文/陳松，劉鵬，羅洪松，馬梨哲，王飛，武涵曦·東實(武漢)實業(yè)有限公司

隨著人類文明的進步、社會的發(fā)展，地球能源問題、環(huán)境污染問題日益嚴峻，節(jié)能減排迫在眉睫，人們開始研發(fā)新型能源以及可再生能源，如氫能源、光能源、風(fēng)能源等低污染可再生資源。對于汽車行業(yè)，自2004 年發(fā)布實施第一版《乘用車燃料消耗量限值》開始，節(jié)能減排成為了汽車研發(fā)的重要指標(biāo)之一，目前執(zhí)行的2020 年乘用車第四階段燃料消耗量標(biāo)值，要求新車平均油耗在5L/100km 內(nèi)，執(zhí)行新歐循環(huán)駕駛工況。因此在乘用汽車的節(jié)能減排上，局勢同樣嚴峻，既要保證節(jié)約能源、減少排放，同時也需要滿足駕駛體驗以及駕駛安全，人們從發(fā)動機、變速器、電氫新能源、混合能源、汽車減重以及動力曲線優(yōu)化等方面進行探索，尋求技術(shù)突破，更快捷、更高效的在保證使用性能的情況下進行節(jié)能減排。

在汽車正常行駛的過程中，對于傳統(tǒng)燃油車而言，動力來自于發(fā)動機提供的動能，發(fā)動機將燃料壓縮點火產(chǎn)生的爆炸能量轉(zhuǎn)換為動能，傳動系統(tǒng)將動能傳遞給輪胎，為汽車行駛提供能量。假設(shè)燃料本身蘊含100%的能量，發(fā)動機中燃料壓縮點火產(chǎn)生的有效動能僅有30%，有70%的能量轉(zhuǎn)換為熱能損失，傳動系統(tǒng)有20%的能量損失，輪胎有40%的動力損失，發(fā)動機能量轉(zhuǎn)換效率損失、傳動系統(tǒng)傳動損失、輪胎滾動阻力損失、空氣阻力損失、制動摩擦力阻力損失使可利用的動能降低。隨著近些年汽車技術(shù)的升級，動力轉(zhuǎn)換比例有所提升，想要快速提升汽車性能以及實現(xiàn)節(jié)能減排，需要從汽車發(fā)動機入手，目前發(fā)動機的動能轉(zhuǎn)換效率仍有很大進步空間，降低汽車整車重量可以在同樣行駛距離以及動力表現(xiàn)下消耗更少的燃料以及更少的碳排放，整車重量減輕10%，油耗就可以減少4%到6%，碳排放也可以降低3%到4%左右，至于汽車傳動系統(tǒng)、輪胎摩擦阻力以及風(fēng)阻雖然也有進步空間，但是對于日常家用車而言，在不增加成本的情況下很難再有突破性進展，因此最直接的方式就是升級發(fā)動機和降低汽車整體重量，這對于電動汽車而言同樣適用，電能的轉(zhuǎn)換效率同樣存在很大進步空間，而技術(shù)的突破存在瓶頸。因此，汽車減重是實現(xiàn)節(jié)能減排的最優(yōu)解決方案。

產(chǎn)品特性及材料性能

汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的主導(dǎo)方向之一，在白車身上使用高強度薄板既可滿足汽車輕量化要求，同時也滿足汽車的安全性能，拼焊板是高強度薄板的技術(shù)革新，更進一步減輕了產(chǎn)品重量，同時不影響汽車安全性。本文以某車型B 柱內(nèi)板為研究對象，根據(jù)以往開發(fā)經(jīng)驗，B 柱內(nèi)板在成形過程中容易出現(xiàn)開裂、起皺、減薄、回彈超差等缺陷。利用有限元模擬軟件，對B 柱內(nèi)板進行成形性分析以及回彈分析，根據(jù)分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及開發(fā)，最后根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試情況分析、整改及消除問題點，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

本文中B 柱內(nèi)板所使用的材料為HC420/780DP，厚度為1.2mm 和1.5mm 的激光拼焊產(chǎn)品，如圖1 所示，材料的屈服強度在420 ～550MPa 之間，抗拉強度不小于780MPa，斷后伸長率A80不小于14%。

圖1 產(chǎn)品數(shù)據(jù)

由于高強拼焊板的特殊性，材料的力學(xué)性能和拼焊區(qū)域強度直接影響零件成品狀態(tài)，針對零件板料進行了拉伸試驗確定材料力學(xué)性能，兩種拼焊材料分別進行了三組拉伸試驗，圖2 為t=1.2mm 試驗材料，圖3 為t=1.5mm 試驗材料，圖4 為材料拉伸曲線及結(jié)果，由此可以得出材料力學(xué)性能合格，通過對焊縫位置的拉伸試驗可得出焊縫位置力學(xué)性能滿足要求，拉伸斷裂位置不在焊縫區(qū)域。

