CAE技术在提升汽车冲压部品品质的研究与应用

摘 要：通过汽车后纵梁产品进行全工序CAE成形性分析，探寻提升高强板（抗拉强度≥590MPa）拉延部品尺寸合格率的方法。对部品各工序进行CAE分析，并评估各工序的回弹、起皱、翘曲、减薄率、边缘开裂的情况，同时，在对应工序进行CAE回弹补偿，将开模CAE精度提升至±0.5mm，通过进一步跟踪实物T0品的品质状况，评价此方法的有效性。结果表明，对高强板产品进行全工序CAE分析，并对工序数据进行回弹补偿，将开模CAE精度提升至±0.5mm后，可以大幅度提升T0品的合格率，并有效缩短开发周期。

关键词：汽车钣金 后纵梁 高强板（抗拉强度≥590MPa） J/Stamp 全工序CAE分析 CAE精度提升 T0品质

0 引言

新能源汽车崛起带来的变革，对汽车冲压产品的技术发展提出更高的要求。轻量化的需求，加速冲压产品材料高强板化的趋势发展。短周期的开发要求，对冲压产品快速提升品质及缩短开发周期也带来更多的课题。

实现车身轻量化和满足汽车敏捷开发的技术应用已成为必然趋势。然而由于高强钢冷成型困难、易开裂和回弹等问题，会直接影响零件的尺寸稳定性及开发周期。

对于以上的课题，如何掌握材料特性，基于全工序CAE分析精度的提升控制品质及交期，而不仅仅依赖后期钳工经验调试模具，将是重要的解决方案之一。

1 技术现状

现阶段，以后纵梁为例类似的高强板（抗拉强度≥590MPa）深拉延部品，主要通过对单一成形工序的分析进行前期的判断，产品品质提升主要通过后续产品实物试模时根据试模结果，结合调试人员经验进行改模，按照此现状会有几个问题：

（1）CAE分析结果与试模实物检测结果差异很大，CAE分析不能有效指导模具开发。

（2）产品的品质特性如翘曲、回弹、开裂、减薄不能准确预测并有效对策。

（3）产品品质提升慢，存在无法满足品质要求风险。

（4）调试周期长，无法满足敏捷开发要求。

（5）调试频次多、长时间的改模调试会导致模具开发成本急剧上升。

（6）无法有效积累开发经验。

2 产品特征

图１所示为乘用车的后纵梁主体部品，材质HC340/590DP，料厚2.0mm，是保证车身碰撞性能的核心部件。该零件纵向连接门槛，两侧法兰边和内轮罩、B柱内板焊连接在一起，因此法兰边尺寸精度要求高。零件表面有较多特征，两侧立壁拔模角度小于5°，拉延深度H＞100mm。综上，此部品具有材料强度高、产品尺寸大、尺寸精度要求高、造型复杂等特点。

基于此部品结构及品质要求，采用拉延工艺，部品品质风险点如（图2）所示，会出现扭曲、回弹、起皱、开裂的风险。

针对以上各原因，如果开发前期CAE分析精度质量差，只单一对成形类工序作分析，在模具调试阶段只能更多依赖改模工程师和模具钳工的经验，这样在带来品质、交期无法保证的同时，也会增加模具开发成本。反之将大幅缩短开发周期和降低模具成本。因此通过全工序CAE分析及提升CAE分析精度很有必要。

3 产品工艺

根据产品结构、材料、尺寸及品质要求，采用（1+5）工序的冲压工艺开发，具体工艺OP05落料、OP10拉延、OP20修边冲孔、OP30侧成形、OP40冲孔/侧冲孔/侧修边、OP50冲孔/侧冲孔/侧修边。

为了提高产品材料利用率，增加OP05PRG落料工序，其余工序则综合工序成形力、加工成本及生产效率等因素、因此选用3000吨TRF设备。

4 材料性能验证

此部品使用的材料HC340/590DP t=2.0mm虽然已经是成熟的汽车用材，材料屈服强度区间是360～590Mpa，延伸率24%～36%，屈服及延伸率波动范围较大。

材料的力学性能会影响到冲压产品的品质及稳定性。CAE分析中使用的材料机械性能是否同实际材料机械性能的一致性，也是决定CAE分析精度的因素之一。

尤其是高强板材料，对于相同牌号的材料，即使同一家钢材厂家不同高炉、不同产线、不同批次的材料力学性能也存在较大差异。这种差异，会对模具开发调试和量产生产带来很多品质波动。所以，在进行模拟分析前，如何评价并得到可靠的材料力学性能数据显得尤为重要。

①通过对目标材料进行拉伸试验、摩擦力测试及FLD试验，获取实际使用材料的力学性能数据。形成最终的材料卡及Y-U曲线。

②用实物样件试冲压进行结果对比，获得实物与材料标准的差异。

5 CAE分析及回弹补偿

采用的CAE分析软件是J/Stamp和AutoForm，AutoForm主要用于前期的工艺设定参考，可快速地分析产品的质量缺陷。J/Stamp用于对分析结果偏离的回弹及翘曲数据获得，结合回弹数据进行补偿，可以有效提升开模CAE分析精度。根据分析问题在工序内进行工艺及数据优化，通过数字阶段的数据优化迭代，取代实物阶段的改模调试。

