【摘? ?要】? ?為實現(xiàn)某品牌汽車引擎蓋加強板的輕量化設計，利用等強度和等抗凹性原則將高強鋼HSLA350替換為鋁合金AA5182，零件重量下降了43.92%。以鋁合金AA5182為研究對象，結合數值模擬研究其熱沖壓成形性能，通過正交試驗結合LINGO軟件對其進行熱沖壓工藝參數多目標優(yōu)化，獲得影響零件成形質量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時間，最優(yōu)熱沖壓工藝參數為壓邊力50 kN、板料初始溫度510 ℃、模具溫度80 ℃、保壓時間3 s。以最優(yōu)熱沖壓工藝參數進行熱沖壓模擬試驗，結果表明零件成形質量較好，零件的最大減薄率為5.95%，最大回彈量為0.969 mm，最大減薄率和最大回彈量均符合零件設計要求。

【關鍵詞】? ?汽車輕量化；熱沖壓成形；輕質材料；成形性能

Optimization of Hot Stamping of Light Material Automobile Parts Based on Finite Element Method

Chen Mingfu

（Quanzhou Vocational and Technical University， Jinjiang 362268， China）

【Abstract】? ? In order to achieve a lightweight design of a certain brand of car hood reinforcement plate， high-strength steel HSLA350 was replaced with aluminum alloy AA5182 using the principles of equal strength and equal dent resistance， resulting in a 43.92% weight reduction in the parts. Taking aluminum alloy AA5182 as the research object， the hot stamping forming performance was studied through numerical simulation. The multi-objective optimization of hot stamping process parameters was carried out through orthogonal experiments and LINGO software. The main and secondary factors affecting the forming quality of the parts were obtained， including blank holding force， initial plate temperature， mold temperature， and holding time. The optimal hot stamping process parameters were blank holding force 50 kN， initial plate temperature 510 ℃， mold temperature 80 ℃， and holding time 3 seconds. The hot stamping simulation test was conducted using the optimal hot stamping process parameters， and the results showed that the forming quality of the part was good. The maximum thinning rate of the part was 5.95%， and the maximum rebound amount was 0.969 mm. Both the maximum thinning rate and the maximum rebound amount met the design requirements of the part.

【Key words】? ? ?automobile lightweight; hot stamping forming; lightweight materials; formability

〔中圖分類號〕? ?TG386? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）02- 0035 - 06

0? ? ?引言

汽車車身重量是影響汽車能耗的重要因素之一，當汽車車身重量下降10%時，油耗和尾氣排放量分別下降8%和4%［1，2］，因此，如何實現(xiàn)汽車輕量化是汽車企業(yè)研究的重點。汽車車身由金屬零件和非金屬零件組成，金屬零件包括結構件和覆蓋件等，其中覆蓋件占車身金屬零件的40%［3］，對汽車覆蓋件進行輕量化設計是減輕汽車整體重量的重要途徑。汽車輕量化主要有結構優(yōu)化、成形工藝優(yōu)化和材料優(yōu)化等方法。結構優(yōu)化是通過有限元軟件對結構件進行拓撲優(yōu)化設計減小零件的體積達到輕量化效果；成形工藝優(yōu)化是使用熱沖壓成形、超塑成形等先進成形技術提升零件的相關性能從而降低零件厚度達到輕量化目的；材料優(yōu)化是指通過采用輕質材料代替普通材料達到輕化量效果［4］。引擎蓋加強板屬于鈑金件無法采用結構優(yōu)化，材料優(yōu)化是實現(xiàn)汽車覆蓋件輕量化首選的方法［5］。目前，材料優(yōu)化主要使用的材料有鋁合金、高強鋼和鎂合金等，其中鋁合金由于具有耐腐蝕、密度低等特點而逐漸取代了高強鋼，成為覆蓋件輕量化首選的材料［6］。但是鋁合金板料在冷沖壓成形過程中容易出現(xiàn)開裂、回彈等缺陷，這些缺陷可通過熱沖壓成形方法緩解，由于熱沖壓成形涉及到多個工藝參數，不同的工藝參數選擇對零件質量影響極大，為了提高零件成形質量，對工藝參數進行分析和優(yōu)化具有重要意義。文中以某品牌汽車引擎蓋加強板為實例，利用等強度和等抗凹性原則將高強鋼HSLA350替換為鋁合金AA5182，并利用正交試驗結合LINGO軟件對其進行熱沖壓工藝參數多目標優(yōu)化，提高了零件的成形質量。

