林启豪，陈其生，刘萍萍

汽车横梁加强板成形工艺设计及成形优化

林启豪，陈其生，刘萍萍

（泉州职业技术大学 中营汽车学院，福建 晋江 362268）

为解决某品牌汽车的横梁加强板成形质量问题，完成冲压工序、冲压方向、工艺补充面和拉延筋等关键工艺的设计，通过Dynaform软件完成变压边力、模具间隙、冲压速度和摩擦系数等4个工艺参数的正交实验，确定最佳工艺参数组合并进行仿真分析和试模实验，实验结果表明：试模件的最大厚度为1.28mm、最小厚度为1.05mm、最大回弹量为1.31mm，试模件与仿真结果的最大厚度、最小厚度和最大回弹量误差分别为1.6%、3.8%和6.1%，结果均符合设计要求。

汽车横梁；冲压成形；工艺参数；成形优化

汽车数量的日益增多以及其使用的日益普及，导致汽车尾气对环境的污染越来越严重，石油能源也越来越短缺。通过减轻车身重量可以降低油耗和减少二氧化碳的排放，因此，如何实现汽车轻量化受到各大汽车产商的关注，成为汽车企业的研究重点[1–2]。汽车轻量化的主要方法有结构优化和材料优化，其中材料优化主要是利用高性能材料替换传统材料以达到减轻车身重量目的。高强钢是一种高性能材料，具有较高的安全性，能在汽车轻量化中得到广泛应用[3–4]。但高强钢在成形过程中常常会有开裂、拆皱和回弹等缺陷，开裂会影响零件的安全性，拆皱会影响零件的美观，回弹会影响到零件后续的装配精度，因此，如何排除这些缺陷是汽车零件成形研究的重点[5–6]。影响汽车零件成形质量的因素有很多，如果仅靠现场工程师通过调整相关参数来消除缺陷，则需要消耗大量时间成本和物质成本，影响汽车生产周期。随着有限元技术的发展，可以通过仿真软件对零件成形工艺和成形参数进行分析，使其达到最优状态。本文以某品牌汽车的横梁加强板为实例，通过工艺分析完成成形工序的设计，利用正交实验法完成变压边力、冲压速度、摩擦系数和模具间隙等4个成形工艺参数优化。

1 汽车横梁加强板成形工艺设计

1.1 冲压成形工序设计

图1为某品牌汽车的横梁加强板三维设计图，零件在横梁上起着加强稳固作用。零件设计厚度为1.2mm，要求零件成形后厚度在0.96～1.32mm之间，最大回弹量要求要小于1.5mm。从图1可以看出，零件左右不完全对称，中间区域深度较深，左右两侧与中间区域过渡角比较容易发生开裂现象，根据零件特点和模具设计要求，零件成形工序拟设为拉延–修边冲孔–翻边–整形。

图1 汽车横梁加强板

1.2 冲压成形工艺设计

1.2.1 冲压方向选择

冲压方向是冲压成形工艺设计的最关键一步，适当的冲压方向能让模具上模顺利进入下模，同时也可使板料受力均匀使板料塑性变形更充分，提高成形质量[7]。汽车横梁加强板的成形采用凸模在下凹模在上的加载方式，成形时要确保上下模的工作面都接触，一次性完成成形；同时压料面要保持进料阻力均匀，如果进料阻力不均匀，则会引起材料在模具中窜动，从而降低零件的成形质量，因此，选择零件左右两侧平面的法线作为冲压方向，如图2所示。

图2 汽车横梁加强板冲压方向

1.2.2 工艺补充面设计

汽车横梁加强板需要多个工序成形，为保证拉延工序顺利进行，需要将零件孔、槽以及边缘进行填充和增补设计，工艺补充要满足拉深、压料等要求，完成工艺补充面和压料面如图3所示。

图3 工艺补充面

1.2.3 拉延筋设计

拉延筋在拉延中起着控制板料流动的作用，其设计是否合理直接影响到成形质量[8]。拉延筯有圆形筋、矩形筋、三角筋和阶梯形筋等4种，其中圆形筋使用最为广泛[9]。

图4 拉延筋设计

图4为汽车横梁加强板圆形筋拉延筋分布，零件中间区域拉延较深，在拉延时四周的材料会快速向中间流动，造成起皱或成形不足够现象，零件的左右两侧凸圆角在成形时材料流动性差容易发生开裂现象，为防止上述问题对拉延筋进行分段设计。

1.2.4 有限元模型设计

将上述设计好的凹模型面导入有限元Dynaform软件，完成凹模、凸模、压边圈和板料以及材料参数等设置，如图5所示。板料牌号为B530L，参数见表1。

表1 板料参数

图5 有限元模型

2 汽车横梁加强板成形优化研究

2.1 正交实验方案设计

影响零件成形的因素除了模具设计因素外还有成形工艺参数，例如压边力、冲压速度、模具间隙和摩擦系数等参数，其中压边力最关键[10]。压边力是指成形过程中施加于压边圈上的作用力，压边力分为恒定压边力和变压边力，恒定压边力是指在成形中压边力大小一直是一个恒定值，变压边力是指在成形中压边力的大小随压边圈行程或时间的变化而变化的一种形式，变压边力与恒定压边力相比能够更有效控制成形中板料的流动性，从而更好减少零件出现开裂和折皱等缺陷。

