孫瑞波，常 喜

（北京汽車股份有限公司 汽車研究院，北京 101300）

0 引 言

熱成形技術(shù)是將超高強(qiáng)度鋼板成形和組織強(qiáng)化相結(jié)合的新工藝，在零件成形的同時(shí)實(shí)現(xiàn)組織轉(zhuǎn)變，既優(yōu)化了超高強(qiáng)度板的成形性，又實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)度的性能要求?，F(xiàn)以某車型前縱梁后段為研究對(duì)象，利用AutoForm 軟件進(jìn)行熱成形數(shù)值模擬。針對(duì)分析得出的成形缺陷優(yōu)化模型，再次進(jìn)行模擬分析得出結(jié)論，并按此方案開(kāi)發(fā)模具，試成形零件驗(yàn)證最終效果。

1 前縱梁后段分析模型的建立

圖1 所示為某車型的前縱梁后段，零件外形尺寸 為1 041 mm×142 mm×194 mm。材 料 牌 號(hào) 為22MnB5，料厚為1.6 mm。

圖1 前縱梁后段

1.1 工藝面幾何模型建立

先在CAD 軟件中建立工藝面幾何模型，再導(dǎo)入AutoForm軟件中進(jìn)行熱成形工藝的數(shù)值模擬分析。

1.1.1 沖壓方向選擇

合理的沖壓方向是保證零件成形性的前提，選擇沖壓方向應(yīng)充分考慮以下3點(diǎn)。

（1）零件整體型面的受力均衡性，避免在成形過(guò)程中出現(xiàn)明顯的側(cè)向力。

（2）零件整體成形深度的均勻性。保證零件整體型面成形開(kāi)始時(shí)間基本相同，避免在成形過(guò)程中出現(xiàn)起皺趨勢(shì)。

（3）側(cè)壁拔模斜度的合理性。零件側(cè)壁的拔模斜度應(yīng)不小于3°，且應(yīng)保證兩側(cè)的拔模斜角盡量對(duì)稱。綜合考慮上述因素，在CAD 軟件中零件的沖壓方向如圖2所示。

圖2 前縱梁后段沖壓方向

1.1.2 工藝補(bǔ)充型面建立

從圖2 可知，零件頂部的截面曲線長(zhǎng)度長(zhǎng)于下部法蘭邊的截面曲線長(zhǎng)度，成形過(guò)程中板料會(huì)因橫向受壓而在中部法蘭邊區(qū)域產(chǎn)生起皺趨勢(shì)。因此考慮在零件兩側(cè)的法蘭邊區(qū)域外各設(shè)置1個(gè)壓邊圈控制板料的進(jìn)料過(guò)程，壓邊圈型面由零件兩側(cè)的法蘭邊型面分別向外側(cè)延伸得到。通過(guò)壓邊圈型面和對(duì)應(yīng)的上模型面共同向板料施加壓料力，使板料在成形過(guò)程中保持平穩(wěn)成形，避免出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。

加熱狀態(tài)的板料與模具零件型面間的摩擦因數(shù)達(dá)到0.45，遠(yuǎn)大于沖壓摩擦因數(shù)0.15。如果壓料間隙與料厚一致，會(huì)導(dǎo)致板料在成形過(guò)程中受到過(guò)大的阻力而開(kāi)裂，所以壓料間隙需大于料厚0.5～1.0 mm，設(shè)為2.1 mm，可使成形過(guò)程中的板料在壓邊圈型面與上模型面之間呈波浪狀的接觸狀態(tài)，板料既受到了與模具零件型面摩擦產(chǎn)生的阻力而保持平穩(wěn)成形的狀態(tài)，又不會(huì)因阻力過(guò)大而發(fā)生開(kāi)裂。

為避免設(shè)置壓邊圈影響零件成形精度，將壓料面分界線設(shè)置在零件法蘭邊的外側(cè)。在CAD 軟件中建立的壓料面如圖3所示。

圖3 工藝面幾何模型

1.2 板料幾何模型建立

利用AutoForm 軟件展開(kāi)零件外形并增加10 mm 的激光切割余量后，得到的板料模型如圖4 所示。在板料模型中部設(shè)置1 個(gè)定位孔，直徑為φ14 mm，用于成形過(guò)程中板料定位。定位孔應(yīng)設(shè)置在零件型面的最高點(diǎn)，避免成形過(guò)程中因板料彎曲而發(fā)生定位孔與定位銷干涉導(dǎo)致定位孔變形的情況。

圖4 板料幾何模型

1.3 工具體幾何模型的建立

在AutoForm 軟件中建立工具體幾何模型，模型由凹模、上壓料板、凸模、壓邊圈、定位銷及擋料銷組成（見(jiàn)圖5）。

在成形開(kāi)始階段，壓邊圈被頂起70 mm，板料放置在凸模和壓邊圈上，由定位銷和擋料銷進(jìn)行定位。進(jìn)入成形階段后，隨著壓力機(jī)滑塊下行，上壓料板首先與板料接觸，壓迫板料與凸模頂部型面貼合，然后凹模下行與板料接觸，并與壓邊圈共同夾緊板料，最后在凹模、上壓料板、壓邊圈及凸模的共同作用下，板料被沖壓成形。

圖5 工具體幾何模型

2 數(shù)值模擬分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

熱成形數(shù)值模擬分析的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2.2 數(shù)值模擬分析結(jié)果

