廖博文， 譚必丁， 陸軍合

（湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司 柳州分公司， 廣西 柳州 545006）

0 引 言

汽車車架由多個(gè)零部件組合而成，每個(gè)零部件結(jié)構(gòu)會(huì)根據(jù)性能、輕量化要求以及成本價(jià)格而選用不同型號(hào)材質(zhì)的板材。這些零部件在生產(chǎn)過程中，因材料性能、板材厚度、零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等，給實(shí)際汽車制造增加了難度[1]。在汽車追求輕量化的條件下熱軋酸洗材料作為一種高強(qiáng)度鋼，可以有效的代替普通強(qiáng)度鋼板，提高白車身的安全性能。熱軋酸洗材料屈服應(yīng)力大于305 MPa，以其具備高強(qiáng)度特性、良好的韌性、良好的沖壓性能以及焊接性能得到了汽車企業(yè)的使用[2]。熱軋酸洗材料降低了在設(shè)計(jì)階段因零件問題而引起的開裂、起皺等缺陷，減少了模具研合調(diào)試時(shí)間，保證了新車型的上市時(shí)間[3]?，F(xiàn)以某車型的汽車副車架上片為例，介紹了熱軋酸洗材料在汽車副車架上片的成形性，根據(jù)CAE分析結(jié)果，對(duì)存在問題缺陷的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化[4]。通過理論分析結(jié)果對(duì)零件進(jìn)行可行性評(píng)估，了解零件成形中存在的風(fēng)險(xiǎn)問題，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試對(duì)風(fēng)險(xiǎn)問題進(jìn)行跟蹤，證明熱軋酸洗材料在汽車車架上應(yīng)用的可靠性。

1 副車架上片沖壓有限元模擬分析

1.1 零件結(jié)構(gòu)介紹

某車型副車架上片如圖1所示，外形尺寸為504 mm×974 mm×163 mm，料厚為2.5 mm，前后立壁面拔模角度較小，在沖壓方向上只有3°左右，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間是擴(kuò)張U型結(jié)構(gòu)，方形材料成形時(shí)流動(dòng)困難，需要增加1副落料模，零件兩端的凸臺(tái)開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 零件數(shù)模造型

成形零件選擇SAPH440熱軋酸洗材料，屬于高強(qiáng)度鋼，Q/BQB 310-2018 《汽車結(jié)構(gòu)用熱連軋鋼板及鋼帶》[4]對(duì)SAPH440的成分規(guī)定如表1所示，對(duì)其力學(xué)性能要求如表2所示。

表1 SAPH440 化學(xué)成分 w/%

表2 SAPH440 力學(xué)性能

1.2 副車架CAE模擬仿真分析

1.2.1 導(dǎo)入設(shè)置

將零件以IGES格式導(dǎo)入軟件中，調(diào)整其角度使其滿足沖壓成形角度要求，定義板料材質(zhì)SAPH440，厚度2.5 mm，完成零件導(dǎo)入的初步設(shè)定，材質(zhì)參數(shù)設(shè)置如圖2（a）所示。

以零件重心為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)X、Y、Z軸角度，調(diào)整符合零件成形要求的沖壓方向，即沖壓角度下直接拉深的區(qū)域無負(fù)角，如果存在負(fù)角區(qū)域則需進(jìn)行翻邊或者整形處理，白色面為0～3°拔模角度，中間淺色區(qū)域?yàn)樨?fù)角度區(qū)，如圖2（b）所示

圖2 導(dǎo)入零件參數(shù)設(shè)置

1.2.2 工藝模面設(shè)計(jì)

根據(jù)副車架的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，初步規(guī)劃零件成形工序?yàn)?道：拉深、修邊、整形、沖孔，如圖3（a）所，并在CAE仿真軟件中設(shè)置全工序排序。

CAE仿真軟件工序的工藝面設(shè)計(jì)與實(shí)際工序順序相反，即先從最后工序開始模面處理，然后處理倒數(shù)第2道工序模面，依此類推，這種設(shè)計(jì)方法方便提前處理整形型面和翻邊型面，保證拉深型面為無負(fù)角狀態(tài)，以滿足零件成形性分析要求。

在工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)過程中，首先將零件邊界光順，提高構(gòu)建工藝補(bǔ)充的效率；其次通過適當(dāng)增加控制線來調(diào)整壓料面到零件的距離，使其與零件最低點(diǎn)距離保持在10 mm左右，同時(shí)要求壓料面與零件邊界隨形設(shè)置，過渡圓角做到R50 mm，如圖3（b）所示；最后根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)起皺和開裂區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面，將凹圓角做到R12 mm，凸圓角做到R15 mm，側(cè)壁拔模角做到15°，轉(zhuǎn)角做到R30 mm，尖點(diǎn)做倒R15 mm的球角，優(yōu)化后如圖3（c）所示。

