夏磊，段磊,，朱娜，王碩，趙思宇，李慶寶

（1.天津職業(yè)技術師范大學機械工程學院，天津300222；2.天津眾誠楷?？萍加邢薰?，天津300350）

1 引言

節(jié)能減排已成為現(xiàn)代汽車企業(yè)主要的發(fā)展方向，汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的主要途徑之一[1]。高強度鋼板由于其具有減輕整車重量和提高整車安全性的雙重優(yōu)勢，目前，在汽車車身覆蓋件的制造中應用廣泛[2]。然而，高強鋼板由于具有較高的強度，其成形難度較大，在沖壓成形過程中易出現(xiàn)破裂、起皺等問題，在成形卸載后易出現(xiàn)較大的回彈且尺寸精度不易控制，最終導致沖壓件的形狀和尺寸超差等質量缺陷[3~4]。因此，基于數(shù)值模擬的虛擬制造技術能夠對高強鋼板的沖壓成形過程進行仿真[4]，預測其成形缺陷，特別是回彈大小的預測，并進行成形工藝優(yōu)化及回彈控制，可以有效地提升汽車覆蓋件質量。

本文以B340/590DP雙相高強度鋼板汽車前保險杠橫梁制件為研究對象，分析了制件的結構和成形工藝性；利用板料成形模擬軟件Dynaform對制件的沖壓成形過程進行了全工序及回彈仿真分析；以成形性、減薄率和回彈量為優(yōu)化目標，對制件主要的沖壓成形工藝參數(shù)進行了正交試驗優(yōu)化設計，得出了成形性好、減薄率最小、回彈量最小的一組最佳工藝參數(shù)組合；將工藝參數(shù)優(yōu)化后的制件樣件通過Geomagic軟件與制件設計數(shù)字模型進行對比分析，以驗證工藝參數(shù)優(yōu)化的正確性及工藝控制法控制回彈的有效性，為解決同類別雙相高強度鋼制件的沖壓成形及回彈問題提供有益的指導。

2 制件工藝性分析

圖1為汽車前保險杠橫梁制件模型，整體尺寸為1,065.4×145.5×113.5mm，呈弧形長條狀，長寬比較大，但長度方向上不同位置的截面變化不大[2]，較規(guī)則，均為“M”字型形狀。制件材料為雙相高強鋼B340/590DP，厚度為1.6mm，要求無破裂及起皺缺陷，尺寸精度滿足±1.5mm，材料力學性能參數(shù)如表1所示。該制件為典型的梁架類結構件，安裝于汽車前部，當汽車前部發(fā)生撞擊時起到防止車體變形和吸收沖擊能量的作用[5]。

圖1 前保險杠橫梁制件圖

表1 材料力學性能參數(shù)

如圖1所示，汽車前保險杠橫梁制件狹長而窄，呈弧形，中間“U”型結構深度較大，上下兩側法蘭邊為焊裝功能匹配面[5~6]，尺寸精度要求較高，可以預估成形后左右兩端向外側產生回彈，因此，在保證制件成形性的前提下需采取措施控制回彈，以保證上下兩側法蘭邊的焊裝尺寸精度[3]。結合該制件材質、料厚及形狀特點，若采用拉伸方式，上下兩側法蘭邊可以做在壓料面上，也可以做在凸模型上，做在壓料面上不利于控制回彈保證尺寸精度[3]，做在凸模型上不利于中間“U”型結構的成形，易出現(xiàn)破裂，故采用凸模、凹模無壓邊直接成形的方式。凸模、凹模的分模面設計在制件的中間位置且長度方向隨著制件的弧形走勢。由于制件左右兩端局部需側修邊，其它部位為正修邊，故可將修邊對稱布置于兩道工序中，以保證制件修邊后應力均勻釋放[2]。制件上的孔主要分布在中心和左右兩端上表面上，且正沖孔與側沖孔互不干涉，故可在同一道工序中將所有孔沖出[2]?？紤]到要減小回彈，最后安排制件的全型面整形工序[2]。

綜合以上分析，為了保證汽車前保險杠橫梁制件的成形質量和精度，設計制件的沖壓工藝過程如圖2所示：①OP10成形；②OP20修邊；③OP30修邊+沖孔+側修邊+側沖孔；④OP40整形。