圖2 HC420/780DP，t=1.2mm 試驗料片

圖3 HC420/780DP，t=1.5mm 試驗料片

圖4 HC420/780DP 拉伸試驗曲線

產(chǎn)品成形性分析及優(yōu)化

根據(jù)產(chǎn)品特性，先初步對B 柱內(nèi)板進行工藝排布，工藝為拉延成形→修邊沖孔→翻孔整形→翻孔整形沖孔→修邊沖孔側(cè)修邊，五工序完成加工出成品件，根據(jù)工藝排布利用有限元分析軟件對產(chǎn)品進行成形性分析。如圖5 所示，零件側(cè)面輪廓形狀是一個弧形，這對沖壓成形是非常不利的，若以沖壓方向1為實際沖壓方向，產(chǎn)品壓料面及工藝補充面是呈凹陷的弧面，在模擬分析的過程中，零件凹陷最低點周圍由于多料，且材料無法向外拉伸造成起皺及拉延不充分的缺陷；若以沖壓方向2 為實際沖壓方向，產(chǎn)品壓料面及工藝補充面是呈凸起拱形，雖然可以解決產(chǎn)品成形過程中的起皺問題和成形不充分問題，但是產(chǎn)品翻邊立面高度為60mm，壓料面與成形底面階梯較大，成形過程必然會有開裂減薄的風(fēng)險。由于開裂問題在產(chǎn)品開發(fā)中不允許出現(xiàn)，而輕微的起皺可以接受，并且起皺通過增加壓邊力、設(shè)置拉延筋以及優(yōu)化補充面等方式解決，因此選用沖壓方向1作為實際沖壓方向。

圖5 零件沖壓方向

產(chǎn)品工藝面設(shè)計如圖6 所示，工藝補充面從最低點向外延伸，盡量保證壓料面弧度平緩及拉延高度一致，另外由于產(chǎn)品為不同厚度的拼焊板，避免在壓料過程中出現(xiàn)部分區(qū)域不壓料的情況，因此壓料面需要做成階梯壓料面，保證壓料面均勻受力。

圖6 產(chǎn)品工藝面

按照初步工藝排布針對產(chǎn)品展開分析，成形過程如圖7 所示，產(chǎn)品成形性分析過程中，并沒有出現(xiàn)明顯開裂減薄風(fēng)險，但在拉延到底前60mm 時產(chǎn)品開始起皺，原因是前面提到的成形凹面走料不均勻。想要消除起皺，需要針對壓邊力、工藝型面、拉延筋等多方面調(diào)整，工藝參數(shù)對成形過程影響極大，壓邊力的大小以及壓邊圈受力均勻性會影響產(chǎn)品起皺、減薄趨勢，對于工藝面深度大的時候，起皺與減薄開裂的風(fēng)險更容易發(fā)生，合理控制壓邊力大小，是控制風(fēng)險的最有效措施之一。

圖7 產(chǎn)品成形過程

經(jīng)測量，產(chǎn)品模具工藝面L=7000mm，S=80mm，根據(jù)壓邊力計算公式可以得出，F(xiàn)=1400kN，而在利用有限元分析軟件進行初步的成形性分析中，分析結(jié)果壓邊力也是1400kN，因此壓邊力選用1400kN。

確定壓邊力后將壓邊力導(dǎo)入軟件中，由于產(chǎn)品起伏比較大，翻邊立面較高，因此在拉延筋的布置中，不僅要控制材料走料來控制起皺趨勢，還要在合適的位置增大流料來控制產(chǎn)品減薄，拉延筋直接影響材料的走料情況，對產(chǎn)品成形性至關(guān)重要，拉延筋一般布置在直線位置和深度較淺的位置，圓弧拐角區(qū)域不利于布置拉延筋，本文產(chǎn)品因型面起伏比較大，拉延筋的布置采用間斷式，拉延筋一共分為10 段，主要布置在產(chǎn)品模面的直線部位，拐角區(qū)域因需要控制成形充分性以及疊料情況，布置了少量拉延筋，如圖8 所示。

圖8 拉延筋布置

利用現(xiàn)有參數(shù)，在有限元分析軟件的分析結(jié)果中，零件存在輕微的起皺情況，起皺趨勢不明顯，但是考慮到實際生產(chǎn)中的差異性，在實際生產(chǎn)中，有可能存在起皺趨勢嚴重且無法通過微調(diào)拉延筋、壓邊力以及型面等方式控制起皺，因此在模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計中需要有備用方案來控制起皺，經(jīng)分析驗證，在起皺區(qū)域增加壓料鑲塊可以基本消除產(chǎn)品起皺，如圖9 所示。在有限元分析軟件中驗證控制起皺效果理想，但在尾部廢料區(qū)域有輕微起皺現(xiàn)象。

