梁笑 ，李春林 ，林利 ，徐鑫 ，李萧彤 ，郝志强

（1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室，辽宁 鞍山 114009；2.鞍钢集团钢铁研究院，辽宁 鞍山 114009）

随着近几年汽车轻量化技术水平的不断提高，汽车主机厂为了提升自身品牌竞争力，对于车身的用材设计追求精益求精，一直致力于开展车身结构件的轻量化减重以及非结构件的技术降成本等材料替换研究工作。汽车外覆盖件的重量较大，实施技术降本的效果较为明显，此类零件常常作为工程技术人员的重点研究对象，车门外板作为一种常见的汽车外观件，与一般的汽车结构件相比，具有型面尺寸大，特征复杂、成形质量要求高等特点［1］，由于其成形工艺设计难度较高，在材料应用过程中很容易出现起皱及开裂等冲压缺陷。影响零件发生冲压起皱及开裂缺陷的因素很多，广泛涉及到材料性能、零件特征、成形方案、工艺参数等诸多因素［2-4］，多年来随着有限元仿真技术取得的长足进步，依靠现场实际冲压来进行工艺试错的经验调试法已经被逐渐淘汰，通过CAE仿真软件能够为零件设计全流程的成形工艺方案准确预测板料在成形过程中可能出现的起皱、开裂等产品缺陷，大幅缩短汽车零部件的生产制造周期和工艺调试进度［5］。本文针对某车门外板由于原材料替换为鞍钢产品后引起的冲压起皱和开裂问题，分析了两种材料的力学性能及成形能力变化，同时利用成形仿真软件开展了适用于鞍钢产品的车门外板成形工艺研究。

1 试验材料与分析方法

1.1 试验材料及零件工艺分析

某新能源车型的车门外板如图1所示，其框架尺寸为860 mm×1 170 mm×0.7 mm，由于在鞍钢产品推广过程中提议将车门外板用材由某钢厂DC04钢板替换为鞍钢DC01产品，材料与模具的匹配性发生改变，从而导致零件在实际冲压过程中出现起皱及开裂等问题，因此需要对材料替换前后的两种牌号的成形能力差异及工艺方案展开研究分析。

图1 车门外板Fig.1 Outside Panels of Vehicle Doors

图1所示的车门外板为左右对称零件，该零件的结构特征适合采用一模两件的工艺方案，一般而言，在满足零件成形质量的前提下，应尽可能减少工序数量以降低模具制造成本。因此，将该零件分为4个工序进行冲压成形，即落料—拉延—切边冲孔—翻边整形，其中拉延工序是整个技术方案中零件变形量最大，也是最容易出现起皱及开裂等产品缺陷的关键环节，因此将重点针对拉延工序展开成形工艺分析。

1.2 力学性能及成形极限分析

材料的力学性能及成形极限曲线是表征材料成形能力的主要技术指标，同时也是CAE仿真中定义材料模型时不可或缺的关键输入参数，因此，利用德国Zwick Z100材料拉伸试验机，按照国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》、GB/T 5028-2008《金属材料-薄板和薄带-拉伸应变硬化指数 （n值）的测定》和GB/T 5027-2016《金属材料-薄板和薄带-塑性应变比（r值）的测定》［6-8］分别对 DC01和 DC04两种材料沿着钢板轧制方向 0°、45°、90°制样并开展单轴拉伸试验，分析两种牌号之间的力学性能差异。通过美国ITC SP225万能板材成形试验机，按照国家标准GB/T 15825.8-2008《金属薄板成形性能与试验方法 第8部分 成形极限图（FLD）测定指南》［9］沿着钢板轧制方向90°制样进行两种牌号的成形极限曲线测定，研究材料替换后的成形能力变化以及对工艺设计的影响。

1.3 仿真分析

以成形仿真软件作为分析工具建立目前与实际模具状态一致的单动拉延仿真模型，研究材料替换后出现的起皱及开裂等产品缺陷，为了提高仿真软件对成形结果的预测精度，根据力学性能的试验结果，利用Ludwik本构模型输入高拟合优度的材料应变硬化曲线，由于Hill屈服准则对于r值大于1的钢板具有较高的表征精度［10-11］，因此利用Hill屈服准则建立材料的屈服轨迹，同时根据成形试验结果将材料的极限应变点进行回归，然后建立材料的成形极限曲线，并以Table的形式输入到材料卡片中。

2 试验结果与分析

2.1 力学性能及成形性能结果分析

按照国家标准GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验室温试验方法》［6］中规定的P6试样开展单向拉伸试验，两种材料的力学性能如表1所示，DC04和DC01钢板均存在明显的各向异性，在沿着钢板轧制方向 0°、45°、90°上都出现了一定程度的性能差异，通过对比DC04和DC01的强度性能发现，材料替换后的屈服强度和抗拉强度有所提升，而在塑性性能方面，均匀延伸率Ag、总延伸率A80mm、应变强化指数n值都略有下降，尤其是塑性应变比r值降低的更为明显。

