引 言
过去40 年, 汽车成形技术主要发展方向为安全性、电气化和节能。当前, 能源问题和日益严格的环保法规使汽车制造技术发生很大变化, 轻量化是zui突出的发展方向[ 。车身约占整车重量的50%,
因此, 车身减重是汽车轻量化设计的关键。采用*的高强钢板, 特别是兼顾良好碰撞吸能和成形性能的双向钢（ dural phase, dp 钢） , 在保证车身安全性能的同时, 能够显著降低车身重量,得到广泛关注 , 为钢板供应商和汽车生产厂联手建立高强钢性能与零件的可成形性的对应关系提供了可能。控制钢板性能参数, 保障成形过程无开裂、不起皱等, 已成为钢铁行业和汽车行业共同追求的目标。因此, 需要在综合评价高强钢板成形性能的基础上, 充分了解冲压零件的应变状态、应变量和危险部位的变形情况, 通过对板材成形性能和成形技术的深入研究, 实现真正意义上的合理选材和用材 。
本文针对北京奔驰某款车使用dp600 高强钢的横梁减震器后桥零件为例, 在模具开发阶段, 采用有限元仿真和网格试验研究的方法分析变形特征,以及主要力学性能参数对冲压成形的影响, 提出保证零件成形的钢板关键性能指标及控制范围, 为该零件冲压成形质量的控制提供了技术依据。
1 fem 模型及材料影响规律
1.1 fem 模型
横梁减震器后桥零件采用的是强度级别60kg的dp 钢, 原为德国进口材料, 宝钢国产材料通过奔驰钢种论证后, 在新车型国产化阶段进行替代,对应宝钢牌号为hc340/ 590dp e + z, 为双面电镀纯锌钢板, 材料厚度为1mm。采用jis13a 号试样,利用宝钢instr on 电子拉伸机进行力学性能测试,其力学性能如表1 所示。
利用hypermesh 进行模具型面的网格划分,基于商用软件autoform 进行成形分析。该零件拉延过程的仿真分析模型如图1 所示。在冲压过程中采用单动模型, 凹模在上, 凸模在下。冲压时, 凹模下行, 与压边圈贴紧, 压紧材料; 然后凹模、板材和压边圈下行至与凸模贴模, 完成成形过程。
表1 宝钢dp600 的材料性能
图1 有限元仿真模型
模具上设置拉延筋, 是zui常用的调控材料流动阻力的手段, 在仿真模拟中普遍采用等效拉延筋模型, 设置4 条等效拉延筋, 其位置与实际模具吻合, 如图2 所示。毛坯尺寸为1060mm @400mm,厚向积分点为7 个, 压边力为80t 与现场一致; 采用库仑摩擦定律, 摩擦系数取试验测量值01 15。在autoform 中, 对于判断是否开裂的成形极限曲线flc, 有keeler 和arcelor v9 两种模型。由于基于keeler 准则的经验公式不适合于dp 钢,因此采用arcelor v9 模型, 该模型适用于抗拉强度1500mpa 以下、厚度01 25mm~ 31 5mm 的材料, 本仿真分析的dp600 其flc0 = 21%。
图2 拉延筋设置
1. 2 成形特征分析及减薄分布
拉延成形终了, 横梁减震器后桥零件的厚度减薄率分布如图3a 所示。可以看到, 除了板料4 个边角区域材料略微增厚外, 大部分区域的材料均为减薄。材料的zui大厚度减薄率、增厚率及其位置如图3b 所示, 可见zui大厚度减薄率为191 7%。
图3 壁厚分布及zui大壁厚减薄位置
a） 壁厚分布; b） zui大壁厚变化及位置
零件变形终了阶段的应变状态在fld 中的分布及安全裕度如图4 所示, 零件在拉延工序中变形均处于安全状态, 无起皱和开裂的发生, 能够顺利成形。另外, 从应变状态分布可知, 零件变形兼有拉延、平面应变和胀形3 种状态, 其中高应变区域的变形状态是以拉延和平面应变为主。
图4 零件变形状态和安全裕度分布
a） 零件变形安全状态; b ） 应变状态在fld 中的分布
1.3 材料性能波动的影响规律
冲压成形过程中, 材料、工艺和模具等影响因素较多, 而且各因素间交互作用, 使得变形过程异常复杂。在实际生产过程中, 供货的材料性能必然存在波动, 对零件安全裕度造成影响, 借助于有限元仿真分析, 可以方便地得出材料性能对零件成形的影响, 对于合理控制材料性能具有重要的指导意义。
高强钢由于成形性能的下降, 容易产生开裂,因此保障成形顺利需予以特别关注。以dp 钢为代表的高强度钢板, 材料性能控制参数为屈服强度、抗拉强度、材料硬化指数n 和延伸率d。很明显,低的屈强比、高的延伸率和n 值, 均有利于成形,但相应增加了钢厂的生产成本和控制难度, 因此需要对钢板性能的范围进行合理控制。
1. 31 屈服强度的影响规律
