汽車薄板材料參數(shù)與沖壓質(zhì)量相關性研究

徐　鑫，劉仁東，林　利，丁庶煒，郝志強

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

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汽車薄板材料參數(shù)與沖壓質(zhì)量相關性研究

徐鑫，劉仁東，林利，丁庶煒，郝志強

（鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧鞍山114009）

摘要：汽車薄板沖壓成形過程中，材料參數(shù)的波動會影響成形質(zhì)量。以某汽車前橫梁沖壓成形質(zhì)量為目標，以正交試驗方法確定了材料參數(shù)與沖壓質(zhì)量的相關性，構造了基于響應面模型的穩(wěn)健優(yōu)化設計方法。結(jié)果表明，該穩(wěn)健優(yōu)化設計方法顯著提高了汽車薄板成形質(zhì)量的穩(wěn)定性，具有較高的精度和較強的工程實用性。

關鍵詞：汽車薄板；材料參數(shù)；沖壓質(zhì)量；優(yōu)化設計

徐鑫，碩士，工程師，2008年畢業(yè)于東北大學機械專業(yè)。E-mail：ag_xuxin@163.com

汽車白車身主要由汽車薄板沖壓成形件構成，目前65％以上的汽車沖壓件仍然采用鋼板冷沖壓成形［1］。隨著車身零部件設計越來越復雜化，對沖壓質(zhì)量的要求也越來越高。因此，汽車薄板沖壓技術一直是國內(nèi)外汽車生產(chǎn)企業(yè)、鋼廠及高校的重點關注領域。

在選擇汽車覆蓋件材料時，要科學合理地評價材料的沖壓性能，準確掌握板材性能參數(shù)與沖壓質(zhì)量的關系，以便充分發(fā)揮材料的塑性變形能力，既降低材料成本，又能保證沖壓生產(chǎn)的穩(wěn)定性［2］。本文以某汽車前橫梁沖壓成形作為目標問題，采用正交實驗方法，用實驗結(jié)果的信噪比(/)作為評價指標，確定板材性能參數(shù)與沖壓成形質(zhì)量的相關性。

1　板材材料參數(shù)與成形性的理論關系

根據(jù)板材沖壓成形的理論分析，本文重點關注的性能參數(shù)主要是材料應力-應變關系、楊氏模量及三個方向上的塑性應變比0，45，90［3］。

材料的應力-應變關系是表征材料受外力作用時的行為。材料受力后即發(fā)生彈性變形，這時應力-應變是簡單的線性關系，繼續(xù)增加作用力至一定大小后，材料將出現(xiàn)塑性變形，當塑性變形至一定程度以后，試件破斷則變形過程終結(jié)。

楊氏模量是衡量材料產(chǎn)生彈性變形難易程度的指標，其值越大，使材料發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，即材料剛度越大，亦即在一定應力作用下，發(fā)生彈性變形越小。

2　材料參數(shù)對沖壓質(zhì)量的影響

2.1汽車前橫梁成形工藝分析

該汽車前橫梁零件的結(jié)構特點如圖1所示：拉延深度大、截面變化復雜；中間凸臺拔模角度大，側(cè)壁容易開裂。為了滿足新車型對前橫梁在汽車正面碰撞中的要求，須使用強度較高的材料，這就在工藝上增加了成形抗力，同時對模具的要求變得更高。

圖1　汽車前橫梁幾何模型

2.2試驗因子及水平

為了研究材料參數(shù)對沖壓質(zhì)量影響的相關性，采用正交參數(shù)設計，利用誤差模擬噪聲的干擾，通過正交試驗法安排試驗方案，用實驗結(jié)果的信噪比(/)作為評價指標，根據(jù)對試驗結(jié)果的分析，獲得對成形質(zhì)量的輸出特性影響最小的最優(yōu)參數(shù)值。

擬合采用Johnson-Cook應力-應變關系模型：

擬合結(jié)果如圖2所示。：

圖2　擬合DP600應力-應變曲線

得到DP600應力-應變關系模型為：

材料參數(shù)在一定范圍內(nèi)波動對成形件的質(zhì)量也會造成影響。上述材料參數(shù)波動性范圍為±5％，試驗因子及其水平如表1所示。采用L18(35)正交表進行試驗設計。

表1　正交實驗因素與水平

2.3正交試驗結(jié)果

開裂會直接導致沖壓拉延的失敗，考慮數(shù)值模擬與實際沖壓的比較以及經(jīng)驗，選擇坯料的最大厚度減薄率作為沖壓拉延的質(zhì)量評價指標［4］。本問題為多因素目標優(yōu)化問題，先以最大厚度減薄率為質(zhì)量評價指標，利用正交試驗的極差分析，篩選出關鍵影響因素，再進行基于二階響應面模型的穩(wěn)健優(yōu)化設計［5］。試驗設計方案和計算結(jié)果見表2。