1? ? ? 引擎蓋加強板輕量化設計

引擎蓋加強板原設計材料為HSLA350，原設計厚度為1mm，選用輕量化材料為AA5182。表1為兩種材料的力學性能參數。

在確保零件的強度和抗凹性不減弱的前提下，為了減輕引擎蓋加強板的重量，可以將引擎蓋加強板的材料用鋁合金代替高強鋼［7-8］。為了使材料代替后引擎蓋加強板的2個指標滿足設計要求，可以通過改變鋁合金厚度實現(xiàn)［9-10］。

1.1? ?以強度為原則的引擎蓋加強板輕量化分析

材料由鋁合金代替后，為了使零件在外力的作用下強度不弱化，厚度按式（1）計算。

式中：[tal]為鋁合金板料的厚度（mm），[tst]為鋼板料的厚度（mm），[σal]為鋁板料的屈服強度（MPa），[σst]為鋼板料的屈服強度（MPa）。

由表1可知：[σal]=130MPa，σst=501 MPa由式（1）可得：tal=1*（501/130）1/2=1.96 mm ；則鋁合金板材厚度為1.96mm。

1.2? ?以抗凹性為原則的引擎蓋加強板輕量化分析

材料用鋁合金代替后，為了使零件在外力的作用下抗凹性的不弱化，厚度按式（2）計算。

式中：Eal為鋁合金板料的彈性模量（GPa）；Est為鋼板料的彈性模量（GPa）；C1為鋼板料比例系數，通常取1.2；C2為鋁板料比例系數，通常取0.8；

由表1可知：Eal=51 GPa，Est=236.1 GPa；由式（2）可得：tal=1*（1.2×236.1/0.8×51）1/3=1.91 mm ；則鋁合金板材厚度為1.91 mm。

通過上述2種計算方法可知鋁合金板厚度分別為1.96 mm、1.91 mm，為同時滿足零件的2個指標性能，零件厚度需要同時符合2個指標要求，并且需符合鋁合金板生產規(guī)格，因此，厚度選用2.0 mm。通過UG軟件對零件模型重量進行估計，可得采用鋼材料時零件重量為7.56 kg，采用鋁材料時零件重量為4.24 kg，使用鋁材料代替鋼材料后重量減輕了3.32 kg，輕量化比率為43.92%，有效實現(xiàn)了輕量化設計。

2? ? ?引擎蓋加強板熱沖壓成形工藝優(yōu)化

2.1? ?有限元模型設計

引擎蓋加強板是汽車重要的零件，起著支撐引擎蓋外板的作用，要求零件有較高的強度和抗凹性能。圖1為某款汽車引擎蓋加強板的設計模型，長為1890 mm、寬為940 mm，外輪廓呈仿矩形狀，左右兩側對稱結構，零件曲面造型較復雜，多處有凸起和凹槽特征，要求成形后零件最大減薄率不超過10%，最大回彈量不超過1 mm。

將引擎蓋加強板設計模型導入Dynaform軟件，通過DFE模塊中的DFE預處理完成沖壓方向選定、零件中間區(qū)域的填充以及外輪廓的光順處理；通過DFE壓料面模塊完成壓料面設計；通過DFE工藝補充模塊完成零件與壓料面之間的工藝補充面設計，完成凹模模面設計；利用工具模塊在凹模模面基礎上偏置出凸模和壓邊圈，利用毛坯生成器完成板料毛坯；對凹模、凸模、壓邊圈以及板料進行定位，并設置拉延工藝參數，完成限元模型創(chuàng)建，如圖2所示。

