摘    要：針對某品牌汽車B柱內(nèi)板的成形工藝問題，研究了零件22MnB5高強度鋼的熱沖壓成形參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，以最大減薄率、最大增厚率和最大回彈量為評價目標，通過正交實驗和極差分析，獲得零件熱沖壓成形的最優(yōu)工藝參數(shù)，并完成最優(yōu)工藝參數(shù)的成形仿真和回彈分析，仿真結(jié)果表明零件的厚度分布均勻，零件最大減薄率為10.1%,最大增厚率為7.1%,零件的回彈量小，最大回彈量為0.714 mm,該零件成形質(zhì)量符合設(shè)計要求，表明了該零件熱沖壓成形優(yōu)化方案的可行性。

關(guān)鍵詞：B柱內(nèi)板;熱沖壓;工藝參數(shù);

目前，中國汽車工業(yè)飛速發(fā)展，汽車保有量逐年上升，同時也面臨能源、環(huán)保等問題，如何開發(fā)節(jié)能環(huán)保的“綠色汽車”受到各汽車廠商的重視[1]。實現(xiàn)“綠色汽車”的主要方法為應(yīng)用新能源、優(yōu)化引擎性能和汽車輕量化等，其中汽車輕量化是較為有效的方法。據(jù)相關(guān)研究表明，汽車質(zhì)量減少100 kg, 百公里可節(jié)省0.5 L燃油[2,3]。汽車輕量化的方法主要為材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩種，材料優(yōu)化是使用高性能或輕質(zhì)材料替代普通材料，例如使用高強鋼或鋁合金材料替代普通鋼鐵材料達到車身減重的目的；結(jié)構(gòu)優(yōu)化是通用對零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進和優(yōu)化達到減少材料用量[4,5,6]。汽車B柱內(nèi)板屬于鈑金件，很難通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)輕量化，采用材料優(yōu)化是比較合理的方法。高強鋼具有安全性高、成本低廉等優(yōu)點，是汽車輕量化用材應(yīng)用最廣泛的材料，但在冷沖壓成形中易出現(xiàn)開裂和回彈問題，為了解決這些問題，可采用熱沖壓成形技術(shù)[7,8]。在熱沖壓成形中板料初始溫度、模具初始溫度、壓邊力和沖壓速度等工藝參數(shù)對零件成形質(zhì)量有較大影響[9,10],因此，對熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化具有十分重要的意義。本文以某汽車B柱內(nèi)板為例，運用Dynaform軟件對熱沖壓成形中的板料初始溫度、模具初始溫度、壓邊力和沖壓速度進行優(yōu)化，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)，并完成模擬分析。

2 汽車B柱內(nèi)板熱沖壓成形仿真參數(shù)設(shè)計

2.1 有限元模型設(shè)計

圖1為某品牌汽車B柱內(nèi)板的三維設(shè)計圖。零件是位于汽車前門與后門的交界處，起著支撐和安全保護作用，需具備高強度和抗碰撞能力。零件呈T字形狀，尺寸為1 500 mm×500 mm×110 mm, 設(shè)計厚度為1.5 mm, 型面形狀復(fù)雜且拉延深度大，在成形過程中易出現(xiàn)開裂和回彈現(xiàn)象。

圖1 汽車B柱內(nèi)板的三維設(shè)計圖  

利用Dynaform軟件中的DFE模塊完成汽車B柱內(nèi)板工藝補充面和壓料面設(shè)計，并通過Tools模塊進行凸模、凹模、壓邊圈和坯料等工具的設(shè)計，在Setup模塊對各個工具進行定位及參數(shù)設(shè)置，完成有限元模型設(shè)計，如圖2所示。