圖2 沖壓工藝布置

3 全工序仿真模擬驗證

3.1 建立有限元模型

將UG設計好的汽車前保險杠橫梁制件成形工藝模面導入到Dynaform軟件中，按照制訂的沖壓工藝過程完成全工序有限元模型的建立[7]，如圖3所示。其中，圖3a為OP10成形工序，凸模、凹模網(wǎng)格劃分保持默認參數(shù)值；板料成形類型選擇無壓邊直接成形；板料尺寸為1,200×250mm，網(wǎng)格劃分大小為20×20，材料從材料庫中選擇B340/590DP，并選擇37號厚向異性彈塑性材料模型。由于成形工藝模面弧度較大，為了確保板料在成形過程中不發(fā)生偏移，需要在板料每邊設置2個擋料銷[4]。根據(jù)實踐經(jīng)驗設置全工序初始工藝參數(shù)：摩擦系數(shù)為0.17，凸、凹模間隙為1.1t=1.76mm（t為料厚），沖壓速度為1,000mm/s。圖3b為OP20修邊工序。圖3c為OP30修邊&沖孔&側修邊&側沖孔工序，將修邊線和沖孔孔線依次導入Dynaform模擬修邊、沖孔過程即可，而側修邊、側沖孔除了要導入側修邊線和側沖孔線以外，還需要導入側修邊、側沖孔的方向指引線，將工藝補充廢料和內孔沿制件邊緣切除。圖3d為整形工序，需要設定整形凹模、整形凸模和壓料芯，整形凹模支撐板料，壓料芯壓住板料，整形凸模向下運動完成制件的全型面整形。

圖3 全工序有限元模型

3.2 仿真模擬結果分析

汽車前保險杠橫梁制件全工序成形仿真有限元模型建立完畢后，就可以提交Dynaform求解器進行模擬計算，得到制件的成形模擬結果如圖4所示，修邊、沖孔、側修邊、側沖孔、整形模擬結果如圖5所示，回彈模擬結果如圖6所示。從圖4制件的成形性分析和減薄率分布云圖可知，修邊線以內的制件出現(xiàn)了破裂缺陷，對應的最大減薄率為25.214%，無起皺或大面積成形不足等缺陷。從圖5制件的整形模擬結果云圖可知，修邊、沖孔、側修邊、側沖孔不會影響制件的成形及應力狀態(tài)，整形后制件出現(xiàn)破裂的部位已發(fā)生在OP10成形工序中，除破裂部位以外的其它部位均無破裂、起皺或大面積成形不足等缺陷，可以確定修邊、沖孔、側修邊、側沖孔、整形等工藝設計是合理可行的。圖6為制件整形后的回彈分布云圖，以Z軸為參照，沿正方向向制件外側回彈量為正值，沿負方向向制件內側回彈量為負值，可以得出制件的最大回彈量為1.218mm，且左右兩側的回彈趨勢和數(shù)值相差不大，從仿真模擬結果得知，采用前述的初始工藝參數(shù)可以將制件的回彈量控制在一個比較小的范圍內，這對于后期的回彈控制是有利的[3]。

圖4 成形模擬結果

圖5 整形模擬結果

圖6 回彈模擬結果

4 工藝參數(shù)優(yōu)化

從圖4汽車前保險杠橫梁制件的成形模擬結果可以看出，由于雙相高強度鋼板本身具有較高的屈服強度及抗拉強度，在全工序初始工藝參數(shù)的條件下，制件成形后出現(xiàn)了破裂缺陷，直接影響到后序制件的質量以及最終制件的品質[8]。這說明初始工藝參數(shù)設定不合理，需要進一步優(yōu)化，先解決破裂問題，保證制件的成形質量，然后在此基礎上，控制最大回彈量在允許的范圍內[9]。

4.1 正交試驗設計

對汽車前保險杠橫梁制件成形質量的影響是多個工藝參數(shù)綜合作用的結果[10]。若采用單因素優(yōu)化法，則需要對每個工藝參數(shù)進行非常多次的組合試驗，雖然能夠得到最佳的工藝參數(shù)組合，但耗費的時間和精力是巨大的。若采用正交試驗優(yōu)化法，則不僅可以大大減少試驗次數(shù)，而且可以分析出各個工藝參數(shù)對制件成形質量影響的主次順序，從而獲得最佳的工藝參數(shù)組合[11]。本文結合實際生產情況，采用正交試驗優(yōu)化法對汽車前保險杠橫梁制件的成形工藝參數(shù)進行優(yōu)化，選取成形速度（因素A），凸、凹模間隙（因素B），摩擦系數(shù)（因素C）作為正交試驗影響因素，每個因素設定3個水平量，建立3因素3水平的正交表[8]，如表2所示。

表2 試驗因素和水平表

4.2 正交試驗結果

以成形性、最大減薄率和最大回彈量作為汽車前保險杠橫梁制件成形質量的評價目標，根據(jù)正交試驗優(yōu)化方法設計9組試驗方案[12]，并按照各方案工藝參數(shù)設計，通過Dynaform軟件進行制件沖壓成形的全工序及回彈仿真模擬。只考慮制件內部的破裂程度和最大回彈量來分析各工藝參數(shù)的合理性[10]，試驗結果如表3所示。

表3 正交試驗設計及結果

4.3 試驗結果分析

為了對比成形速度，凸、凹模間隙和摩擦系數(shù)3個因素對汽車前保險杠橫梁制件最大減薄率和最大回彈量的影響，對正交試驗結果采用極差法進行分析，如表4所示。其中，Kij表示第i號水平第j列因素試驗結果之和；K為極差，表示各因素的Kmax與Kmin之差，反映各因素的水平量變化對結果的影響程度，K值越大，表明該因素對結果影響越大[10]。

