開孔板的試驗結(jié)果與利用Abaqus軟件模擬得到的最大起皺高度（即面外位移U3）對比。由圖5可以看出，在相同加載位移下，均出現(xiàn)明顯的起皺現(xiàn)象。雖然A的屈服強度和強度系數(shù)均高于B，但A在承受較大載荷時，其起皺高度仍低于B；且A對應(yīng)的開孔方板試樣兩側(cè)對角反向翹起的高度、開孔矩形板試樣水平中心軸線的外邊界處向內(nèi)折疊的位移都低于B。因此A的抗皺性能優(yōu)于B，這與參考文獻[5]中的結(jié)論相反，說明板材的抗皺性與屈服強度無直接關(guān)系，與參考文獻[14]中的結(jié)論一致。此外，有限元模擬結(jié)果與試驗的平均誤差約為5.6%，具有較高的精度和參考價值。

圖5 試驗與模擬的起皺結(jié)果對比

為驗證該結(jié)果，將表1中的參數(shù)導(dǎo)入門板模型，利用AutoForm模擬第一道次沖壓及回彈結(jié)束后的成形效果。

表1 材料性能參數(shù)

圖6所示為A/B材料的門板起皺云圖，并對比3個相同參考點的Wrinkles值。由圖6可以看出，A板起皺的分布相對均勻、數(shù)值較小；而B板在左下側(cè)靠近鉸鏈連接處的數(shù)值較大。因此A板的起皺程度略小于B板，其抗皺性比B板高約12.4%。

圖6 模擬的門板起皺結(jié)果對比

綜上分析，A材料的抗起皺性能優(yōu)于B材料，該方法可為汽車主機廠選擇材料供應(yīng)商提供參考。

2 拉深筋布局及參數(shù)優(yōu)化

起皺位置的應(yīng)變?nèi)鐖D7所示，①、③區(qū)域的主應(yīng)變?yōu)檎⒋螒?yīng)變?yōu)樨?，起皺現(xiàn)象由面內(nèi)壓應(yīng)力引起；而②區(qū)域的主、次應(yīng)變均為正，說明起皺并非由壓應(yīng)力超過板材的穩(wěn)定極限導(dǎo)致，而是因為該處圓角偏小，板材在成形過程中與模具零件接觸時，受模具零件“擠壓”的速度較大，材料來不及向周圍流動而受限于一個較為狹小的區(qū)域內(nèi)，造成局部堆積而表現(xiàn)為起皺。因此，在模具零件設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增大該區(qū)域的過渡圓角，或在生產(chǎn)時減小沖壓速度、增大壓邊力等措施來緩解該缺陷。

圖7 典型起皺位置的主應(yīng)變與次應(yīng)變

通常在板材周圍設(shè)置拉深筋以調(diào)節(jié)材料流動，避免起皺，獲得變形均勻的產(chǎn)品。板材在流經(jīng)筋槽及過渡圓角時，會發(fā)生反復(fù)的彎曲與反彎曲變形，同時造成較強的應(yīng)變硬化效應(yīng)以及接觸產(chǎn)生的摩擦，這三部分共同組成了拉深筋的阻力。

選取AutoForm自適應(yīng)圓形截面線型筋，并在局部設(shè)置雙筋，布局如圖8（a）所示，由于產(chǎn)品對稱，僅對左半邊拉深筋編號進行研究，對①區(qū)域的材料流動起主要作用的是9～12以及18號筋；影響②/③區(qū)域的則是14和19號筋。

因此，針對①位置的起皺，9/11/12號筋的進料阻力需增大，由于10號筋鄰近較高的工藝吸皺筋，繼續(xù)增加阻力可能會將材料局部阻擋在外，增大了①區(qū)域上方焊接線處的開裂風(fēng)險，故其阻力系數(shù)可保持不變或適當(dāng)減??；12號筋對應(yīng)的吸皺筋與模型的高度差較平緩，需將18號筋向產(chǎn)品內(nèi)側(cè)靠攏，與12號形成近平行的雙筋并降低材料從11號筋與12號筋間隙流入的幾率。