模擬分析結(jié)果有關(guān)成形性評(píng)估的主要指標(biāo)如表2所示。

表1 熱成形模擬分析參數(shù)

表2 分析結(jié)果評(píng)估主要指標(biāo)

圖6所示為成形結(jié)束時(shí)的板料減薄趨勢(shì)模擬結(jié)果，零件整體的減薄率均低于15%的極限值，減薄率合格，但零件中部的法蘭邊減薄率為正值，說(shuō)明此處存在起皺風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 板料減薄趨勢(shì)模擬結(jié)果

圖7 所示為距下止點(diǎn)5 mm 時(shí)的起皺趨勢(shì)模擬結(jié)果，零件中部的法蘭邊出現(xiàn)皺紋，潛在起皺趨勢(shì)最大值達(dá)到5.5%，超過(guò)了5%的標(biāo)準(zhǔn)極限值。起皺區(qū)域與圖6 中的板料增厚區(qū)域基本相同，結(jié)合兩項(xiàng)分析結(jié)果綜合判斷，此處會(huì)出現(xiàn)影響零件成形質(zhì)量的起皺缺陷。

圖7 距下止點(diǎn)5 mm時(shí)起皺趨勢(shì)模擬結(jié)果

3 改進(jìn)方案分析與討論

觀察成形模擬過(guò)程，在距下止點(diǎn)76 mm時(shí)，板料中部已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的壓縮和起皺趨勢(shì)（見(jiàn)圖8）。潛在起皺趨勢(shì)為2.9%。

圖8 距下止點(diǎn)76 mm時(shí)起皺趨勢(shì)模擬結(jié)果

上述問(wèn)題的產(chǎn)生原因?yàn)閴哼吶ξ茨芡耆刂瓢辶系倪M(jìn)料過(guò)程，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象所致。經(jīng)測(cè)量分析模型，壓邊圈緊鄰法蘭邊處的截面曲線長(zhǎng)度小于零件頂面的截面曲線長(zhǎng)度，測(cè)量曲線長(zhǎng)度如表3所示。成形過(guò)程中板料首先與凸模頂面接觸，在上壓料板的作用下，板料貼合凸模頂端，繼承了凸模頂端的截面曲線長(zhǎng)度。隨著成形繼續(xù)進(jìn)行，板料開(kāi)始與壓邊圈接觸，由于壓邊圈的截面曲面長(zhǎng)度小于板料的截面曲線長(zhǎng)度，板料在與壓邊圈的貼合過(guò)程中，板料中部受到橫向壓縮應(yīng)力，兩側(cè)的板料向中間移動(dòng)，導(dǎo)致起皺現(xiàn)象的發(fā)生。

表3 零件頂端與壓邊圈的截面曲線長(zhǎng)度 mm

針對(duì)以上原因分析，提出改進(jìn)方案如下：在零件法蘭邊兩側(cè)的壓料面上局部設(shè)置反檻型面，以增加壓邊圈截面曲線長(zhǎng)度，使反檻頂端的截面曲線長(zhǎng)度近似于零件頂端的截面曲線長(zhǎng)度，減輕成形過(guò)程中的板料壓縮趨勢(shì)，將多余的線長(zhǎng)吸收到反檻型面中，達(dá)到控制起皺趨勢(shì)的效果。在CAD 軟件中修改壓料面模型，如圖9 所示。測(cè)量后得到改進(jìn)后的壓邊圈曲線長(zhǎng)度如表4所示。

圖9 修改后的壓料面模型

表4 改進(jìn)后的壓邊圈截面曲線長(zhǎng)度 mm

4 改進(jìn)方案計(jì)算結(jié)果及最終成形零件驗(yàn)證

將改進(jìn)后的工藝面模型再次導(dǎo)入AutoForm 軟件進(jìn)行計(jì)算，參數(shù)設(shè)置與第一次計(jì)算相同，使用改進(jìn)方案后距下止點(diǎn)76 mm時(shí)的起皺趨勢(shì)模擬結(jié)果如圖10 所示。使用改進(jìn)方案后距下止點(diǎn)5 mm 時(shí)的起皺趨勢(shì)模擬結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后距下止點(diǎn)5 mm時(shí)的模擬結(jié)果

改進(jìn)前、后相同位置的潛在起皺趨勢(shì)對(duì)比情況如表5所示，改善后的潛在起皺趨勢(shì)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，證明改善方案有效，模擬結(jié)果合格。選擇根據(jù)改善后的方案開(kāi)發(fā)熱成形模，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沖壓試驗(yàn)，沖壓的各項(xiàng)參數(shù)如表6所示。

表5 改進(jìn)前、后的潛在起皺趨勢(shì)

表6 現(xiàn)場(chǎng)沖壓試驗(yàn)參數(shù)

最終得到的成形零件實(shí)物如圖12所示，零件的法蘭邊中部無(wú)起皺缺陷，表面質(zhì)量滿足要求。

圖12 最終零件實(shí)物

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用AutoForm 軟件對(duì)前縱梁后段的成形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析成形缺陷產(chǎn)生的原因，優(yōu)化壓邊圈型面，再次計(jì)算模擬。最終經(jīng)實(shí)物驗(yàn)證，數(shù)值模擬結(jié)果與成形零件實(shí)物質(zhì)量一致，表明數(shù)值模擬可以有效的分析熱成形工藝過(guò)程，提前識(shí)別起皺風(fēng)險(xiǎn)，避免出現(xiàn)成形缺陷。