圖2 有限元模型   

2.2 板料模型及參數(shù)設(shè)計

汽車B柱內(nèi)板設(shè)計材料為22MnB5高強度鋼，根據(jù)材料的各向同性可知，材料模型有*MAT_ELASTIC_PLASTIC_THERMAL(#4)和*MAT_ELASTIC_VISCOPLASTIC_THREMAL(#106)2種模型可選，同時還需要考慮材料在熱沖壓成形過程中熱力耦合和組織轉(zhuǎn)變下彈性變形，使用#106材料模型能更加準確反映材料性能與溫度變化的關(guān)系，可以提高成形仿真的精度，因此本實驗22MnB5高強度鋼板選用#106材料模型。22MnB5高強度鋼的性能隨溫度變化而變化，溫度變化范圍為0～1 000 ℃,實驗主要的各溫度點的彈性模量、泊松比、考珀·西蒙黏性影響系數(shù)(P和C)如表1所示。

表1 22MnB5高強度鋼實驗主要溫度點性能

3 汽車B柱內(nèi)板熱沖壓成形質(zhì)量優(yōu)化

3.1 熱沖壓成形質(zhì)量評價設(shè)計

汽車B柱內(nèi)板形狀復(fù)雜，拉深深度大，在成形中材料內(nèi)部發(fā)生滑移會造成板料厚度不均勻，造成零件開裂或折皺現(xiàn)象，可通過零件的最大減薄率和最大增厚率判別其是否合格。最大減薄率TL和最大增厚率TH為：

式中：t0為板料成形前的厚度；t1為板料成形后的厚度。最大減薄率達到一定值時，材料變形超過極限會發(fā)生開裂，嚴重影響零件的安全性，汽車B柱內(nèi)板的設(shè)計要求最大減薄率不超過15%,即TL≤15%;最大增厚率達到一定值時，材料會出現(xiàn)起皺或堆積，對零件的強度和有效性帶來影響，汽車B柱內(nèi)板設(shè)計要求最大增厚率不超過10%,即TH≤10%。

在熱沖壓過程中，板料在發(fā)生塑性變形過程中有部分區(qū)域仍是彈性變形，卸載后彈性變形會恢復(fù)原狀即回彈現(xiàn)象，回彈會影響零件的尺寸精度，造成零件無法順利安裝。可通過零件的最大回彈量評判其是否合格，最大回彈量N為：

式中：S為回彈件測量點位置；D為設(shè)計件測量點位置。汽車B柱內(nèi)板屬于多點位配合件，安裝精度要求高，最大回彈量要求不超過1 mm, 即N≤1 mm。

3.2 熱沖壓成形正交實驗設(shè)計

熱沖壓成形涉及多個工藝參數(shù)，如果將每個工藝參數(shù)都進行組合需要花費大量的時間。正交實驗是基于數(shù)理統(tǒng)計理論和正交性原理設(shè)計出具有代表性的實驗組合，能夠合理地減少實驗數(shù)量，是工藝分析中最常用的方法之一。

實驗選取板料初始溫度、模具初始溫度、壓邊力和沖壓速度作為試驗因素，以最大減薄率、最大增厚率和最大回彈量為評價目標完成熱沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化。板料初始溫度會影響板料進入奧氏體化和組織的均勻性，進而影響板料的成形性，根據(jù)22MnB5高強度鋼奧氏體化溫度(900～950 ℃)及板料加熱后到達模具成形需要一定時間會使溫度下降，本實驗板料初始溫度選取910,930,950 ℃;模具初始溫度會影響成形時板料溫度下降速度和模具的壽命，本實驗?zāi)＞叱跏紲囟冗x取50,80,110 ℃;壓邊力會影響板料在成形過程的流動性和模具的磨損程度，根據(jù)壓邊力的計算公式(式4)可得壓邊力為80～120 kN,本實驗壓邊力選取80,100,120 kN;沖壓速度會影響熱沖壓成形的效率和板料塑性變形程度，根據(jù)塑性變化理論和沖壓機設(shè)備參數(shù)，本實驗沖壓速度選取50,100,150 mm/s。各因素和各水平的取值范圍見表2。

F=A×P。 (4)