表1 两种材料的力学性能Table 1 Mechanical Properties of Two Types of Materials

材料的强度性能和塑性性能对零件的可成形性影响较大，屈服强度越小，板料在成形时发生塑性变形越容易，发生冲压开裂的可能性也会降低，但是板料起皱发生的风险也会逐渐增加［12］。从表1可见，材料替换后屈服及抗拉强度提高了约20 MPa，说明材料发生塑性变形的难度增加，且屈服强度的提高会降低材料的成形能力，增加冲压开裂的风险，由于车门外板等外覆盖件在车身中不要求具有较大的承载能力，抗拉强度的提高对该零件的功能性影响不大。

均匀延伸率和总延伸率分别表征了材料抵抗颈缩变形和断裂的能力，从表1中发现，材料替换后的均匀延伸率Ag和A80mm总延伸率下降了约1%，说明材料的塑性变形能力变差。应变强化指数n值代表材料进入塑性变形后的硬化能力及均匀变形程度，n值在材料替换后变化不大，但塑性应变比r值降低了约0.4，塑性应变比r值代表板料在厚度方向抵抗塑性变形的能力，r值降低，板料在厚度方向的变形量会增加，在平面内发生的变形量会降低，对冲压成形不利。

DC04和DC01的成形极限曲线如图2所示。

图2 DC04和DC01的成形极限曲线Fig.2 Forming Limiting Curves of DC04 and DC01

通过对比发现，DC01在位于左半部分拉—压变形区和平面应变特征点FLD0与DC04相差不大，位于右半部分的拉—拉变形区的成形极限曲线与DC04相比略有下降，说明材料在抵抗拉—拉变形时的能力变差，总体来看，如果选择用DC01作为替换材料，即使钢板的大部分性能指标变化不大，但材料的r值和双拉变形区的极限应变明显降低，成形能力必然下降，从而导致材料与模具的匹配难度大幅增加，零件的成形工艺设计参数窗口变窄。

2.2 仿真结果分析

根据冲压现场模具的实际情况设计了车门外板单动拉延的仿真模型，如图3所示，该模型从上到下由凹模、板料、压边圈及凸模组成，其中，箭头方向为各模具的运动方向。按照一模两件的工艺方案设计矩形板料尺寸为1 045 mm×2 580 mm×0.7 mm，网格单元类型为EPS-11壳单元，单元细化精度为6级，最小单元尺寸为0.3 mm，最大单元尺寸为20 mm，按照材料替换前DC04的仿真工艺参数设置摩擦系数为0.15、压边力为1 150 kN、恒定拉延筋阻力系数为0.45、压边圈行程为260 mm。

图3 拉延仿真模型Fig.3 Simulation Model for Drawing

2.2.1 成形极限分析结果

成形极限云图能够全面反映材料在冲压过程中的变形情况，是评估零件可成形性的主要判定指标，基于DC04的成形工艺参数及单动拉延仿真模型，输入DC01的材料性能卡片进行仿真计算，建立的仿真模型是按照零件左右对称性设计的一模两件工艺方案，其计算结果以图4的零件中心线为基准左右对称，在进行分析时仅考虑单侧的成形及减薄情况。

图4 仿真结果Fig.4 Simulation Results

从图4仿真结果可见，车门外板的零件特征面在拉延工序完成后大部分处于成形极限图的安全区内，然而，从图4（a）发现，在零件四周及边角（区域A、区域B、区域C）出现了不同程度的板料增厚及起皱情况，这些区域对零件特征影响不大，可以在后续修边工序中切除。从图4（b）可见，在零件的侧壁（区域D、区域E）存在开裂风险，这些区域的板料变形量较大，已经超过成形极限曲线的安全裕度区，说明按照当前的工艺参数进行冲压存在很大的开裂风险。

2.2.2 减薄率分析结果

减薄率云图能够有效反映材料在成形过程中的厚度变化情况，是评估零件成形质量、分析零件冲压缺陷的关键因素，基于成形极限云图的仿真分析结果，针对板料成形后的主要特征面及发生起皱和开裂缺陷的风险区域进行减薄率分析，研究板料替换成DC01后在成形过程中的流动状态和厚度减薄的变化趋势。车门外板的总体减薄率分布如图5所示，在零件主要特征面的减薄率基本在-9.0%～-3.9%，满足最小减薄率-3%的成形工艺要求。

图5 DC01车门外板的总体减薄率分布Fig.5 Distribution of Overall Thickness Reduction Rates for DC01 Outside Panels of Vehicle Doors

DC01局部区域减薄率仿真结果如图6所示，由图6可见，在区域A、区域B和区域C的板料变形量较小，说明板料的流动性较差，在区域A的减薄率甚至出现了正值，说明板料在成形过程中的面内变形受阻，发生了较为严重的板料堆叠增厚情况，从而导致冲压成形后零件四周及边角部位产生起皱。在区域D和区域E的最大减薄率分别达到了-41.2%和-29.0%，超过了材料减薄率-25%的成形安全极限，发生了材料的过度减薄，具有较大的冲压开裂风险，这些风险区域的减薄率分析结果与成形极限云图的预测结果形成了对应关系，而且，利用仿真分析预测的起皱及开裂情况与现场使用DC01来替换DC04进行实际冲压出现的结果基本一致，说明当前建立的仿真模型精准可靠，可以用来开展零件的可成形性分析及工艺优化研究。

