车门外板用钢冲压开裂分析与仿真工艺优化_梁笑.pdf

梁笑，硕士，工程师，2014年毕业于东北大学机械制造及其自动化专业。E-mail：ag_车门外板用钢冲压开裂分析与仿真工艺优化梁笑1,2，李春林1,2，林利1,2，徐鑫1,2，李萧彤1,2，郝志强1,2（1海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山114009）摘要：针对车门外板用钢由DC04替换成DC01引起的冲压起皱及开裂问题，分析了两种材料力学性能和成形极限的差异，并利用成形仿真软件开展了适用于鞍钢产品的车门外板成形工艺研究。结果表明，塑性应变比r值和双拉变形区极限应变的降低会导致材料的成形能力变差，使材料与模具的匹配设计难度大幅增加。仿真模型预测准确，且通过灵活设计拉延筋及阻力系数，有效控制了冲压缺陷，显著提高产品的订货量及应用稳定性。关键词：车门外板；冲压；起皱；开裂；仿真中图分类号：TG386文献标识码：A文章编号：1006-4613（2023）01-0028-07DOI：10.3969/j.issn.1006-4613.2023.01.006Analysis on Cracking Results in Stamping Steels for Making Outside Panels ofVehicle Doors and Optimization of Simulation ProcessLIANG Xiao1,2，LI Chunlin1,2，LIN Li1,2，XU Xin1,2，LI Xiaotong1,2，HAO Zhiqiang1,2（1.State Key Laboratory of Metal Material for Marine Equipment and Application，Anshan 114009，Liaoning，China；2.Ansteel Iron&Steel Research Institutes，Anshan 114009，Liaoning，China）Abstract：Aiming at the problems of stamping wrinkling and cracking caused by replacingDC04 steel with DC01 for the steel used for a door outer panel,the differences in mechanicalproperties and forming limits of the two materials were analyzed,and the forming process researchof the door outer panel suitable for Iron and Steel products of Ansteel were carried out by formingsimulation software.The results showed that the reduction of the plastic strain ratio r and theultimate strain in the double tensile deformation zone would deteriorate the formability of thematerial and greatly increases the difficulty of the matching design of the material and the mold.The risk area predicted by the simulation was consistent with the actual stamping situation,whichproved the accuracy of the simulation model,through the flexible design of drawbead and theirresistance coefficients,stamping defects were effectively controlled,and the order quantity andapplication stability of Ansteel products were significantly increased.Key words：outside panels of vehicle doors；stamping；wrinkling；cracking；simulation随着近几年汽车轻量化技术水平的不断提高，汽车主机厂为了提升自身品牌竞争力，对于车身的用材设计追求精益求精，一直致力于开展车身结构件的轻量化减重以及非结构件的技术降成本等材料替换研究工作。汽车外覆盖件的重量较大，实施技术降本的效果较为明显，此类零件常常作为工程技术人员的重点研究对象，车门外板作为一种常见的汽车外观件，与一般的汽车结构件相比，具有型面尺寸大，特征复杂、成形质量要求高等特点1，由于其成形工艺设计难度较高，在材料应用过程中很容易出现起皱及开裂等冲压缺陷。影响零件发生冲压起皱及开裂缺陷的因素很多，广泛涉及到材料性能、零件特征、成形方案、工鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期28-艺参数等诸多因素2-4，多年来随着有限元仿真技术取得的长足进步，依靠现场实际冲压来进行工艺试错的经验调试法已经被逐渐淘汰，通过CAE仿真软件能够为零件设计全流程的成形工艺方案准确预测板料在成形过程中可能出现的起皱、开裂等产品缺陷，大幅缩短汽车零部件的生产制造周期和工艺调试进度5。本文针对某车门外板由于原材料替换为鞍钢产品后引起的冲压起皱和开裂问题，分析了两种材料的力学性能及成形能力变化，同时利用成形仿真软件开展了适用于鞍钢产品的车门外板成形工艺研究。