供稿|韓丹，趙廣東 / HAN Dan, ZHAO Guang-dong

根據(jù)零件的成形特征選擇合適的汽車板材料、選擇最優(yōu)成形工藝以及有效地控制成形質(zhì)量，一直是實(shí)現(xiàn)汽車車身大批量制造的關(guān)鍵技術(shù)。選擇合適的鋼板以滿足零件的成形要求，實(shí)現(xiàn)材料的對路供應(yīng)，使材料的變形潛力得到最大程度的發(fā)揮，可以大大降低產(chǎn)品的成本，并且保證零件成形的穩(wěn)定性，是汽車廠和鋼鐵企業(yè)所共同追求的目標(biāo)[1-2]。

譚善錕根據(jù)零件的外形、變形大小以及對材料性能的不同要求將汽車覆蓋件分為深拉延成形、脹形-深拉成形、淺拉延成形、彎曲成形和翻邊成形五大類，并總結(jié)出影響不同類型覆蓋件成形的板料性能參數(shù)。趙潤鳴等人也在汽車沖壓零件應(yīng)變分類及選材專家系統(tǒng)的開發(fā)中做了相關(guān)的工作[3-4]。汽車覆蓋件外形復(fù)雜，立體曲面多，成形難度較大，大部分零件都是多種變形方式的結(jié)合，因此可以在研究覆蓋件自身的成形特點(diǎn)基礎(chǔ)上分析復(fù)合成形的特點(diǎn)以及影響其成形性的主要因素[5]。

本文以S梁為例，采用有限元分析軟件PAMSTAMP 2G對零件沖壓成形過程進(jìn)行模擬，考慮零件的變形特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了屈服強(qiáng)度、塑性應(yīng)變比對板料成形性的影響，確定了S梁零件沖壓成形的主要性能指標(biāo)和選取范圍。

S梁有限元模型的建立

某車型S梁零件如圖1所示，尺寸為250 mm×160 mm×40 mm，零件上A區(qū)所示部位具有彎曲變形的特征，B區(qū)所示部位具有深拉延變形的特征。

圖1 S梁零件圖

圖2為利用PAM-STAMP 2G軟件建立的S梁有限元模型。

圖2 S梁的有限元模型

沖壓成形模擬過程中，板料與模具間的摩擦系數(shù)采用的是PAM-STAMP 2G軟件默認(rèn)的摩擦系數(shù)，值為0.12。軟件采用動力顯示算法求解。采用單動成形方式，壓邊過程中凹模運(yùn)動速度為2 m/s，成形過程中凹模運(yùn)動速度為10 m/s。

本文選用本鋼生產(chǎn)的厚度為1.0 mm的DC03冷軋薄板為試驗(yàn)材料，表1列出了DC03材料性能參數(shù)。

表1 DC03材料性能參數(shù)

成形結(jié)果分析

圖3為S梁沖壓完成后的成形極限圖。從圖3(a)中可以看到，零件整體落在安全區(qū)域內(nèi)，而在紅圈所示區(qū)域內(nèi)，有瀕臨破裂的危險(xiǎn)。零件壓邊部位有嚴(yán)重起皺現(xiàn)象，但因該區(qū)域不是零件的有效工作區(qū)，所以不會影響到零件的整體成形性。由圖3(b)成形極限圖的應(yīng)變狀態(tài)分布可知，部分應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)分布在破裂危險(xiǎn)區(qū)，零件變形包括拉延、平面變形以及脹形，成形安全裕度約為5.2%。

圖3 S梁沖壓完成后的成形極限圖

圖4(a)和4(b)分別為S梁的厚度分布圖和減薄率分布圖。從圖4(a)中可以看出，除了板料的凸緣部分厚度略微增加外，零件的大部分區(qū)域均減薄，成形后零件最小板料厚度為0.74 mm，最大板料厚度為1.01 mm。從圖4(b)可得到板料的最大減薄率為26.0%。

圖4 (a)厚度分布及(b)減薄率分布

以上模擬結(jié)果是在較理想的條件下進(jìn)行的，但在實(shí)際的沖壓成形過程中，工藝參數(shù)（如壓邊力、模具間隙、潤滑條件）和材料性能參數(shù)都對成形過程有一定的影響。即使是鋼廠生產(chǎn)的同一牌號板料，它們的性能參數(shù)也不是恒定不變的，而是在一定范圍內(nèi)波動的。例如本鋼生產(chǎn)的DC03，其屈服強(qiáng)度的波動范圍為120~240 MPa。所以對上述的模擬結(jié)果而言，在材料性能波動的情況下，零件有可能會出現(xiàn)破裂或嚴(yán)重起皺現(xiàn)象。

