汽车前门内板起皱分析与优化

2022-12-24唐浩兴洪杰伟温彤

模具工业 2022年12期

唐浩兴，洪杰伟，温彤

（1.重庆邮电大学先进制造工程学院，重庆 400065；2.重庆长安汽车股份有限公司，重庆 400023；3.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400044）

0 引言

汽车覆盖件由于形状复杂、结构尺寸大、相对厚度小、表面质量要求高等特点，且轮廓内部带有局部形状、成形工序多，是车身制造生产的关键环节。但冲压成形过程中常会出现开裂、起皱、擦伤、凹痕等缺陷[1-3]。尤其是起皱，不仅降低成形产品表面质量、影响装配工艺，严重时会损伤模具，对生产造成损失。关于材料抗皱性能的测试，方板对角拉伸试验（Yoshida buckling test，YBT）方法因试样简单、操作方便而被广泛应用[4-6]。在此基础上，学者们进行了一系列的改进，旨在获取板材复杂的应力状态[7-11]，如在方板或矩形板中心开圆孔的方法[12]，对于研究材料的起皱性能具有重要意义。

针对某车型前门内板，经过一段时间的停产和设备维护后，重新生产时出现了较严重的起皱现象，如图1（a）所示。经生产现场鉴定，一方面是由于设备保养等仅是常规清洁，模具整体状态可视为不变；另一方面，在此期间厂家提供的材料批次也不一致，为避免反复试错和节约成本[13]，结合有限元技术，将后一批次材料的力学性能参数导入Auto-Form进行全工序（包括落料、拉深、修边、冲孔、翻边、整形等）分析，对应的起皱结果如图1（b）所示。

由图1可知，模拟起皱的位置及起皱程度与实际匹配度较好，说明利用AutoForm仿真板料实际冲压过程的方法可靠。基于此，首先从材料的角度，在测试相同牌号、不同批次板材的基本力学性能后，根据带夹持端的开孔方板和开孔矩形板单向拉伸方法对比2种材料的抗皱性，并结合车门起皱模拟进行验证，为后续选材提供参考。其次从工艺的角度，分别在拉深筋的参数设计与布局两方面对门板的起皱缺陷进行优化。

图1 前门内板成形起皱

1 材料抗皱性能测试与验证

针对A和B两个不同批次生产的厚度为0.7 mm的DC05钢板（以下简称A/B材料），为获得其基本力学性能并对比二者抗皱性，采用的标准拉伸试样和开孔试样的尺寸与实物如图2所示。

图3所示分别是A、B材料标准拉伸试样的力-位移和真实应力-应变曲线，再将后者对应的数据按照公式（1）所表示的Ludwig本构方程拟合，其他参数如表1所示。由表1可以看出，A的屈服强度、强度系数、最大承载能力等都略高于B，但二者的加工硬化指数却相同。因此，根据Szacinski的研究结论[5]，即屈服强度越高，起皱倾向越大，初步判断B的抗皱性优于A。

图3 材料力学性能

其中，σtrue为真实应力，MPa；σ0为屈服强度，MPa；ε为真实塑性应变；K为强度系数，MPa；n为硬化指数。

由图2可知，开孔方板夹持端的长、宽均为40 mm，开孔矩形板夹持端的长、宽分别为30、70 mm，一端固定，另一端将开孔的方板和矩形板分别拉伸至5、10 mm，速度均为0.1 mm/s。由图4可知，在相同条件下A材料的拉伸载荷略高。若A/B试样均起皱，则起皱高度较高的材料抗皱性能较差。因此将表1中的数据导入到有限元模型中，并结合试验结果对比试样的起皱高度。