1试验材料与分析方法1.1试验材料及零件工艺分析某新能源车型的车门外板如图1所示，其框架尺寸为860 mm1 170 mm0.7 mm，由于在鞍钢产品推广过程中提议将车门外板用材由某钢厂DC04钢板替换为鞍钢DC01产品，材料与模具的匹配性发生改变，从而导致零件在实际冲压过程中出现起皱及开裂等问题，因此需要对材料替换前后的两种牌号的成形能力差异及工艺方案展开研究分析。图1车门外板Fig.1 Outside Panels of Vehicle Doors图1所示的车门外板为左右对称零件，该零件的结构特征适合采用一模两件的工艺方案，一般而言，在满足零件成形质量的前提下，应尽可能减少工序数量以降低模具制造成本。因此，将该零件分为4个工序进行冲压成形，即落料拉延切边冲孔翻边整形，其中拉延工序是整个技术方案中零件变形量最大，也是最容易出现起皱及开裂等产品缺陷的关键环节，因此将重点针对拉延工序展开成形工艺分析。1.2力学性能及成形极限分析材料的力学性能及成形极限曲线是表征材料成形能力的主要技术指标，同时也是CAE仿真中定义材料模型时不可或缺的关键输入参数，因此，利用德国Zwick Z100材料拉伸试验机，按照国家标准GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法、GB/T 5028-2008金属材料-薄板和薄带-拉伸应变硬化指数（n值）的测定 和GB/T5027-2016金属材料-薄板和薄带-塑性应变比（r值）的测定6-8分别对DC01和DC04两种材料沿着钢板轧制方向0、45、90制样并开展单轴拉伸试验，分析两种牌号之间的力学性能差异。通过美国ITC SP225万能板材成形试验机，按照国家标准GB/T 15825.8-2008金属薄板成形性能与试验方法 第8部分 成形极限图（FLD）测定指南9沿着钢板轧制方向90制样进行两种牌号的成形极限曲线测定，研究材料替换后的成形能力变化以及对工艺设计的影响。1.3仿真分析以成形仿真软件作为分析工具建立目前与实际模具状态一致的单动拉延仿真模型，研究材料替换后出现的起皱及开裂等产品缺陷，为了提高仿真软件对成形结果的预测精度，根据力学性能的试验结果，利用Ludwik本构模型输入高拟合优度的材料应变硬化曲线，由于Hill屈服准则对于r值大于1的钢板具有较高的表征精度10-11，因此利用Hill屈服准则建立材料的屈服轨迹，同时根据成形试验结果将材料的极限应变点进行回归，然后建立材料的成形极限曲线，并以Table的形式输入到材料卡片中。2试验结果与分析2.1力学性能及成形性能结果分析按照国家标准GB/T 228.1-2010金属材料拉伸试验室温试验方法6中规定的P6试样开展单向拉伸试验，两种材料的力学性能如表1所示，DC04和DC01钢板均存在明显的各向异性，在沿着钢板轧制方向0、45、90上都出现了一定程度的性能差异，通过对比DC04和DC01的强度性能发现，材料替换后的屈服强度和抗拉强度有所提升，而在塑性性能方面，均匀延伸率Ag、总延伸率A80mm、应变强化指数n值都略有下降，尤其是塑性应变比r值降低的更为明显。鞍 钢 技 术2023 年第 1 期ANGANG TECHNOLOGY总第 439 期29-材料的强度性能和塑性性能对零件的可成形性影响较大，屈服强度越小，板料在成形时发生塑性变形越容易，发生冲压开裂的可能性也会降低，但是板料起皱发生的风险也会逐渐增加12。从表1可见，材料替换后屈服及抗拉强度提高了约20 MPa，说明材料发生塑性变形的难度增加，且屈服强度的提高会降低材料的成形能力，增加冲压开裂的风险，由于车门外板等外覆盖件在车身中不要求具有较大的承载能力，抗拉强度的提高对该零件的功能性影响不大。均匀延伸率和总延伸率分别表征了材料抵抗颈缩变形和断裂的能力，从表1中发现，材料替换后的均匀延伸率Ag和A80mm总延伸率下降了约1%，说明材料的塑性变形能力变差。应变强化指数n值代表材料进入塑性变形后的硬化能力及均匀变形程度，n值在材料替换后变化不大，但塑性应变比r值降低了约0.4，塑性应变比r值代表板料在厚度方向抵抗塑性变形的能力，r值降低，板料在厚度方向的变形量会增加，在平面内发生的变形量会降低，对冲压成形不利。DC04和DC01的成形极限曲线如图2所示。图2 DC04和DC01的成形极限曲线Fig.2 Forming Limiting Curves of DC04 and DC01通过对比发现，DC01在位于左半部分拉压变形区和平面应变特征点FLD0与DC04相差不大，位于右半部分的拉拉变形区的成形极限曲线与DC04相比略有下降，说明材料在抵抗拉拉变形时的能力变差，总体来看，如果选择用DC01作为替换材料，即使钢板的大部分性能指标变化不大，但材料的r值和双拉变形区的极限应变明显降低，成形能力必然下降，从而导致材料与模具的匹配难度大幅增加，零件的成形工艺设计参数窗口变窄。2.2仿真结果分析根据冲压现场模具的实际情况设计了车门外板单动拉延的仿真模型，如图3所示，该模型从上到下由凹模、板料、压边圈及凸模组成，其中，箭头方向为各模具的运动方向。按照一模两件的工艺方案设计矩形板料尺寸为1 045 mm2 580 mm0.7 mm，网格单元类型为EPS-11壳单元，单元细化精度为6级，最小单元尺寸为0.3 mm，最大单元尺寸为20 mm，按照材料替换前DC04的仿真工艺参数设置摩擦系数为0.15、压边力为1 150 kN、恒定拉延筋阻力系数为0.45、压边圈行程为260 mm。图3拉延仿真模型Fig.3 Simulation Model for Drawing2.2.1成形极限分析结果成形极限云图能够全面反映材料在冲压过程中的变形情况，是评估零件可成形性的主要判定牌号方向屈服强度/MPa抗拉强度/MPa均匀延伸率Ag/%总延伸率A80mm/%n值r值DC04014329025.143.70.242.344515329524.541.80.232.259015228824.744.60.243.