表4 極差法分析試驗結果

從表4可以得知，在成形速度，凸、凹模間隙，摩擦系數(shù)3個因素中，對制件最大減薄率影響從大到小的順序依次為凸、凹模間隙>摩擦系數(shù)>成形速度，且當最大減薄率大于22.679%時，制件發(fā)生了破裂；對制件最大回彈量影響從大到小的順序依次為摩擦系數(shù)>成形速度>凸、凹模間隙。建立各因素與制件最大減薄率之和、最大回彈量之和之間的關系如圖7所示，可以看出，最大減薄率之和隨成形速度增大而增大，隨凸、凹模間隙增大而減小，隨摩擦系數(shù)增大而增大；最大回彈量之和隨成形速度增大而增大，隨凸、凹模間隙增大而增大，隨摩擦系數(shù)增大而減小。

圖7 正交試驗因素與評價目標的關系

4.4 最佳工藝參數(shù)確定

綜合以上分析，根據(jù)各因素對汽車前保險杠橫梁制件最大減薄率影響的分析結果確定最佳工藝參數(shù)組合為A1B3C1，即成形速度為1,000mm/s，凸、凹模間隙為2.08mm，摩擦系數(shù)為0.12；根據(jù)各因素對制件最大回彈量影響的分析結果確定最佳工藝參數(shù)組合為A1B1C3，即成形速度為1,000mm/s，凸、凹模間隙為1.76mm，摩擦系數(shù)為0.17。由于最佳工藝參數(shù)組合A1B1C3為初始設置的工藝參數(shù)組合，前文已通過模擬驗證制件成形后出現(xiàn)破裂缺陷，最大減薄率25.214%，故不予采用。最終確定最佳工藝參數(shù)組合為A1B3C1，采用該工藝參數(shù)組合得到制件沖壓成形的全工序及回彈仿真模擬結果如圖8所示。從模擬結果中可以看出，制件成形后無破裂及起皺等缺陷，最大減薄率降為19.861%，比優(yōu)化前減小了5.353%；制件整形后也無破裂及起皺等缺陷，最大回彈量增至1.428mm，雖然比優(yōu)化前增加了0.21mm，但仍在制件尺寸精度控制的范圍內。

圖8 最佳工藝參數(shù)組合模擬結果

5 工藝優(yōu)化驗證

基于優(yōu)化所得的最佳工藝參數(shù)，利用逆向檢測設備掃描回彈后無破裂及起皺缺陷的汽車前保險杠制件樣件獲取型面數(shù)據(jù)，并導入到Geomagic軟件中與制件產品工藝模面數(shù)字模型作對比，如圖9所示，得到樣件的回彈量分布結果。從圖9可以看出，樣件左右兩端的區(qū)域沿Z軸正方向向外側回彈，中間的區(qū)域沿Z軸負方向向內側回彈，樣件的回彈趨勢與模擬結果基本一致。將樣件的回彈檢測值與模擬值作對比，如表5所示，雖然同一檢測點的回彈檢測值與模擬值存在一些偏差，但偏差值基本上都在±0.5mm以內，且制件的最終尺寸精度也滿足要求，進一步驗證了優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)可以達到控制回彈的目的。

表5 回彈檢測值與模擬值的對比

圖9 回彈后樣件與工藝數(shù)模的對比

6 結論

（1）以B340/590DP雙相高強鋼板汽車前保險杠橫梁制件為研究對象，設計了該制件的沖壓工藝過程為：成形、修邊、修邊沖孔側修邊側沖孔、整形。利用有限元軟件Dynaform對該制件的沖壓成形過程進行了全工序及回彈仿真模擬，結果顯示，在全工序初始工藝參數(shù)條件下，制件成形后雖出現(xiàn)了破裂缺陷，但最大回彈量卻在尺寸精度控制范圍內，這表明優(yōu)化工藝參數(shù)不僅可以改善制件的成形質量，而且有利于控制制件的回彈。

（2）通過正交試驗優(yōu)化法分析成形速度，凸、凹模間隙，摩擦系數(shù)3個工藝參數(shù)對制件最大減薄率影響的主次順序為：凸、凹模間隙>摩擦系數(shù)>成形速度，對制件最大回彈量影響的主次順序為：摩擦系數(shù)>成形速度>凸、凹模間隙。得出了最佳的工藝參數(shù)組合為：成形速度1,000mm/s，凸、凹模間隙2.08mm，摩擦系數(shù)0.12，其全工序及回彈仿真模擬結果均滿足制件要求。

（3）基于最佳工藝參數(shù)對比制件樣件的回彈檢測值與回彈模擬值，最終尺寸精度滿足要求，進一步驗證了工藝參數(shù)優(yōu)化的正確性及工藝控制法控制回彈的有效性。