式中：F為壓邊力，kN;A為壓邊圈的面積，mm2;P為單位壓邊力，N/mm2。

表2 各因素和各水平的取值范圍 

3.3 熱沖壓成形正交實驗結(jié)果及分析

根據(jù)正交實驗設(shè)計原理完成4因素3水平的L9(34)正交實驗表，并將正交表中的各參數(shù)組合通過Dynaform軟件進行成形仿真和回彈分析，獲得零件的最大減薄率、最大增厚率和最大回彈量3個評價目標，如表3所示，零件的最大減薄率在9.27%～16.29%,方案3的最大減薄率為16.29%,超過設(shè)計要求(≤15%);零件的最大增厚率在8.45%～13.42%,方案4、方案5、方案8和方案9的最大增厚率超過設(shè)計要求(≤10%);零件的最大回彈量在0.53～0.89 mm, 所有方案的最大回彈量均符合設(shè)計要求(≤1 mm)。表4為各評價目標的極差分析統(tǒng)計表。根據(jù)最大減薄率的極差分析結(jié)果可知，以最大減薄率為評價指標時，影響零件最大減薄率的因素主次關(guān)系為模具初始溫度>板料初始溫度>沖壓速度>壓邊力，最優(yōu)工藝參數(shù)為模具初始溫度50 ℃、板料初始溫度930 ℃、沖壓速度100 mm/s、壓邊力80 kN;根據(jù)最大增厚率的極差分析結(jié)果可知，以最大增厚率為評價指標時，影響零件最大增厚率的因素主次關(guān)系為板料初始溫度>模具初始溫度>沖壓速度>壓邊力，最優(yōu)工藝參數(shù)為板料初始溫度910 ℃、模具初始溫度100 ℃、沖壓速度50 mm/s、壓邊力100 kN;根據(jù)最大回彈量的極差分析結(jié)果可知，以最大回彈量為評價指標時，影響零件最大回彈量的因素主次關(guān)系為壓邊力>模具初始溫度>沖壓速度>板料初始溫度，最優(yōu)工藝參數(shù)為壓邊力120 kN、模具初始溫度80 ℃、沖壓速度100 mm/s、板料初始溫度950 ℃。由上述分析可知，根據(jù)不同的評價目標熱沖壓最優(yōu)工藝參數(shù)不一致，因此需要進行多目標優(yōu)化，使各評價目標值同時達到最小值，利用Design-Expert軟件進行多目標優(yōu)化求解，獲得最優(yōu)工藝參數(shù)為板料初始溫度930 ℃、模具初始溫度80 ℃、壓邊力80 kN、沖壓速度100 mm/s。

表3 正交實驗結(jié)果統(tǒng)計

表4 各評價目標的極差分析統(tǒng)計

3.4 最優(yōu)工藝參數(shù)的仿真分析

將上述多目標優(yōu)化后的最優(yōu)工藝參數(shù)導入Dynaform軟件進行熱沖壓成形仿真和回彈分析，獲得零件的成形極限見圖3,厚度分布見圖4,回彈分布見圖5。

圖3 零件成形極限  

圖4 零件厚度分布   

圖5 零件回彈量分布

由圖3可知，零件成形極限大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，只有少部分區(qū)域處于起皺狀態(tài)，零件是內(nèi)板件少部分起皺不會對性能造成很大影響；由圖4可知，零件的最小厚度為1.349 mm, 最大厚度為1.606 mm, 對應(yīng)的最大減薄率為10.1%,最大增厚率為7.1%,2個評價指標均在允許范圍內(nèi)；由圖5可知，零件的最大回彈量為0.714 mm, 最大回彈發(fā)生在右上角區(qū)域，整體的回彈量分布符合零件后續(xù)的裝配要求。

4 結(jié)論

本文以某品牌汽車的B柱內(nèi)板件為實例，完成成形質(zhì)量評價設(shè)計，通過正交實驗和極差分析法，以最大減薄率、最大增厚率和最大回彈量為評價目標，求解出熱沖壓成形最優(yōu)工藝參數(shù)，并對最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行熱沖壓成形仿真和回彈分析，仿真結(jié)果表明零件最大減薄率為10.1%、最大增厚率為7.1%、最大回彈量為0.714 mm, 3個評價目標均符合設(shè)計要求，本文的優(yōu)化方案可以為同類零件的熱沖壓成形優(yōu)化提供參考。

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文章來源：成都工業(yè)學院學報