图2 试样尺寸与实物

图4 开孔方板和矩形板的载荷-位移曲线

图5所示为开孔板的试验结果与利用Abaqus软件模拟得到的最大起皱高度（即面外位移U3）对比。由图5可以看出，在相同加载位移下，均出现明显的起皱现象。虽然A的屈服强度和强度系数均高于B，但A在承受较大载荷时，其起皱高度仍低于B；且A对应的开孔方板试样两侧对角反向翘起的高度、开孔矩形板试样水平中心轴线的外边界处向内折叠的位移都低于B。因此A的抗皱性能优于B，这与参考文献[5]中的结论相反，说明板材的抗皱性与屈服强度无直接关系，与参考文献[14]中的结论一致。此外，有限元模拟结果与试验的平均误差约为5.6%，具有较高的精度和参考价值。

图5 试验与模拟的起皱结果对比

为验证该结果，将表1中的参数导入门板模型，利用AutoForm模拟第一道次冲压及回弹结束后的成形效果。

表1 材料性能参数

图6所示为A/B材料的门板起皱云图，并对比3个相同参考点的Wrinkles值。由图6可以看出，A板起皱的分布相对均匀、数值较小；而B板在左下侧靠近铰链连接处的数值较大。因此A板的起皱程度略小于B板，其抗皱性比B板高约12.4%。

图6 模拟的门板起皱结果对比

综上分析，A材料的抗起皱性能优于B材料，该方法可为汽车主机厂选择材料供应商提供参考。

2 拉深筋布局及参数优化

起皱位置的应变如图7所示，①、③区域的主应变为正、次应变为负，起皱现象由面内压应力引起；而②区域的主、次应变均为正，说明起皱并非由压应力超过板材的稳定极限导致，而是因为该处圆角偏小，板材在成形过程中与模具零件接触时，受模具零件“挤压”的速度较大，材料来不及向周围流动而受限于一个较为狭小的区域内，造成局部堆积而表现为起皱。因此，在模具零件设计时应适当增大该区域的过渡圆角，或在生产时减小冲压速度、增大压边力等措施来缓解该缺陷。

图7 典型起皱位置的主应变与次应变

通常在板材周围设置拉深筋以调节材料流动，避免起皱，获得变形均匀的产品。板材在流经筋槽及过渡圆角时，会发生反复的弯曲与反弯曲变形，同时造成较强的应变硬化效应以及接触产生的摩擦，这三部分共同组成了拉深筋的阻力。

选取AutoForm自适应圆形截面线型筋，并在局部设置双筋，布局如图8（a）所示，由于产品对称，仅对左半边拉深筋编号进行研究，对①区域的材料流动起主要作用的是9～12以及18号筋；影响②/③区域的则是14和19号筋。

因此，针对①位置的起皱，9/11/12号筋的进料阻力需增大，由于10号筋邻近较高的工艺吸皱筋，继续增加阻力可能会将材料局部阻挡在外，增大了①区域上方焊接线处的开裂风险，故其阻力系数可保持不变或适当减小；12号筋对应的吸皱筋与模型的高度差较平缓，需将18号筋向产品内侧靠拢，与12号形成近平行的双筋并降低材料从11号筋与12号筋间隙流入的几率。

由于②/③位置临近且圆角和拔模斜度均较小，若持续增大14号筋阻力，虽然可改善起皱，但易导致焊接线在④处开裂。因此，将14号筋拆分为14-1（左，对应②）和14-2（右，对应③）两段，结合上述分析，需增加14-1的阻力系数以减少材料流入、提高对该处材料的拉应力；将14-2号筋阻力设为零。同时旋转19号筋，与14-1外侧形成双筋以增大局部阻力的同时，使其余材料更容易流进14-2区域，降低④位置焊接线的开裂风险。优化后的拉深筋布局与编号如图8（b）所示。

根据Stoughton拉深筋阻力模型[15]可知，筋的阻力随着筋高度的增大、筋（和筋槽）圆角半径的减小而增大，参考实际生产，设置筋宽为15 mm，可得图8（b）中各筋及沟槽的尺寸，如表2所示。优化前、后的拉深筋阻力参数如表3所示。