摘 要：通過汽車后縱梁產品進行全工序CAE成形性分析，探尋提升高強板（抗拉強度≥590MPa）拉延部品尺寸合格率的方法。對部品各工序進行CAE分析，并評估各工序的回彈、起皺、翹曲、減薄率、邊緣開裂的情況，同時，在對應工序進行CAE回彈補償，將開模CAE精度提升至±0.5mm，通過進一步跟蹤實物T0品的品質狀況，評價此方法的有效性。結果表明，對高強板產品進行全工序CAE分析，并對工序數據進行回彈補償，將開模CAE精度提升至±0.5mm后，可以大幅度提升T0品的合格率，并有效縮短開發(fā)周期。

關鍵詞：汽車鈑金 后縱梁 高強板（抗拉強度≥590MPa） J/Stamp 全工序CAE分析 CAE精度提升 T0品質

0 引言

新能源汽車崛起帶來的變革，對汽車沖壓產品的技術發(fā)展提出更高的要求。輕量化的需求，加速沖壓產品材料高強板化的趨勢發(fā)展。短周期的開發(fā)要求，對沖壓產品快速提升品質及縮短開發(fā)周期也帶來更多的課題。

實現車身輕量化和滿足汽車敏捷開發(fā)的技術應用已成為必然趨勢。然而由于高強鋼冷成型困難、易開裂和回彈等問題，會直接影響零件的尺寸穩(wěn)定性及開發(fā)周期。

對于以上的課題，如何掌握材料特性，基于全工序CAE分析精度的提升控制品質及交期，而不僅僅依賴后期鉗工經驗調試模具，將是重要的解決方案之一。

1 技術現狀

現階段，以后縱梁為例類似的高強板（抗拉強度≥590MPa）深拉延部品，主要通過對單一成形工序的分析進行前期的判斷，產品品質提升主要通過后續(xù)產品實物試模時根據試模結果，結合調試人員經驗進行改模，按照此現狀會有幾個問題：

（1）CAE分析結果與試模實物檢測結果差異很大，CAE分析不能有效指導模具開發(fā)。

（2）產品的品質特性如翹曲、回彈、開裂、減薄不能準確預測并有效對策。

（3）產品品質提升慢，存在無法滿足品質要求風險。

（4）調試周期長，無法滿足敏捷開發(fā)要求。

（5）調試頻次多、長時間的改模調試會導致模具開發(fā)成本急劇上升。

（6）無法有效積累開發(fā)經驗。

2 產品特征

圖１所示為乘用車的后縱梁主體部品，材質HC340/590DP，料厚2.0mm，是保證車身碰撞性能的核心部件。該零件縱向連接門檻，兩側法蘭邊和內輪罩、B柱內板焊連接在一起，因此法蘭邊尺寸精度要求高。零件表面有較多特征，兩側立壁拔模角度小于5°，拉延深度H＞100mm。綜上，此部品具有材料強度高、產品尺寸大、尺寸精度要求高、造型復雜等特點。

基于此部品結構及品質要求，采用拉延工藝，部品品質風險點如（圖2）所示，會出現扭曲、回彈、起皺、開裂的風險。

針對以上各原因，如果開發(fā)前期CAE分析精度質量差，只單一對成形類工序作分析，在模具調試階段只能更多依賴改模工程師和模具鉗工的經驗，這樣在帶來品質、交期無法保證的同時，也會增加模具開發(fā)成本。反之將大幅縮短開發(fā)周期和降低模具成本。因此通過全工序CAE分析及提升CAE分析精度很有必要。

3 產品工藝

根據產品結構、材料、尺寸及品質要求，采用（1+5）工序的沖壓工藝開發(fā)，具體工藝OP05落料、OP10拉延、OP20修邊沖孔、OP30側成形、OP40沖孔/側沖孔/側修邊、OP50沖孔/側沖孔/側修邊。

為了提高產品材料利用率，增加OP05PRG落料工序，其余工序則綜合工序成形力、加工成本及生產效率等因素、因此選用3000噸TRF設備。

4 材料性能驗證

此部品使用的材料HC340/590DP t=2.0mm雖然已經是成熟的汽車用材，材料屈服強度區(qū)間是360～590Mpa，延伸率24%～36%，屈服及延伸率波動范圍較大。

材料的力學性能會影響到沖壓產品的品質及穩(wěn)定性。CAE分析中使用的材料機械性能是否同實際材料機械性能的一致性，也是決定CAE分析精度的因素之一。

尤其是高強板材料，對于相同牌號的材料，即使同一家鋼材廠家不同高爐、不同產線、不同批次的材料力學性能也存在較大差異。這種差異，會對模具開發(fā)調試和量產生產帶來很多品質波動。所以，在進行模擬分析前，如何評價并得到可靠的材料力學性能數據顯得尤為重要。