5.1 工艺设计说明：对OP10～OP50进行全工序的CAE分析

（1）此产品特征：高度Z=45mm方向上较大的落差，在宽度Y方向是歪扭的结构。

（2）工艺设计因素：需要考虑因高度导致的局部开裂、起皱和因结构歪扭导致的翘曲等风险。

（3）采取方案：

①通过设置拉延筋结构及布置从而对材料流动进行控制缺陷产生。

②为了提高坯料利用率获得最大的产品利润和消除坯料应力对产品成形品质影响，根据制件轮廓，采取开卷落料套材的形式，同时因产品高度较高、拉延深度深产品材料比较厚2mm的特性，而采用半开口式拉延的形式拉延工艺。

综合以上考虑，对各工序要素进行设置、优化，经过分析，得到制件优化的成形结果，OP10 DR工序分析产品R角测量值存在开裂风险，经过优化工艺面及产品数据后，各工序成形性合格，详细见图３。

5.2 减薄率分析

减薄率分析是成形分析中的重要指标，考虑实际生产过程中产品的来料会存在机械性能波动的问题，所以不同材料减薄率的判定标准不同，为确保量产后材料波动影响品质，分析时需要预留安全裕度，判定标准会提高一个等级。对于关键的边缘开裂，产品形状中间位置和边缘位置因为钢板横纵力学结构不同的原因，减薄率的评判标准也不同，数据监测时应选取不同位置进行检测。图４是各工序减薄率情况，通过全工序分析可以充分预判各工序件潜在的减薄失效风险。

5.3 各工序起皱分析

对于产品的起皱，通过全工序分析可以模拟材料在各工序流动情况，并根据分析结果及时更改工艺补充面和调整拉延筋的分布情况。在避免产品出现品质缺陷的同时，还可以最大限度提升拉延工艺产品的材料利用率。对于起皱、叠料的判断，在基于CAE分析结果的同时，也要参考产品图纸中的外观及对应面的精度要求综合评判，避免品质要求过剩。详细分析件图５，各工序起皱情况符合要求。

5.4 各工序回弹分析

高强度钢板应力，由于其残余应力增大引起面畸变和回弹效应，易产生成形后弹性引起回弹和翘曲问题，回弹和翘曲是高强板深拉延部品最难解决的课题，会存在以下课题：

（1）采用拉延的产品因成形过程中材料应力导致会结构失稳，需要通过全工序分析评估各工序的风险，并且针对各工序分析结果对工艺及模具结构进行优化。

（2）采用拉延工艺的产品在修边后，因为废料去除后产品外形的改变，会导致产品结构应力发生变化，需要全工序分析评估各修边工序回弹情况，并根据各工序回弹情况对工序数据进行补偿优化。

（3）修边后的轮廓如果在后工序继续进行如翻边、压包等成形工艺，会出现边缘开裂的风险，全工序分析能及时发现风险并对策。

通过全工序的CAE分析评价，对DR和C-FO工序数据进行回弹补偿后，达成关键尺寸±0.5mm的开模要求，详细见图６。

6 实物验证

完成前期的工艺设定、全工序CAE分析及回弹面补偿后，在模具结构设计时还要充分考虑高强板对模具刚性的影响，及后续加工工序的精细模面工作。

实物阶段，对TO品的合格率检测，获取实物数据。确认全工序CAE分析在产品工艺及模具结构中各项参数的一致性。

此例证产品，通过全工序CAE分析，相对于只对成形工序进行CAE分析及CAE分析精度由原来±2mm提升到±0.5mm，产品T0合格率由58%提升至82%。

通过对比只针对成形工序进行CAE分析的传统方法，全工序CAE分析在提升产品品质的同时，CAE分析的各工序分析结果同实际工序件的回弹、翘曲、减薄、起皱结果一致。详细见表1。

7 结语

对于高强板（抗拉强度≥590MPa）深拉延产品，通过全工序的CAE分析，实时更新CAE材料库数据，可以缩小CAE分析结果与T0实物数据的差异，更好掌握高强板成形规律及成形缺陷整改的对策，通过大量的实际产品应用将数据经验标准化，让CAE模拟分析真正能够为实际生产提供更好的支持。

参考文献：

[1]Jianping Lin1 & Yong Hou1 & Junying Min1 & Huijun Tang1 & John E. Carsley2 & Thomas B. Stoughton2 Effect of constitutive model on springback prediction of MP980 and AA6022-T4 International Journal of Material Forming

[2]平申，张懃.汽车覆盖件模具设计与制造[M].北京：国防工业出版社，1998.

[3]陈文亮.板料成形CAE分析教程[M].北京：机械工业出版社，2005.