基于SAPH440热轧酸洗材料汽车副车架上片成形优化分析

廖博文， 谭必丁， 陆军合

（湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 柳州分公司， 广西 柳州 545006）

0 引 言

汽车车架由多个零部件组合而成，每个零部件结构会根据性能、轻量化要求以及成本价格而选用不同型号材质的板材。这些零部件在生产过程中，因材料性能、板材厚度、零件结构复杂程度等，给实际汽车制造增加了难度[1]。在汽车追求轻量化的条件下热轧酸洗材料作为一种高强度钢，可以有效的代替普通强度钢板，提高白车身的安全性能。热轧酸洗材料屈服应力大于305 MPa，以其具备高强度特性、良好的韧性、良好的冲压性能以及焊接性能得到了汽车企业的使用[2]。热轧酸洗材料降低了在设计阶段因零件问题而引起的开裂、起皱等缺陷，减少了模具研合调试时间，保证了新车型的上市时间[3]。现以某车型的汽车副车架上片为例，介绍了热轧酸洗材料在汽车副车架上片的成形性，根据CAE分析结果，对存在问题缺陷的区域进行优化[4]。通过理论分析结果对零件进行可行性评估，了解零件成形中存在的风险问题，结合实际生产调试对风险问题进行跟踪，证明热轧酸洗材料在汽车车架上应用的可靠性。

1 副车架上片冲压有限元模拟分析

1.1 零件结构介绍

某车型副车架上片如图1所示，外形尺寸为504 mm×974 mm×163 mm，料厚为2.5 mm，前后立壁面拔模角度较小，在冲压方向上只有3°左右，整体结构复杂，中间是扩张U型结构，方形材料成形时流动困难，需要增加1副落料模，零件两端的凸台开裂风险较大。

图1 零件数模造型

成形零件选择SAPH440热轧酸洗材料，属于高强度钢，Q/BQB 310-2018 《汽车结构用热连轧钢板及钢带》[4]对SAPH440的成分规定如表1所示，对其力学性能要求如表2所示。

表1 SAPH440 化学成分 w/%

表2 SAPH440 力学性能

1.2 副车架CAE模拟仿真分析

1.2.1 导入设置

将零件以IGES格式导入软件中，调整其角度使其满足冲压成形角度要求，定义板料材质SAPH440，厚度2.5 mm，完成零件导入的初步设定，材质参数设置如图2（a）所示。

以零件重心为基准，旋转X、Y、Z轴角度，调整符合零件成形要求的冲压方向，即冲压角度下直接拉深的区域无负角，如果存在负角区域则需进行翻边或者整形处理，白色面为0～3°拔模角度，中间浅色区域为负角度区，如图2（b）所示

图2 导入零件参数设置

1.2.2 工艺模面设计

根据副车架的结构复杂程度，初步规划零件成形工序为4道：拉深、修边、整形、冲孔，如图3（a）所，并在CAE仿真软件中设置全工序排序。

CAE仿真软件工序的工艺面设计与实际工序顺序相反，即先从最后工序开始模面处理，然后处理倒数第2道工序模面，依此类推，这种设计方法方便提前处理整形型面和翻边型面，保证拉深型面为无负角状态，以满足零件成形性分析要求。

在工艺补充面设计过程中，首先将零件边界光顺，提高构建工艺补充的效率；其次通过适当增加控制线来调整压料面到零件的距离，使其与零件最低点距离保持在10 mm左右，同时要求压料面与零件边界随形设置，过渡圆角做到R50 mm，如图3（b）所示；最后根据分析结果，对起皱和开裂区域进行优化设计工艺补充面，将凹圆角做到R12 mm，凸圆角做到R15 mm，侧壁拔模角做到15°，转角做到R30 mm，尖点做倒R15 mm的球角，优化后如图3（c）所示。

图3 CAE仿真工艺面参数设置

1.2.3 仿真分析结果

仿真分析结果如图4所示，副车架上片在拉深过程中，拐角过渡急剧位置发生鼓起，如图4（a）所示，到底后起皱数值最大值达到了0.188 mm，如图4（b）所示 ，CAE分析评估起皱风险较高。

U型结构内部板料流入量受限，此结构为扩张型拉深，板料减薄率达到31.4%，凸台内侧立壁面最大减薄率达到37%，如图4（c）所示，减薄1.714 mm，如图4（d）所示，CAE分析评估开裂风险较大。

图4 仿真分析结果

1.2.4 零件数据优化

如图5所示，根据CAE仿真分析结果判断，零件过渡急剧的区域需要优化变缓，即过渡面的高度方向的落差控制在80 mm左右，水平方向的距离控制在230 mm，并在起皱位置增加5 mm高的凹/凸筋缓解起皱。开裂风险区域在不影响搭接关系时，将尖点位置倒三角面，面积做到980 mm2、开裂R角做到R10 mm、侧壁面做到车身Z向15°，以降低现场调试模具难度和零件开裂风险。

图5 数模造型更改

1.2.5 数据优化的CAE分析结果

零件优化后CAE分析结果如图6所示，副车架在拉深过程中，拐角过渡位置鼓起降低，如图6（a）所示，到底后起皱数值最大值为0.067 mm，如图6（b）所示，CAE分析评估起皱有改善，满足造车要求，但起皱无法完全消除。

U型结构内部位置优化落料线、工艺和零件后，拉深开裂得以解决。板料最大减薄率控制在18.9%以内，凸台区域优化零件后内侧立壁面减薄控制在17.8%以内，如图6（c）所示，最小厚度控制在2.026mm以上，凸台区域最小厚度控制在2.069 mm以上，如图6（d）所示，CAE分析评估满足冲压成形性要求。

图6 优化后仿真分析结果

2 零件现场状态

2.1 首次出件问题及优化策略

如图7（a）所示，椭圆处凸包内侧存在开裂是因为拉深时板料减薄导致，通过打磨凸模可消除该处缺陷；U型结构扩张撕裂如图7（b）椭圆处所示，需要调整凸凹模间隙；变化急剧拐角处拉深起皱如图7（c）椭圆处所示，需确保装配面的平面度及面轮廓度符合设计要求。上述缺陷与前期CAE仿真分析结果判断一致，考虑首次出件结果，需要继续对模具零件进行抛光研合到位，以完全消除这些缺陷。

图7 首次出件零件状态

2.2 模具研合完成后零件状态

为检查模具是否合格，在完成全部工序生产后需要对零件尺寸精度进行测量，主要检测零件的整体外观，确保整体外观没有明显的划痕、起皱、开裂等缺陷，之后再使用检具检测零件尺寸精度，即基准、孔、型面、边界的检测，如图8所示。对最终模具研合后成形的零件检测，结果表明零件的合格率均在 92%以上，符合造车要求。

图8 模具完成研合后零件状态

3 结束语

基于CAE仿真软件对热轧酸洗SAPH440材料成形进行仿真，以某车型副车架上片为例，研究了SAPH440材质对副车架上片成形性的影响。在造型阶段，通过CAE仿真分析板料的成形性，根据分析结果判断板料成形的缺陷，前期将工艺模面和零件结构进行优化，能够在模具铸造前及时判断SPAH440材质成形的可行性。对于CAE分析结果暴露的问题，通过调整板材厚度和工艺实现副车架上片的成形，避免后期因要更换材质而带来的损失，同时缩短了模具开发周期，提高了设计的可靠性。