保持材料性能参数rb = 633mpa, n= 01 17 和摩擦系数01 15 不变, 分别取材料屈服强度rs =350mpa, 400mpa, 430mpa, 450mpa, 即屈强比分别为rs / rb = 01 55, 01 63, 01 68, 01 71, 进行仿真计算。结果表明, 随着屈服强度的增大, 板料zui大减薄增大, 成形后零件的zui大减薄率分别为191 7%、201 2% 、211 1% 和221 0%。当屈服强度增大至rs = 450mpa 时, 即屈强比达到01 71, 部分网格应变临近flc 曲线, 表明零件处于破裂临界状态。说明随着材料屈服强度的增大, 屈强比增大, 材料成形性能降低, 增大了破裂的可能性。
因此, 为保证零件的顺利成形, 在满足宝钢标准, 即屈服强度rs \ 340mpa、抗拉强度rb \590mpa 的前提下, 屈强比应控制在01 68 以内, 且要求较小的屈服强度。
1.32 n 值影响规律
保持材料性能参数rs = 350mpa、rb = 633mpa和摩擦系数01 15 不变, 取n 值分别为01 19、01 17、01 15 和01 13 进行仿真计算。结果表明, 随着n 值降低, 板料均匀变形能力减弱, 成形后零件的zui大减薄率分别为191 2%、191 7% 、191 9% 和201 2%。
flc 曲线的高度与n 值和板厚t 密切相关。n值越高, 材料抵抗局部变薄的能力升高, flc 的曲线位置也相应升高。因此, 当n 值降低到01 13 时,不仅材料均匀变形能力降低, 而且成形极限下降,因此部分网格应变超过flc 曲线, 表明发生破裂,如图5 所示。
图5 n= 01 13 时应变状态在fld 中的分布
要保证零件整体成形的安全裕度, n 值应控制在n \ 01 15。
1.33 典型材料的仿真分析
选取宝钢大批次生产的实际性能的材料进一步进行分析, 根据大批次生产的1mm 的dp600 电镀纯锌钢板的力学性能的统计结果, 按照设定的屈强比rs/ rb< 01 68, n \ 01 15 的标准, 选取5 种典型材料进行分析, zui大减薄率计算结果如表2 所示。从分析结果看, 同样表现出随着屈强比的增大和n 值的降低, zui大减薄率有升高的趋势。另外, 5 种材料的应变状态分布均在flc 曲线下方, 表明零件没有开裂。
表2 典型b340/ 590dp+ z 钢板的力学性能
综合上述分析可知, 应用dp600 于横梁减震器后桥零件, 屈强比值小的材料成形性好, n 值是影响零件成形的材料敏感参数。保证该零件安全裕度的关键性能参数的选取准则为: 屈强比rs/ rb [01 68, 且要求较小的屈服强度rs ; 材料硬化指数n \ 01 15, 断裂延伸率d\ 25% 。
2 试验与生产验证
网格分析技术（ cir cle grid analyses, cga）是分析复杂零件成形和判定成形安全裕度的有效方法 。为确定该零件冲压成形板料关键性能参数选择准则的合理性, 采用网格分析技术对其成形过程进行试验验证。在实际冲压时, 零件试制前, 在钢板表面印上5mm 圆形网格, 冲压后测量不同区域网格的变形情况, 计算得到该处的应变, 然后把各处应变与材料flc 相比较, 得到该零件的安全裕度。
试验的hc340/ 590dp e+ z 材料力学性能为,屈服强度rs = 394mpa, 抗拉强度rb = 640mpa, 屈强比rs/ rb = 01 62, 断裂延伸率d= 25%, n= 01 17,r0= 01 67, r 45= 01 81, r90 = 01 97。
试验钢板冲压后零件高变形区域分布如图6a 中的a~ i 区域所示。测量a~ i 区域内的网格应变,将所测应变与材料的成形极限曲线相比较, 获得的安全裕度如图6b 所示, 该零件成形后的安全裕度为6%。对于高强钢, 6% 的安全裕度能够满足稳定生产的需求。zui大应变主要分布在e、g 区域, 两个区域材料主要变形方式均为平面应变和胀形。
在试模现场, 对于该批次材料, 连续冲压100件均无开裂发生。后续批量供货时, 由于材料的关键性能严格按照上述范围进行控制, 生产稳定, 制件无开裂发生。
图6 横梁减震器后桥的网格应变分布
3 结 论
针对某车型横梁减震器后桥零件应用dp600 高强钢, 以控制冲压成形质量、减少零件废品率为目的,采用有限元仿真模拟和网格应变分析技术, 对其成形过程进行综合分析, 研究其变形特征及厚度减薄规律, 获取了材料性能的合理控制范围。
1） 采用cae 和网格分析技术相结合的方法,是分析成形过程, 保障产品质量的有效手段。
2） 横梁减震器后桥零件高应变区域变形方式,是以平面应变和深拉延变形为主。
3） 稳定冲压所需的关键性能参数及控制范围为, 屈强比rs / rb [ 01 68, 材料硬化指数n \ 01 15,断裂延伸率d\ 25%。