图6 DC01局部区域减薄率仿真结果Fig.6 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

3 工艺优化方案

由于材料替换后与模具的匹配关系已经发生改变，保持原有的工艺参数显然已经不能满足零件的成形质量要求，为了研究适用于鞍钢产品的车门外板成形工艺方案，实现模具与DC01钢板的最佳匹配，考虑从摩擦系数、压边力、拉延筋三个方面展开分析。

3.1 优化摩擦系数

模具与板料的摩擦系数是影响零件成形质量的工艺参数之一，摩擦系数过大，板料在成形时流动阻力增加，容易发生开裂风险，摩擦系数过小，可能出现冲压起皱［5］，鉴于当前的材料替换不涉及到板料的摩擦状态改变，因此，摩擦系数依然根据材料替换前0.15进行设置即可。

3.2 优化压边力

板料在压边圈与凹模闭合时，其四周会承受一定的压边力来控制后续成形时板料的流动状态，根据当前的工艺参数仿真结果，零件的主要特征面变形量足够，针对侧壁出现的开裂情况，通过降低压边力的方式来研究对其可成形性的影响，将压边力从1 150 kN调整到880 kN。由于零件四周及边角（区域A、区域B、区域C）的起皱对零件特征影响不大，可以在后续修边工序中切除。因此，针对区域D和区域E进行优化分析，DC01局部区域减薄率仿真结果如图7所示。

图7 DC01局部区域减薄率仿真结果Fig.7 Simulation Results of Thickness Reduction Rates for Local Region in DC01

从图7发现，压边力的减小能够有效改善零件侧壁的拉延开裂风险，区域D和区域E的减薄率已经分别从-29.0%和-41.2%降到-18.9%和-21.5%，然而，对于车门外板等汽车外覆盖件，除了要防止冲压开裂之外，还要保证零件在成形过程中变形量足够。如图8所示，压边力的减小使零件的大部分特征面变形量严重不足，甚至在局部区域还产生了起皱缺陷，而压边力过大，会导致零件的侧壁过度减薄产生冲压开裂，由此可见，仅仅依靠压边力的全局工艺调整并不能同时解决零件的起皱和开裂问题。

图8 零件特征区域的起皱风险Fig.8 Risk of Forming Wrinkles in aracteristic Region of Parts

3.3 优化拉延筋

拉延筋作为一种控制材料变形量和减薄率的关键工艺参数，其灵活的设计方式能够控制板料的局部流动状态，避免车门外板产生冲压开裂。目前的仿真结果采用的拉延筋阻力系数是恒定的0.45，本质上还是全局控制方式，由于区域D和区域E存在开裂风险，应该逐渐减小该区域的板料流动阻力，避免该区域板料的减薄率过大，同时，拉延筋阻力系数太小会造成局部区域的变形量不足，因此，重新设计拉延筋在各区域的分布位置，灵活设计拉延筋的阻力系数，拉延筋分段设计如图9所示。从图9可见，区域D和区域E的拉延筋阻力系数从0.45降低到0.25～0.30，防止区域内的板料过度减薄，零件边角及局部区域的阻力系数从0.45降低到0.40。

图9 拉延筋分段设计Fig.9 Section by Section Design for Draw Beads

4 优化结果

结合将压边力从1 150 kN调整到1 260 kN，最终的仿真结果如图10所示，零件主要特征面的变形量足够充分，区域D和区域E的侧壁开裂风险消失，说明灵活设计拉延筋的分布及阻力系数能够合理控制各个区域的板料流入量，零件的成形状态良好，满足了实际生产要求。

图10 最终仿真结果Fig.10 Final Simulation Results

5 结论

（1）通过对比分析DC04钢和DC01钢力学性能及成形极限的试验结果，可以看出塑性应变比r值和双拉变形区的极限应变下降会导致材料替换后的成形能力变差，零件的成形工艺窗口变窄，模具与材料的匹配设计难度增加。

（2）利用成形仿真软件预测的开裂风险区域与实际冲压情况一致，证明了仿真模型的准确性。零件侧壁处发生的冲压开裂是由于板料流动阻力过大发生了过度减薄和材料的成形性能下降共同所致。

（3）压边力对零件的可成形性具有很大影响，但仅依靠压边力的全局性工艺参数调整不能同时解决起皱和开裂问题。通过拉延筋的灵活设计和压边力的精细调整，将区域D和区域E的拉延筋阻力系数从0.45降低到0.25～0.30，零件边角及局部区域的阻力系数从0.45降低到0.40，压边力从1 150 kN调整到1 260 kN后，车门外板在各个区域的板料流动变形分配合理，侧壁区域的开裂风险消失，满足了客户使用要求，提高了鞍钢产品的推广量及应用稳定性。