圖9 產(chǎn)品模具壓料裝置(控制起皺)

產(chǎn)品回彈分析及優(yōu)化

利用有限元軟件針對產(chǎn)品進行回彈分析，OP10拉延工序產(chǎn)品回彈最大為1.4mm，但是大部分回彈位置在工序件的廢料區(qū)域，產(chǎn)品區(qū)域的回彈主要集中在頂部和中部區(qū)域，最大回彈為1.2mm，標(biāo)準(zhǔn)要求產(chǎn)品在有限元分析中自由回彈不超過±1mm，連接面、焊接面要求不超過±0.5mm，目前狀態(tài)不符合標(biāo)準(zhǔn)，考慮到其他專業(yè)要求，產(chǎn)品型面不允許變更，因此該問題點需要讓步接受。針對回彈缺陷可以通過后期調(diào)整壓邊力和模面補償來消除。

在調(diào)試生產(chǎn)中，成品件雖然沒有明顯起皺、減薄開裂缺陷，但是在半成品中，產(chǎn)品尾部廢料區(qū)域存在輕微的起皺，并且在產(chǎn)品模面的最底部，回彈有超差，這也直接導(dǎo)致法蘭面和中間型面尺寸超差，這與有限元分析軟件中結(jié)果一致，雖然通過設(shè)置拉延筋和模具壓料結(jié)構(gòu)消除了起皺風(fēng)險，但是現(xiàn)場調(diào)試中，最低點存在成形不充分及回彈嚴重的情況，不充分區(qū)域有不明顯內(nèi)凹情況，成形不充分會影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，型面處于不緊繃的狀態(tài)，本文產(chǎn)品是高強度拼焊板，對回彈問題的控制有一定技術(shù)難度。為控制產(chǎn)品起皺以及回彈，我們將壓邊力從1400kN 調(diào)整到1600kN，根據(jù)有限元分析軟件的分析結(jié)果顯示，回彈控制情況理想。

產(chǎn)品缺陷及調(diào)整

產(chǎn)品成形參數(shù)中1400kN 的壓邊力是在產(chǎn)品設(shè)計階段得到的最優(yōu)解，控制產(chǎn)品減薄率在15%內(nèi)，有輕微的起皺及回彈，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊性，產(chǎn)品型面無法進行設(shè)計變更，并且缺陷程度在可控范圍內(nèi)。在實際的生產(chǎn)調(diào)試中，產(chǎn)品的成品件的確存在一定缺陷，這與前期成形性分析結(jié)果一致，但是相對于分析結(jié)果，實際的成品件尺寸狀態(tài)要更差一些，需要進行優(yōu)化調(diào)整，這也是產(chǎn)品開發(fā)流程中必經(jīng)的階段。因1400kN 壓邊力下，成品件的減薄率均控制在15%內(nèi)，實際調(diào)試生產(chǎn)中，要求最大減薄率不得超過20%，為消除缺陷，在調(diào)試生產(chǎn)中將壓邊力從1400kN 增加到1600kN。

壓邊力的大幅度增加必然會造成成品件減薄率的增大，在有限元分析軟件減薄分析中，成品件最大減薄率為21.35%，已經(jīng)嚴重超差，并且在實際生產(chǎn)中，由于諸多不確定因素，實際成品件的減薄可能更加嚴重，不過分析中成形充分性和回彈的控制都有很大提升，考慮到產(chǎn)品回彈問題和成形充分性問題直接影響成品件的尺寸，必須要解決，而有限元成形分析中局部減薄問題雖然嚴重超差，但是由于減薄超差位置正好處于型面補充位置(補充吸料凸臺)附近，可以通過補充型面調(diào)整和產(chǎn)品型面的回彈補償?shù)玫浇鉀Q，這一方式我們通過有限元軟件也得到了驗證。