选取变压边力、模具间隙、冲压速度和摩擦系数作为正交试验因素，以最大厚度和最小厚度为评价目标进行工艺参数优化。变压边力形式有递增型、递减型、Λ型和V型等形式，根据压边力计算公式（式1）计算得变压边力的最高值为3500kN、最低值为2500kN，完成三种加载形式设计如图6所示；根据冲压成形模具间隙的推荐取值为板料厚度的1.0～1.2倍之间，本实验模具间隙选取1.2mm、1.32mm和1.44mm；冲压速度的大小会影响生产效率，根据经验通常为3000～6000mm/s，考虑到实际机床的状况本实验冲压速度选取3000mm/s、4000mm/s和5000mm/s；影响摩擦的因素有很多，为了能符合真实生产情况，摩擦系数通常在0.1～0.3之间，本实验摩擦系数选取0.15、0.20和0.25，各因素各水平取值表见表2。

=×（1）

式中：为压边力（kN）；为压边圈的面积（mm2）；为单位压边力（MPa）。

表2 各因素各水平取值

图6 变压边力加载形式

2.2 正交结果及优化

将正交实验的各工艺参数组合通过有限元Dynaform软件进行仿真成形分析，获得各工艺参数组合的最大厚度和最小厚度的结果，如表3所示。从表3分析结果可以看出，9组实验零件的最大厚度在1.08～1.23mm之间均无超过零件允许值（最大厚度小于1.32mm），最小厚度在0.93～1.17mm之间，第1和7组实验的最小厚度超过零件允许值（最小厚度大于0.96mm），9组实验最大回弹量在1.97～2.59mm之间，均超过允许值（回弹小于1.5mm）。

表3 各工艺参数组的正交试验分析结果

为进一步分析各因素对评价目标影响的主次程度和优化最佳工艺参数组合，对实验结果进行极差分析，如表4和表5所示。其中极差值大小是反应因子的水平对实验结果的影响主次程度。从表4可以看出影响零件最大厚度因素的主次顺序为变压边力、摩擦系数、冲压速度、模具间隙，从表5可以看出影响零件最小厚度因素的主次顺序为变压边力、模具间隙、冲压速度、摩擦系数。由于汽车横梁加强板属于内部零件，不受外观影响且9次实验结果最大厚度都符合设计要求，而过小的厚度会使零件刚强不足影响零件的安全性，因此，将最小厚度作为主评价目标，最大厚度作为次评价目标，获得最佳工艺参数为变压边力形式3、模具间隙1.44mm、冲压速度4000mm/s、摩擦系数0.25。

表4 最大厚度的极差分析

表5 最小厚度的极差分析

2.3 最佳工艺参数模拟分析

将上述的最佳工艺参数在有限元Dynaform软件进行拉延仿真和切边分析，得到优化后零件的成形极限（图7）、零件厚度分布结果（图8）和切边回弹分布结果（图9）。

图7 零件的成形极限

图8 零件的厚度分布

图9 零件的回弹分布

从图7中可以看出，零件无开裂现象，整体成形质量良好；从图8可以看出零件最大厚度为1.26mm、最小厚度为1.01mm，均符合设计要求；从图9可以看出零件回弹主要是发生在左侧，最大回弹量为1.23mm符合设计要求，相比表3实验结果的最大回弹量有明显降低。

3 试模验证

根据设计的模具型面通过CAD软件完成拉延工序模具设计如图10所示。将最佳工艺参数应用于实验中，完成零件试模并利用激光切割机切除试模件边缘和孔区域的材料，如图11所示。从图11可以看出，零件成形充分，无开裂现象，中间区域有轻微起皱现象，整体质量较好。通过厚度测量仪和检具测得试模件的最大厚度为1.28mm，最小厚度为1.05mm，最大回弹量为1.31mm，误差均在设计要求范围内；试模件与仿真结果的最大厚度、最小厚度和最大回弹量误差分别为1.6%、3.8%和6.1%，说明了工艺设计和成形工艺参数优化的有效性。

图10 拉延工序模具设计

图11 试模件

4 结语

通过对零件结构的分析，完成了补充面和拉延筋设计以及有限元模型设计；采用有限元Dynaform软件进行正交实验，得出影响零件最大厚度因素的主次顺序为变压边力、摩擦系数、冲压速度、模具间隙，影响零件最小厚度因素的主次顺序为变压边力、模具间隙、冲压速度、摩擦系数。确定最佳工艺参数为变压边力形式3、模具间隙1.44mm、冲压速度4000mm/s、摩擦系数0.25，并进行仿真分析和试模实验，实验结果表明：优化后的工艺参数组合成形质量较好，最大厚度为1.28mm，最小厚度为1.05mm，最大回弹量为1.31mm，误差均在零件设计要求范围内。

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Forming Process Design and Optimization of Automobile Beam Stiffener

LIN Qi-hao, CHEN Qi-sheng, LIU Ping-ping

(Zhongying Automobile College, Quanzhou Vocational and Technical University, Jinjiang Fujian 362268, China)

In order to solve the forming quality problem of beam stiffener of a brand of automobile, the design of key processes such as stamping process, stamping direction, process supplementary surface and drawing rib is completed. The orthogonal experiments of four process parameters such as variable blank holder force, die clearance, stamping speed and friction coefficient are completed through Dynaform software. The optimal combination of process parameters is determined, and the simulation analysis and mold test experiment are carried out. The experimental results show that the maximum thickness of the test mold is 1.28mm, the minimum thickness is 1.05mm and the maximum springback is 1.31mm. The errors of the maximum thickness, minimum thickness and maximum springback between the test mold and the simulation results are 1.6%, 3.8% and 6.1% respectively. The results meet the design requirements.

stamping forming; process parameters; forming optimization

2022-04-13

福建省教育厅中青年教师教育科研项目（JZ180975）

林启豪（1987—），男，广东信宜人，讲师，硕士，研究方向：汽车轻量化、车辆工程、新能源汽车。

TG386.1

A

2095-9249（2022）03-0032-05

〔责任编校：吴侃民〕