2.2? ?試驗方案設計

鋁合金熱沖壓成形質量與板料初始溫度、模具溫度、壓邊力、沖壓速度以及保壓時間等參數有關，為了減少各參數組合試驗次數和試驗成本，可以通過選擇具有代表性的試驗樣本點進行正交試驗分析。

本試驗選取板料初始溫度、模具溫度、壓邊力、保壓時間作為正交試驗因素，以最大減薄率和最大回彈量為優(yōu)化目標，對熱沖壓成形工藝參數進行最優(yōu)求解。板料初始溫度是指板料與模具接觸時刻的初始溫度，AA5182鋁合金的固溶溫度為480℃～640℃，考慮到板料加熱成本及加熱誤差，板料初始溫度水平選為510 ℃、560 ℃、610 ℃；模具溫度是指在沖壓過程中模具的溫度，模具溫度通常為50 ℃，但由于在沖壓過程中板料的溫度會向模具傳導，因此本試驗模具溫度水平選為50 ℃、80 ℃、110 ℃；壓邊力是指在沖壓過程中壓邊圈施加于模具上的力，根據壓邊力計算公式（式1）可得壓邊力為45 kN～105 kN，鋁合金加熱后塑性流動性較好，只需較小的壓邊力就可以控制材料的流動性，因此本試驗壓邊力水平選為45 kN、55 kN、65 kN；保壓時間是指熱沖壓完成后模具持續(xù)閉合的時間，通常保壓時間為2～10 s，結合該零件的特征本試驗保壓時間水平選為3 s、6 s、9 s；試驗因素和水平如表2所示。

[F=n×A×P ]? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：[F]為壓邊力（kN）；[n]為加熱系數，通常取0.13；[A]為壓邊圈的面積（mm2）；[P]為單位壓邊力（MPa）。

2.3? ?試驗結果分析與參數最優(yōu)化

將各試驗因素和水平進行組合可設計出L9（34）正交試驗表，得到9組參數組合，把9組參數組合通過Dynaform進行模擬，獲得各組參數零件的最大減薄率和最大回彈量的結果，如表3所示。從表3可知，零件的最大減薄率在8.61%～14.83%之間，方案3、5、7的最大減薄率超過設計允許值；零件的最大回彈量在0.89～1.05 mm之間，方案1、4、6、8的最大回彈量超過設計允許值。

極差分析是正交試驗最常用的數據分析方法，通過極差分析可以獲得各因素對評價目標的影響程度。表4為正交試驗結果的最大減薄率極差分析表，從表4可知影響零件的最大減薄率主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時間。圖3為各因素對零件最大減薄率的影響趨勢圖，從圖3可知隨著板料初始溫度的增加，零件的減薄率隨之增加，這是由于材料初始溫度越高材料流動性越好，沖壓時零件側壁材料會向低洼區(qū)域流動容易造成零件側壁發(fā)生開裂，因此在其他指標符合要求下應盡量選較低的材料初始溫度；隨著模具溫度的增加，零件的減薄率呈下降趨勢，但整體下降幅度不大，因此在條件允許情況下應選用較高的模具溫度；隨壓邊力的增加，零件減薄率呈急劇增加的趨勢，這是由于壓邊力增大加大了板料與模具的流動阻性，造成材料局部減薄，因此應選用較小壓邊力；保壓時間對最大減薄率的影響最小，隨著保壓時間的增加零件減薄率呈上升后下降趨勢，變形幅度較小，考慮到保壓時間的長短會影響企業(yè)的生產效率，在條件允許的情況下應選用較短的保壓時間。由此可以得最優(yōu)參數為壓邊力45 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度110℃、保壓時間3 s。