①通過對目標材料進行拉伸試驗、摩擦力測試及FLD試驗，獲取實際使用材料的力學性能數據。形成最終的材料卡及Y-U曲線。

②用實物樣件試沖壓進行結果對比，獲得實物與材料標準的差異。

5 CAE分析及回彈補償

采用的CAE分析軟件是J/Stamp和AutoForm，AutoForm主要用于前期的工藝設定參考，可快速地分析產品的質量缺陷。J/Stamp用于對分析結果偏離的回彈及翹曲數據獲得，結合回彈數據進行補償，可以有效提升開模CAE分析精度。根據分析問題在工序內進行工藝及數據優(yōu)化，通過數字階段的數據優(yōu)化迭代，取代實物階段的改模調試。

5.1 工藝設計說明：對OP10～OP50進行全工序的CAE分析

（1）此產品特征：高度Z=45mm方向上較大的落差，在寬度Y方向是歪扭的結構。

（2）工藝設計因素：需要考慮因高度導致的局部開裂、起皺和因結構歪扭導致的翹曲等風險。

（3）采取方案：

①通過設置拉延筋結構及布置從而對材料流動進行控制缺陷產生。

②為了提高坯料利用率獲得最大的產品利潤和消除坯料應力對產品成形品質影響，根據制件輪廓，采取開卷落料套材的形式，同時因產品高度較高、拉延深度深產品材料比較厚2mm的特性，而采用半開口式拉延的形式拉延工藝。

綜合以上考慮，對各工序要素進行設置、優(yōu)化，經過分析，得到制件優(yōu)化的成形結果，OP10 DR工序分析產品R角測量值存在開裂風險，經過優(yōu)化工藝面及產品數據后，各工序成形性合格，詳細見圖３。

5.2 減薄率分析

減薄率分析是成形分析中的重要指標，考慮實際生產過程中產品的來料會存在機械性能波動的問題，所以不同材料減薄率的判定標準不同，為確保量產后材料波動影響品質，分析時需要預留安全裕度，判定標準會提高一個等級。對于關鍵的邊緣開裂，產品形狀中間位置和邊緣位置因為鋼板橫縱力學結構不同的原因，減薄率的評判標準也不同，數據監(jiān)測時應選取不同位置進行檢測。圖４是各工序減薄率情況，通過全工序分析可以充分預判各工序件潛在的減薄失效風險。

5.3 各工序起皺分析

對于產品的起皺，通過全工序分析可以模擬材料在各工序流動情況，并根據分析結果及時更改工藝補充面和調整拉延筋的分布情況。在避免產品出現品質缺陷的同時，還可以最大限度提升拉延工藝產品的材料利用率。對于起皺、疊料的判斷，在基于CAE分析結果的同時，也要參考產品圖紙中的外觀及對應面的精度要求綜合評判，避免品質要求過剩。詳細分析件圖５，各工序起皺情況符合要求。

5.4 各工序回彈分析

高強度鋼板應力，由于其殘余應力增大引起面畸變和回彈效應，易產生成形后彈性引起回彈和翹曲問題，回彈和翹曲是高強板深拉延部品最難解決的課題，會存在以下課題：

（1）采用拉延的產品因成形過程中材料應力導致會結構失穩(wěn)，需要通過全工序分析評估各工序的風險，并且針對各工序分析結果對工藝及模具結構進行優(yōu)化。

（2）采用拉延工藝的產品在修邊后，因為廢料去除后產品外形的改變，會導致產品結構應力發(fā)生變化，需要全工序分析評估各修邊工序回彈情況，并根據各工序回彈情況對工序數據進行補償優(yōu)化。

（3）修邊后的輪廓如果在后工序繼續(xù)進行如翻邊、壓包等成形工藝，會出現邊緣開裂的風險，全工序分析能及時發(fā)現風險并對策。

通過全工序的CAE分析評價，對DR和C-FO工序數據進行回彈補償后，達成關鍵尺寸±0.5mm的開模要求，詳細見圖６。

6 實物驗證

完成前期的工藝設定、全工序CAE分析及回彈面補償后，在模具結構設計時還要充分考慮高強板對模具剛性的影響，及后續(xù)加工工序的精細模面工作。

實物階段，對TO品的合格率檢測，獲取實物數據。確認全工序CAE分析在產品工藝及模具結構中各項參數的一致性。

此例證產品，通過全工序CAE分析，相對于只對成形工序進行CAE分析及CAE分析精度由原來±2mm提升到±0.5mm，產品T0合格率由58%提升至82%。

通過對比只針對成形工序進行CAE分析的傳統方法，全工序CAE分析在提升產品品質的同時，CAE分析的各工序分析結果同實際工序件的回彈、翹曲、減薄、起皺結果一致。詳細見表1。

7 結語

對于高強板（抗拉強度≥590MPa）深拉延產品，通過全工序的CAE分析，實時更新CAE材料庫數據，可以縮小CAE分析結果與T0實物數據的差異，更好掌握高強板成形規(guī)律及成形缺陷整改的對策，通過大量的實際產品應用將數據經驗標準化，讓CAE模擬分析真正能夠為實際生產提供更好的支持。

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