圖3 CAE仿真工藝面參數(shù)設(shè)置

1.2.3 仿真分析結(jié)果

仿真分析結(jié)果如圖4所示，副車架上片在拉深過程中，拐角過渡急劇位置發(fā)生鼓起，如圖4（a）所示，到底后起皺數(shù)值最大值達(dá)到了0.188 mm，如圖4（b）所示 ，CAE分析評(píng)估起皺風(fēng)險(xiǎn)較高。

U型結(jié)構(gòu)內(nèi)部板料流入量受限，此結(jié)構(gòu)為擴(kuò)張型拉深，板料減薄率達(dá)到31.4%，凸臺(tái)內(nèi)側(cè)立壁面最大減薄率達(dá)到37%，如圖4（c）所示，減薄1.714 mm，如圖4（d）所示，CAE分析評(píng)估開裂風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖4 仿真分析結(jié)果

1.2.4 零件數(shù)據(jù)優(yōu)化

如圖5所示，根據(jù)CAE仿真分析結(jié)果判斷，零件過渡急劇的區(qū)域需要優(yōu)化變緩，即過渡面的高度方向的落差控制在80 mm左右，水平方向的距離控制在230 mm，并在起皺位置增加5 mm高的凹/凸筋緩解起皺。開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域在不影響搭接關(guān)系時(shí)，將尖點(diǎn)位置倒三角面，面積做到980 mm2、開裂R角做到R10 mm、側(cè)壁面做到車身Z向15°，以降低現(xiàn)場調(diào)試模具難度和零件開裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 數(shù)模造型更改

1.2.5 數(shù)據(jù)優(yōu)化的CAE分析結(jié)果

零件優(yōu)化后CAE分析結(jié)果如圖6所示，副車架在拉深過程中，拐角過渡位置鼓起降低，如圖6（a）所示，到底后起皺數(shù)值最大值為0.067 mm，如圖6（b）所示，CAE分析評(píng)估起皺有改善，滿足造車要求，但起皺無法完全消除。

U型結(jié)構(gòu)內(nèi)部位置優(yōu)化落料線、工藝和零件后，拉深開裂得以解決。板料最大減薄率控制在18.9%以內(nèi)，凸臺(tái)區(qū)域優(yōu)化零件后內(nèi)側(cè)立壁面減薄控制在17.8%以內(nèi)，如圖6（c）所示，最小厚度控制在2.026mm以上，凸臺(tái)區(qū)域最小厚度控制在2.069 mm以上，如圖6（d）所示，CAE分析評(píng)估滿足沖壓成形性要求。

圖6 優(yōu)化后仿真分析結(jié)果

2 零件現(xiàn)場狀態(tài)

2.1 首次出件問題及優(yōu)化策略

如圖7（a）所示，橢圓處凸包內(nèi)側(cè)存在開裂是因?yàn)槔顣r(shí)板料減薄導(dǎo)致，通過打磨凸模可消除該處缺陷；U型結(jié)構(gòu)擴(kuò)張撕裂如圖7（b）橢圓處所示，需要調(diào)整凸凹模間隙；變化急劇拐角處拉深起皺如圖7（c）橢圓處所示，需確保裝配面的平面度及面輪廓度符合設(shè)計(jì)要求。上述缺陷與前期CAE仿真分析結(jié)果判斷一致，考慮首次出件結(jié)果，需要繼續(xù)對(duì)模具零件進(jìn)行拋光研合到位，以完全消除這些缺陷。

圖7 首次出件零件狀態(tài)

2.2 模具研合完成后零件狀態(tài)

為檢查模具是否合格，在完成全部工序生產(chǎn)后需要對(duì)零件尺寸精度進(jìn)行測量，主要檢測零件的整體外觀，確保整體外觀沒有明顯的劃痕、起皺、開裂等缺陷，之后再使用檢具檢測零件尺寸精度，即基準(zhǔn)、孔、型面、邊界的檢測，如圖8所示。對(duì)最終模具研合后成形的零件檢測，結(jié)果表明零件的合格率均在 92%以上，符合造車要求。

圖8 模具完成研合后零件狀態(tài)

3 結(jié)束語

基于CAE仿真軟件對(duì)熱軋酸洗SAPH440材料成形進(jìn)行仿真，以某車型副車架上片為例，研究了SAPH440材質(zhì)對(duì)副車架上片成形性的影響。在造型階段，通過CAE仿真分析板料的成形性，根據(jù)分析結(jié)果判斷板料成形的缺陷，前期將工藝模面和零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能夠在模具鑄造前及時(shí)判斷SPAH440材質(zhì)成形的可行性。對(duì)于CAE分析結(jié)果暴露的問題，通過調(diào)整板材厚度和工藝實(shí)現(xiàn)副車架上片的成形，避免后期因要更換材質(zhì)而帶來的損失，同時(shí)縮短了模具開發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。