主應(yīng)變分析在成形零件邊部開裂中的應(yīng)用

陸靜易，彭文虎，劉 振，許立強(qiáng)，龔 豪

（1.廣西汽車集團(tuán)有限公司，廣西 柳州 545007；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007；3.安徽福達(dá)汽車模具制造有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

在汽車輕量化驅(qū)動下，高強(qiáng)度鋼板在汽車結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用越來越廣泛。因高強(qiáng)度鋼板塑性變形性能相對較差，同時為降低生產(chǎn)成本，提高材料利用率，高強(qiáng)度鋼板汽車零件越來越多地采用落料成形工藝。780DP 雙相鋼具有較高的強(qiáng)度，也有一定的塑性變形能力，是汽車結(jié)構(gòu)件的優(yōu)選材料之一，但落料成形時易出現(xiàn)成形零件邊部開裂?，F(xiàn)針對實際模具開發(fā)，高強(qiáng)度鋼板零件成形邊部開裂問題，采用沖壓CAE 中主應(yīng)變分析數(shù)值評判其成形零件邊部開裂風(fēng)險，制定解決方案，并進(jìn)行驗證，為邊部開裂提供解決方案。

1 高強(qiáng)度零件邊部開裂

某乘用車左前大梁材料為寶鋼HC420/780DP，料厚為1.4 mm，外形尺寸為986 mm×184 mm×247 mm，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如圖1 所示。零件采用落料成形工藝，零件周邊在落料后不再切邊，模具制造后進(jìn)行調(diào)試時，因落料模延后完成，前期采用激光切割代替沖壓落料，成形后零件較少出現(xiàn)邊部開裂。在零件生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行在線調(diào)試時，采用落料模沖壓毛坯，成形后零件出現(xiàn)大量邊部開裂，超過80%，不能滿足批量生產(chǎn)要求，如圖2 所示。將成形零件開裂處對應(yīng)落料后毛坯邊緣拋磨光順再沖壓成形，則開裂率下降。

圖1 左前大梁

圖2 左前大梁開裂

2 邊部開裂分析

零件成形時在拉應(yīng)力的作用下，邊部斷面微裂紋和微空洞會成為開裂源，不斷聚齊和擴(kuò)大，引起板料過早在邊部開裂。初步分析，激光切割毛坯斷面較平整光順，邊部微裂紋及微空洞少甚至沒有，在成形過程中承受拉應(yīng)力時，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，能較好地減少甚至消除邊部開裂。根據(jù)沖裁機(jī)理，對于左前大梁落料這類普通沖裁，在沖裁過程中凹模刃口和凸模刃口產(chǎn)生的2 條裂紋難以吻合，在2 條裂紋間會發(fā)生撕裂，斷面微裂紋和微空洞難以避免。當(dāng)對落料后毛坯邊緣拋磨光順后，局部微裂紋及微空洞顯著減少甚至消除，有效減少了成形零件邊部開裂。對于大批量沖壓生產(chǎn)，考慮生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，采用激光切割毛坯或?qū)β淞虾竺鬟吘墥伖獾姆椒ú豢尚?，必須采取其他方法解決成形邊部開裂問題。

采用沖壓CAE 分析軟件AutoForm 對成形過程進(jìn)行分析，成形極限圖如圖3所示，料厚變薄率如圖4 所示。在實際零件的開裂部位，成形極限圖顯示為安全（safe）最大變薄率為7.3%，變薄標(biāo)準(zhǔn)為＜17%，變薄率未超標(biāo)。分析結(jié)果表明，對于材料為HC420/780DP 的高強(qiáng)鋼零件，不能采用常規(guī)的成形極限圖和料厚變薄率指標(biāo)評判零件邊部開裂情況，需尋找其他指標(biāo)進(jìn)行評判。按標(biāo)準(zhǔn)定義，最大力塑性延伸率Ag為金屬材料拉伸試驗過程中受力最大時原始標(biāo)距的延伸與引伸標(biāo)距Le之比，如圖5所示，延伸率超過Ag后，試樣將進(jìn)入縮頸和斷裂階段。由于高強(qiáng)鋼整體塑性差，材料進(jìn)入縮頸和斷裂階段時，主應(yīng)變數(shù)值超過Ag區(qū)域，特別是存在斷面微裂紋和微空洞的邊部區(qū)域風(fēng)險最大。

圖3 成形極限圖

圖4 料厚變薄率

圖5 延伸定義

采用AutoForm 軟件對左前大梁成形工序進(jìn)行分析，主應(yīng)變分析結(jié)果如圖6所示，最大主應(yīng)變部位與實物開裂部位一致。AutoForm 軟件分析所使用的材料參數(shù)如圖7 所示，Ag（最大力塑性延伸率）為11.7%。最大主應(yīng)變?yōu)?.135，明顯大于Ag值?；谝陨戏治觯诮鉀Q左前大梁邊部成形開裂問題時，考慮使用主應(yīng)變分析數(shù)值評估邊部開裂，以Ag數(shù)值作為評判標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 主應(yīng)變

圖7 材料參數(shù)

3 邊部開裂問題解決方案

在確定以Ag值為標(biāo)準(zhǔn)、采用主應(yīng)變CAE 分析數(shù)值評判邊部開裂的分析方法后，制定了解決左前大梁成形邊部開裂的措施。在保證零件成形力的前提下，增加邊部開裂部位局部邊寬，加大成形力承載截面面積，以降低開裂部位的主應(yīng)變。利用Auto-Form 軟件進(jìn)行成形CAE分析，加大局部邊寬后成形工序分析結(jié)果中主應(yīng)變數(shù)值如圖8 所示，原開裂部位最大主應(yīng)變?yōu)?.095，小于Ag值，為Ag值的81%；成形極限圖顯示為安全（safe），最大變薄率為5.2%。

根據(jù)CAE 分析結(jié)果，確定整改方案：按更改后的毛坯線更改落料模，同時增加局部切邊，切除成形后多余的料邊，消除成形零件邊部開裂，以滿足大批量沖壓生產(chǎn)需求。實施該方案后，進(jìn)行2 批次正常沖壓，左前大梁超過3 000 件未發(fā)現(xiàn)邊部開裂，整改完成后生產(chǎn)的左前大梁如圖9所示。

圖8 加大邊寬主應(yīng)變

圖9 整改后生產(chǎn)的左前大梁

解決此零件的邊部開裂問題后，參照上述方法，對此車型的右前大梁和其他車型的類似前大梁進(jìn)行了沖壓CAE 分析評估，并制定了相應(yīng)的解決方案，取得了較好的效果。

4 結(jié)束語

通過對左前大梁邊部開裂問題進(jìn)行分析，制定了解決方案，采用以Ag值為標(biāo)準(zhǔn)，用主應(yīng)變CAE 分析數(shù)值評估高強(qiáng)度鋼板零件成形邊部開裂的方法，解決了實際沖壓生產(chǎn)時零件邊部開裂的問題，但該理論依據(jù)還需要進(jìn)一步研究探討。