东风本田汽车:高强钢拼焊板前纵梁成形工艺优化

1　零件工艺性分析

图1所示为某新能源轿车前纵梁几何模型及典 型截面参数，材料为不等厚激光拼焊板（TWB），厚 板材料牌号为JAC780Y-45/45，厚度为1.8 mm，薄板 材料牌号为JAC590R-45/45，厚度为1.6 mm，2种材 料均属于AHSS中的高屈强比双相钢（DP钢）。零 件投影尺寸为841 mm×212 mm×214 mm，整体结构 呈不等深几字形，最大深度为82 mm，最小深度为 39 mm，成形深度落差大，顶部和底部圆角较小，均 为R6 mm，长度方向和高度方向均为弧形。由于 JAC780Y-45/45 和JAC590R-45/45 材料的屈强比较 高，而均匀延伸率又较低，无法直接成形前纵梁最 终形状，需要采用多次成形工艺。

2　冲压工艺方案设计

对于几字形截面弧形的高强钢前纵梁，侧壁易 产生反弧变形，为了抑制侧壁反弧并减小冲压回 弹，冲压工艺方案的第1工序可考虑采用“W”成形 工艺，即先将侧壁向外张开，增大侧壁打开角度；第 2工序采用整形工艺，将零件侧边和底部圆角成形 到位；第3工序采用修边工艺，对沿周工艺补充面进 行修剪；第4工序采用冲孔工艺，将所有的定位孔、 安装孔以及工艺过孔进行冲裁。根据上述工艺分 析在CATIA 软件中设计了图2 所示的冲压工艺 排布。

3　成形工艺数值模拟

3.1　材料参数

由于Autoform软件隐式增量有限元迭代求解技 术无需人工加速模拟过程，相对于显示算法能在更 短的时间里获得仿真结果，并能保证求解过程的收 敛，对于开裂、起皱、表面质量等成形性评价较为准 确，适合复杂冲压成形过程的模拟，因此选取Au⁃ toform软件对前纵梁成形工艺进行数值模拟。在冲 压成形过程中，材料的力学性能对最终的成形结果有着重要影响，在使用Autoform软件进行数值模拟 时，必须保证仿真材料的各项参数与实际生产所用 材料保持一致。通过试验测量获得前纵梁所用的 JAC780Y-45/45 和JAC590R-45/45 材料的各项力学 性能指标，如表1所示。

3.2　有限元分析

将前纵梁冲压工艺排布中的各工序工艺数模 分别以IGS格式导出，在进行格式转换时，曲面、曲 线、坐标系需分别以不同的IGS文件存储。然后依 次将各工序IGS格式的工艺数模文件导入Autoform 软件，并将数模缝合公差（stitching distance）设置为 0.5 mm，最大单元边长（max element length）设置为 20 mm，网格精度公差（meshing tolerance）设置为 0.05 mm。最后参照冲压工艺方案进行工序规划、坯 料设计以及工具体设置，并利用网格生成器自动完 成工具条网格划分，获得图3所示的前纵梁全工序 成形仿真有限元模型。

全工序成形仿真模型构建完成后，将仿真精度 类型设置为“FV（final validation）”，提交求解计算， 获得图4所示的“W成形（拉深）”仿真结果和图5所 示的最终工序（翻边+冲孔）仿真结果。由图4（a）可 知，前纵梁“W成形”后零件大面积区域塑性变形不 足，成形不充分。由图4（b）可知，前纵梁最大减薄 率为14.7%，最大增厚率为25.1%，无开裂风险，但是 底部圆角区域出现显著增厚趋势，存在起皱风险。由图5（a）可知，前纵梁最终成形件仍然成形不充 分，同时零件底部圆角在整形后出现开裂缺陷。由 图5（b）可知，前纵梁底部圆角开裂部位减薄率为 24.5%，超出材料20%的减薄率上限，实际生产过程 中易产生开裂。

4　成形工艺优化

4.1　工艺优化设计

前纵梁成形不充分、加工硬化不足不仅会降低 其防撞、抗冲击性能，还会导致回弹更加不可预测， 影响零件成形尺寸精度。而成形开裂则会降低前纵梁的强度，导致其无法满足使用需求。由于“W 成形”属于无压边成形，材料在成形过程中以单向 拉伸为主，难以获得足够的应变。因此，为解决前 纵梁成形不充分问题，需将材料在成形过程中的单 向拉伸尽可能转变为双向拉伸，以增加材料的塑性 变形量。在众多成形方法中，拉深可以使材料获得 较多的双向拉伸变形，所以可以考虑利用拉深成形 替代“W成形”来提高前纵梁的塑性变形。

采用拉深成形虽然可以改善前纵梁成形不充 分的问题，但同时也会使材料在成形过程受到更大 的流动阻力，带来更大的开裂风险。而采用分段多 道次拉深，则可以增大材料的拉深极限，降低材料 在成形过程中的开裂风险。综合分析，考虑选用 “一次拉深+二次拉深”的工艺方案替代“W成形”工 艺方案，以保证前纵梁在不发生开裂的前提下充分 成形，优化后的冲压工艺排布如图6所示。

4.2　数值模拟验证

将优化后的冲压工艺排布转换为IGS格式文件 后，再次导入Autoform软件，提交求解后获得图7所 示的前纵梁全工序成形数值模拟验证结果。由图7 （a）可知，工艺优化后前纵梁成形较为充分，与工艺 优化前相比，成形性改善明显，底部圆角开裂风险也得了有效控制。由图7（b）可知，工艺优化后前纵 梁最大减薄率已减小至16.3%，未超出材料20%的 减薄率上限，且裕度较大，表明前纵梁已无成形开 裂风险。同时，前纵梁最大增厚率也减小至16.0%， 材料在成形过程中的增厚趋势得到抑制，零件起皱 风险较小。综合评价工艺优化后的前纵梁成形性 和减薄率，可以判断零件成形质量良好，可以基于 工艺优化方案开展冲模开发。

5　试模验证

利用优化后的工艺方案进行前纵梁冲模开发， 并进行试模验证，在冲模全工序型面研合率达到 90%后试制前纵梁样件，获得的样件如图8 所示。由图8可知，前纵梁整体成形充分，无开裂、毛刺、扭 曲等质量缺陷，仅在顶部弧面区域出现轻微起皱，但不影响零件的装配性能，符合生产试用标准。样 件质量与工艺优化后的数值模拟验证结果基本 吻合。将前纵梁试模样件安装于检具上，使用三坐标 测量设备对试模样件关键尺寸进行测量，得到的测 量结果如图9所示。由图9可知，前纵梁的定位孔、 安装孔等关键特征的尺寸偏差均在±0.5 mm，零件 具有较高的尺寸精度，满足后工序焊接与装配精度 需求。

▍原文作者:蒋磊，马培兵，张雄飞，谢蛟龙，孙权，王少华

▍作者单位：东风本田汽车有限公司