為驗證優(yōu)化方向是否準(zhǔn)確，我們僅輕微優(yōu)化局部模面后就加大壓邊力進行調(diào)試生產(chǎn)，成品件因回彈得到了很好的控制，尺寸狀態(tài)較好，并且拉延工序件廢料區(qū)域的起皺得到了控制，但是在翻邊立面區(qū)域出現(xiàn)了傷線缺陷，傷線肉眼觀察不明顯，但是用手去觸摸有明顯的凹陷，經(jīng)調(diào)研，傷線缺陷在第一序拉延工序已經(jīng)出現(xiàn)，為便于觀察并且驗證傷線區(qū)域的力學(xué)性能，我們利用特制夾具對產(chǎn)品傷線區(qū)域進行拉伸試驗，在拉伸應(yīng)力到450MPa 時，產(chǎn)品沿傷線位置開裂，如圖10 示。其他區(qū)域雖沒有傷線，但是有一處區(qū)域減薄率超過了20%，該區(qū)域在開裂區(qū)域的對向側(cè)，這與前面的有限元分析結(jié)果一致，雖然調(diào)整壓邊力和拉延筋也可以消除減薄開裂缺陷，但是在現(xiàn)場調(diào)試中，這兩種方式并不保守，很可能引起其他缺陷。由于產(chǎn)品特殊性，在兩個缺陷之間有一個翻孔特征，該翻孔在第一序拉延工序中，壓邊力為1400kN 時為控制起皺，廢料區(qū)域設(shè)置有一個吸料凸臺，而壓邊力增大到1600kN 時局部走料不足導(dǎo)致出現(xiàn)了減薄開裂缺陷，根據(jù)有限元的回彈補償分析進行模具模面補償加工，優(yōu)化凸臺型面后，缺陷得到了解決，利用頂針千分尺測量，最大減薄率為10.9%，如圖11 所示。

圖10 成品件傷線位置及拉伸試驗

圖11 優(yōu)化凸臺后減薄率

結(jié)束語

本文產(chǎn)品相比其他車型B 柱內(nèi)板而言，形狀比較復(fù)雜，產(chǎn)品本身起伏比較大，并且立面較高，材質(zhì)為HC420/780DP 不同料厚拼焊產(chǎn)品，前期產(chǎn)品的同步開發(fā)階段，成形性問題相對其他產(chǎn)品要更多，通過不同方向和不同維度的更改建議，以及各個專業(yè)的支持，利用有限元仿真技術(shù)成功控制了大部分的風(fēng)險點，但是因?qū)I(yè)角度不同，產(chǎn)品的優(yōu)化方向存在沖突，沒有明確的優(yōu)先級關(guān)系，需要組織會議共同討論解決，在特定情況下特定專業(yè)需要做出讓步，因此對于復(fù)雜的產(chǎn)品，成形風(fēng)險很難完全消除，最終產(chǎn)品固化數(shù)據(jù)分析結(jié)果中有輕微風(fēng)險存在，可以通過工藝設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及現(xiàn)場生產(chǎn)調(diào)試解決，理論上是可以接受的?，F(xiàn)場實際生產(chǎn)調(diào)試結(jié)果相對分析結(jié)果，尺寸狀態(tài)相對要差一些，但是產(chǎn)品外觀狀態(tài)更好，因為在現(xiàn)場成品件中，輕微外觀缺陷無法判定出來，因此零件整體狀態(tài)以及實際優(yōu)化方向需要結(jié)合有限元分析結(jié)果一同判定。

本文產(chǎn)品因型面無法再進行針對性變更，到產(chǎn)品固化階段仍存在輕微的起皺缺陷和回彈缺陷，因為有限元分析軟件和實際調(diào)試生產(chǎn)本身存在差異性，如本文產(chǎn)品中部輕微的起皺缺陷，在實際調(diào)試生產(chǎn)中，由于實際模具走料系數(shù)并不如分析軟件中那么平衡理想，并且有限元軟件可視化功能強大，通過云圖可以識別，在生產(chǎn)的成品件中，輕微的起皺缺陷并不明顯，因此，無法確認這塊區(qū)域是否成形充分，只能用厚度檢測設(shè)備來評估產(chǎn)品成形充分性。回彈問題的方向與有限元分析軟件的結(jié)果一致，由于產(chǎn)品型面特殊性，最快速、最穩(wěn)妥的方式就是增加壓邊力和模面補償調(diào)整，當(dāng)然，調(diào)整方向也需要有限元分析結(jié)果的支持。在成品零件中，壓邊力的確認需要綜合有限元分析結(jié)果和經(jīng)驗公式計算共同確認，以目前行業(yè)的有限元分析技術(shù)，結(jié)果準(zhǔn)確度較高，在壓邊力的選用中可以更加偏向有限元分析的結(jié)果，尤其是在產(chǎn)品補充面極不規(guī)則的情況下，有限元分析結(jié)果至關(guān)重要。本產(chǎn)品前期已經(jīng)確定了壓邊力，為進一步控制產(chǎn)品回彈，提升產(chǎn)品尺寸狀態(tài)，壓邊力由1400kN 提升到1600kN，雖然出現(xiàn)了局部減薄開裂缺陷，但是在可控范圍內(nèi)，優(yōu)化后尺寸狀態(tài)得到了明顯提升。因此產(chǎn)品前期設(shè)計開發(fā)工作至關(guān)重要，可以在產(chǎn)品開發(fā)初期充分識別風(fēng)險并解決風(fēng)險，但是由于諸多不確定因素，大多數(shù)情況下，并不能完全消除風(fēng)險，這就需要后期通過調(diào)試生產(chǎn)來解決，這也是解決全部問題點的唯一途徑。