由于②/③位置臨近且圓角和拔模斜度均較小，若持續(xù)增大14號筋阻力，雖然可改善起皺，但易導(dǎo)致焊接線在④處開裂。因此，將14號筋拆分為14-1（左，對應(yīng)②）和14-2（右，對應(yīng)③）兩段，結(jié)合上述分析，需增加14-1的阻力系數(shù)以減少材料流入、提高對該處材料的拉應(yīng)力；將14-2號筋阻力設(shè)為零。同時旋轉(zhuǎn)19號筋，與14-1外側(cè)形成雙筋以增大局部阻力的同時，使其余材料更容易流進14-2區(qū)域，降低④位置焊接線的開裂風(fēng)險。優(yōu)化后的拉深筋布局與編號如圖8（b）所示。

根據(jù)Stoughton拉深筋阻力模型[15]可知，筋的阻力隨著筋高度的增大、筋（和筋槽）圓角半徑的減小而增大，參考實際生產(chǎn)，設(shè)置筋寬為15 mm，可得圖8（b）中各筋及溝槽的尺寸，如表2所示。優(yōu)化前、后的拉深筋阻力參數(shù)如表3所示。

表3 優(yōu)化前、后拉深筋阻力相關(guān)參數(shù)

圖8 拉深筋布局及編號

表2 圓形筋及對應(yīng)筋槽的尺寸 mm

經(jīng)全工序模擬得到的最終起皺結(jié)果對比如圖9所示，①/②區(qū)域起皺的最大值已由0.065/0.095 mm減小到0.016/0.049 mm，質(zhì)量分別提升了75.4%和48.4%。結(jié)合圖1可知，實際生產(chǎn)中①區(qū)域的起皺最嚴重，從優(yōu)化后的結(jié)果可以看出，起皺缺陷基本消除。

圖9 拉深筋優(yōu)化前與優(yōu)化后后門板的起皺結(jié)果對比

③區(qū)域的起皺優(yōu)化結(jié)果不明顯，這是由于一方面稍增大壓邊力或?qū)?yīng)拉深筋的進料阻力會造成焊接線在④位置開裂；另一方面起皺分布在底部的小圓角處，與凹模接觸時產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料表面局部硬化形成沖擊痕跡，在沖壓過程中隨著材料流動而顯現(xiàn)。

圖10所示為優(yōu)化前后的成形性對比，優(yōu)化后拉深不充分的區(qū)域減少，板材變形更加均勻，無過度減薄或開裂，受壓應(yīng)力作用出現(xiàn)起皺缺陷的范圍減小和風(fēng)險大幅度降低，尤其是①區(qū)域。因此，優(yōu)化拉深筋后前門內(nèi)板的成形效果更好。

圖10 門板成形性

3 結(jié)束語

根據(jù)實際生產(chǎn)中某車型前門內(nèi)板沖壓起皺的實例，從材料和工藝2個方面考慮，對比了板材抗皺性、優(yōu)化了拉深筋，并結(jié)合數(shù)值模擬驗證，得到的主要結(jié)論如下。

（1）同牌號不同批次的材料性能存在差異，通過開孔矩形板和開孔方板，對比起皺高度可知，A材料的抗皺性優(yōu)于B材料，并利用門板沖壓的起皺模擬結(jié)果驗證，該方法可為主機廠評估原材料提供技術(shù)支撐。

（2）①、③區(qū)域起皺是受壓應(yīng)力失穩(wěn)而導(dǎo)致，而②區(qū)域起皺則是由局部材料堆積形成?；诖?，改進了拉深筋布局并調(diào)整了筋與筋槽的尺寸及相關(guān)阻力參數(shù)。

（3）優(yōu)化拉深筋后，起皺趨勢下降，焊接線處無開裂風(fēng)險，產(chǎn)品整體成形性良好。