表2　試驗設計方案和計算結(jié)果

2.4建立二階響應面模型

經(jīng)過分析正交實驗結(jié)果，得出該汽車前橫梁沖壓拉延的最大減薄率主要取決于應力應變曲線關系和楊氏模量兩個關鍵因素，因此，采用以A= 988.9 MPa，B=210 000 MPa為中心的八邊形等徑因子設計的試驗設計。兩個關鍵因素的取值范圍為：

八邊形等徑設計如圖3所示。取9個試驗點進行數(shù)值模擬試驗，并通過下面公式進行變量編碼：

圖3　八邊形等徑設計

表3　八邊形等徑設計試驗結(jié)果

對以上數(shù)據(jù)的擬合，設定：

由此可以計算出擬合系數(shù)：

由此，最大減薄率的二階響應面模型為：

應用MATLAB二元非線性約束回歸優(yōu)化，得出最優(yōu)解的變量編碼穩(wěn)定點，即穩(wěn)健優(yōu)化設計解，設定：

由變量編碼公式，可以求出穩(wěn)定優(yōu)化設計解的原變量值為：

3　穩(wěn)健優(yōu)化設計結(jié)果分析及驗證

將上述所得的關鍵工藝參數(shù)的穩(wěn)健優(yōu)化設計方案(應力應變系數(shù)為943.7 MPa，楊氏模量為209 097MPa)進行數(shù)值仿真模擬，選取0、45和90為噪聲因素，利用正交表L9(32)對該組工藝參數(shù)方案安排9組噪聲情況進行試驗，并分析差值。穩(wěn)健最優(yōu)工藝方案的成形結(jié)果分析見表4。

從表4可以看出，對于質(zhì)量評價指標，最大厚度減薄率最大值為0.246，最小值為0.245，板料厚度變化率差值都在0.001以內(nèi)，具有較高的精度和很好的抗干擾能力，即有很好的穩(wěn)健性，說明該穩(wěn)健優(yōu)化設計方法可在沖壓工藝優(yōu)化中應用，具有較強的工程實用性。該汽車前橫梁最終的沖壓成形結(jié)果如圖4所示。

圖4　前橫梁沖壓成形結(jié)果

表4　穩(wěn)健最優(yōu)工藝方案的成形結(jié)果分析

4　結(jié)論

(1)采用正交試驗設計方法，研究了材料應力-應變關系、楊氏模量，以及三個方向上的塑性應變比0、4590對某汽車前橫梁成形質(zhì)量的影響。影響程度和趨勢為應力應變曲線關系>楊氏模量>90>0>45。

(2)構造基于二階響應面的穩(wěn)健優(yōu)化設計方法，以優(yōu)化設計方案(應力應變關系參數(shù)=943.7、楊氏模量=209 097)進行數(shù)值仿真模擬，板料的最大厚度減薄率的變化差值為0.001，沖壓成形質(zhì)量穩(wěn)定。

參考文獻

［1］張啟森.淺談汽車車身材料的發(fā)展趨勢［J］.汽車維護與保養(yǎng), 2012(7):58-59.

［2］崔令江.沖壓板材的成形性［J］.鍛壓機械,1997(3):23-25.

［3］陳新平,蔣浩民,李淑慧.材料參數(shù)對模擬件沖壓成形的影響［J］.塑性加工技術,2004(5):55-57.

［4］雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形技術CAE［M］.長沙：長沙國防科技大學出版社,2003.

［5］陳立周.穩(wěn)健設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社, 1999.

(編輯袁曉青)

修回日期：2015-06-25

Study on Correlation Between M aterial Param eters and Stam ping Quality of Autom otive Steel Sheet

Xu Xin,Liu Rendong,Lin Li,Ding Shuwei,Hao Zhiqiang
(Iron & Steel Research Institutes of Ansteel Group Corporation,Anshan 114009,Liaoning China)

Abstract:During the stamping of automotive steel sheet, the shaping quality can be influenced by the fluctuation ofmaterial parameters.Taking the stamping quality of the front cross beam of an automotive as the test objective,the correlation between the material parameters and the stamping quality was determined by the orthogonal experimentalmethod and consequently the moderate optimum design method based on the response surface model was built.The testing results show that the stability of the shaping quality of automotive steel sheets can be improved significantly by application of the moderate optimum design method,indicating that this method has relatively high accuracy and strong engineering practicability.

Key words:automotive steel sheet;material parameter;stamping quality;optimization design

中圖分類號：TG335

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4613（2016）01-0020-05