表5為正交試驗結果的最大回彈量極差分析表，從表5可以看出影響零件的最大回彈量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、保壓時間、模具溫度。圖4為各因素對零件的最大減薄率影響趨勢圖，從圖4可知隨著板料初始溫度的增加零件的最大回彈量呈下降趨勢，這是由于板料溫度增加后材料中的組織軟化，沖壓成形時塑性變形更充分；模具溫度的變化對最大回彈量影響的趨勢呈平穩(wěn)上升變化，在實際加工選用低溫模具溫度有利于節(jié)能同時也有利于回彈控制；隨著壓邊力的增加，最大回彈量呈急劇下降的趨勢，這是由于壓邊力增大有利于控制材料流動性，增大了材料的塑性變形的程度，因此增加壓邊力是減少該零件回彈量的主要考慮因素；保壓時間對該零件最大回彈量影響趨勢呈平穩(wěn)緩慢上升變化，因此應選較小的保壓時間。由此可以得最優(yōu)參數為壓邊力65 kN、板料初始溫度610 ℃、保壓時間3 s、模具溫度50 ℃。

2.4? ?基于LINGO的熱沖壓成形工藝參數多目標優(yōu)化

由上述分析可知不同的優(yōu)化目標，工藝參數并不完全一致，因此需要對其進行多目標優(yōu)化。本次試驗的優(yōu)化目標是將最大減薄率和最大回彈量同時控制在最小值。由加權評分法，可構造目標函數 [F（x）]，工藝參數多目標優(yōu)化模型如式2。利用LINGO軟件，對多目標優(yōu)化模型進行最優(yōu)求解，獲得影響零件成形質量主次因素為壓邊力、板料初始溫度、模具溫度、保壓時間；最優(yōu)工藝參數為壓邊力50 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度80℃、保壓時間3 s。

式中：[F（x）]為優(yōu)化目標函數；[?1]、[?2]為熱沖壓權重系數，通常取值分別為0.7、0.3，[Y1（x）]、[Y2（x）]分別為最大減薄率和最大回彈量；A、B、C、D分別為板料初始溫度、模具溫度、壓邊力以及保壓時間的取值范圍。

2.5? ?最優(yōu)工藝參數仿真分析

通過上述分析可知，最優(yōu)參數為壓邊力50 kN、板料初始溫度510℃、模具溫度80℃、保壓時間3 s。將最優(yōu)參數通過Dynaform軟件進行拉延分析、切邊分析以及回彈分析，獲得零件成形極限圖、厚度分布圖和回彈分布圖分別如圖5、圖6和圖7所示。從圖5可以看出零件大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)，少部分區(qū)域有起皺風險和成形不足，由于零件是加強板，不會影響到其性能。從圖6可以看出零件減薄主要是發(fā)生在各特征的圓角處，零件厚度在1.881 mm～2.023 mm之間，零件最大減薄率為5.95%，零件減薄率符合設計要求。從圖7可以看出零件最大回彈發(fā)生在右上角處，最大回彈量為0.969 mm，大回彈量符合設計要求。

3? ? ?結論

本文以某品牌汽車引擎蓋加強板為實例，完成了材料輕量化設計，通過正交試驗結合LINGO軟件對輕質材料進行熱沖壓工藝參數的多目標優(yōu)化，獲得該零件熱沖壓成形最優(yōu)工藝參數，并完成了沖壓成形仿真，仿真結果表明零件大部分區(qū)域處于安全狀態(tài)，少部分區(qū)域有起皺風險和成形不足；零件的減薄主要是發(fā)生在各特征圓角處，零件厚度在1.881 mm～2.023 mm之間，零件的最大減薄率為5.95%，零件的減薄率符合設計要求；零件的最大回彈發(fā)生在右上角處，最大回彈量為0.969 mm，最大回彈量符合設計要求。

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[收稿日期]? ?2023-02-17

[基金項目]? ?汽車清潔能源福建省高校應用技術工程中心2022年度開放課題“基于智能車輛安全性控制關鍵技術研究”（CQJNY22-04）

[作者簡介]? ?陳明福（1981- ），男，泉州職業(yè)技術大學副教授，研究方向：車輛工程、汽車電子。