根據(jù)S梁的彎曲變形和深拉延變形特點(diǎn)，影響其成形的主要力學(xué)性能參數(shù)為屈服強(qiáng)度Rp0.2和塑性應(yīng)變比r[6-7]。利用PAM-STAMP 2G有限元軟件對沖壓成形過程進(jìn)行模擬，分析材料性能參數(shù)的波動對零件成形的影響，以板料最大減薄率的大小判斷成形性的好壞，最大減薄率越大，成形性越好。用成形極限圖來斷定零件是否發(fā)生破裂。

圖5 不同Rp0.2值時的成形極限圖

屈服強(qiáng)度影響規(guī)律

保持材料性能參數(shù)Rm=305 MPa，r=2.1，n=0.22不變，取材料屈服強(qiáng)度Rp0.2分別為120 MPa、160 MPa，200 MPa、240 MPa，即屈強(qiáng)比Rp0.2/Rm分別為0.31、0.52、0.66、0.79進(jìn)行仿真計(jì)算。成形后零件的最大減薄率分別為：25.8%，26.0%，27.1%，28.6%。說明最大減薄率隨著屈服強(qiáng)度的增大而增大。

圖5為屈服強(qiáng)度Rp0.2變化時的成形極限圖。如圖5(a)所示，Rp0.2=200 MPa時的應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)均位于FLC曲線下方，此時板料未發(fā)生破裂。而如圖5(b)所示，Rp0.2=240 MPa時的部分應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)超過FLC曲線，板料出現(xiàn)破裂。說明屈服強(qiáng)度增大，屈強(qiáng)比也增大，板料發(fā)生塑性變形困難，降低了材料的成形性，增大了破裂的機(jī)會。

屈服強(qiáng)度Rp0.2=120 MPa和Rp0.2=160 MPa時的成形極限圖與圖5(a)相似，且應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)均處在安全區(qū)域內(nèi)。因此，在滿足本鋼DC03性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，即120 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，Rm≥270 MPa，順利沖壓出合格的S梁零件應(yīng)將屈強(qiáng)比Rp0.2/Rm控制在≤0.66。

塑性應(yīng)變比影響規(guī)律

保持材料性能參數(shù)Rp0.2=160 MPa，Rm=305 MPa，n=0.22不變，分別取塑性應(yīng)變比r值為1.9、2.0、2.1、2.4、2.6進(jìn)行仿真計(jì)算。成形后零件的最大減薄率分別為：29.0%、26.5%、26.0%、21.8%、20.9%。說明板料的最大減薄率隨著塑性應(yīng)變比的增大而減小，提高了板料的成形性。

圖6為塑性應(yīng)變比r值變化時的成形極限圖。當(dāng)r=1.9時，零件上局部應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)超過FLC曲線，出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖6(a)所示。當(dāng)r=2.0時，整個零件上的應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)多數(shù)處在FLC曲線下方，有少量的應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)處于破裂危險(xiǎn)臨界區(qū)，零件整體未發(fā)生破裂，如圖6(b)所示。

塑性應(yīng)變比r值為2.1、2.4、2.6時的成形極限圖與圖6(b)相似，且應(yīng)變狀態(tài)點(diǎn)都在FLC曲線下方，位于安全區(qū)域內(nèi)。由此可以得出，r值增大，板料在平面方向上的變形比厚度方向上的變形更容易，抵抗減薄能力也增強(qiáng)。降低了板料因變薄而引起破裂的機(jī)率。因此，對于S梁零件，為了保證零件的順利成形，塑性應(yīng)變比應(yīng)控制在r≥2.0。

綜上所述，塑性應(yīng)變比r對板料成形性的影響更大，r值是影響零件成形材料敏感參數(shù)。塑性應(yīng)變比r值大的材料成形性好，保證零件沖壓成形材料關(guān)鍵性能參數(shù)的選取準(zhǔn)則為：在滿足本鋼DC03性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，即120 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，Rm≥270 MPa，并且要求較小的屈服強(qiáng)度，控制屈強(qiáng)比Rp0.2/Rm≤0.66，塑性應(yīng)變比r值≥2.0。

圖6 不同r值時的成形極限圖

結(jié)論

利用有限元仿真模擬軟件研究材料性能參數(shù)變化時對S梁零件成形的影響，以成形極限圖和最大減薄率作為判斷依據(jù)，獲得了沖壓該零件時最佳的材料參數(shù)性能范圍。

(1) 采用有限元模擬方法仿真零件的沖壓成形過程，可以為實(shí)際的汽車覆蓋件成形工藝設(shè)計(jì)和合理選材提供重要的參考和指導(dǎo)作用。

(2) 保證零件穩(wěn)定成形的關(guān)鍵性能參數(shù)及制范圍為：在滿足本鋼DC03性能標(biāo)準(zhǔn)條件下：即在120 MPa≤Rp0.2≤240 MPa，Rm≥270 MPa的條件下，應(yīng)將屈強(qiáng)比控制在Rp0.2/Rm≤0.66，塑性應(yīng)變比r≥2.0。

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