基于鋅鋁鎂鍍層的汽車前門內(nèi)板成形工藝研究*

蔣 磊 馬培兵 王 龍 孫 飛 袁新亮 葉禁武

(東風(fēng)本田汽車有限公司新車型中心，湖北 武漢 430056)

耐腐蝕性能是決定車身整體質(zhì)量的一項重要指標(biāo)，對于濕度較大的沿海地區(qū)和氣候環(huán)境較為惡劣的鹽堿地區(qū)，車身的耐腐蝕性能會直接影響汽車的使用壽命[1-2]。為了改善車身的耐腐蝕性能，目前主要使用熱鍍鋅板(GI)或熱鍍鋅鐵合金板(GA)替代冷軋裸板作為車身覆蓋件材料[3-4]。近年來，隨著鋼鐵冶煉、軋制技術(shù)的進(jìn)步以及汽車行業(yè)對于車身防腐性能要求的提高，多種新型合金鍍層材料應(yīng)運而生。在眾多新型合金鍍層材料中，鋅鋁鎂鍍層材料(ZAM)在車身覆蓋件上的應(yīng)用最為廣泛[5-6]。

ZAM板是在傳統(tǒng)GI板的基礎(chǔ)上對鍍層成分進(jìn)行改良，加入少量的Al、Mg等合金化元素而研發(fā)的一種新型材料。鍍層組織由Zn相、Zn/MgZn2二元共晶相和Zn/Al/MgZn2三元共晶相這3種形態(tài)構(gòu)成[7-8]，鍍層成分中，鋁含量為1%～3%，鎂含量為1%～2%，其余為鋅元素。與傳統(tǒng)GI、GA板相比，ZAM板提升了鍍層的耐磨損和抗劃傷性能，改善了鍍層的摩擦及粘滑特性，使材料的拉延成形能力、抗化學(xué)腐蝕性能更加優(yōu)良，能夠適應(yīng)比GI、GA板更加惡劣的腐蝕工況，可減少零件的后續(xù)防腐和防護(hù)處理。在防腐標(biāo)準(zhǔn)不變的條件下，ZAM鍍層可在一定程度上減薄，節(jié)約Zn用量30%以上[9-10]，從而減少汽車工業(yè)對于Zn資源的消耗，材料成本也更加低廉。因此，ZAM板這種更為經(jīng)濟環(huán)保的新型合金鍍層材料在汽車工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

對于汽車前門內(nèi)板的成形工藝，諸多學(xué)者運用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了一系列的研究。焦欣[11]等針對車門內(nèi)板成形過程中出現(xiàn)的局部開裂問題，通過綜合應(yīng)用試驗法和AutoForm有限元仿真技術(shù)，基于正交試驗法對沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，解決了前門內(nèi)板拉延開裂缺陷。龔志輝[12]等通過仿真計算獲取成形后焊縫線與設(shè)計焊縫線各自對應(yīng)離散點之間的偏差，并依據(jù)偏差值對坯料焊縫線離散點進(jìn)行相應(yīng)的偏移，從而將差厚板前門內(nèi)板的焊縫線偏差控制在很小范圍內(nèi)。王輝[13]等采用正交試驗設(shè)計、數(shù)值模擬和多目標(biāo)優(yōu)化相結(jié)合的方法，對拉延工藝參數(shù)及工藝刺破刀高度進(jìn)行了優(yōu)化，改善了前門內(nèi)板開裂和起皺缺陷。劉麗娟[14]根據(jù)前門內(nèi)板產(chǎn)品造型特性，設(shè)計了穩(wěn)健的沖壓工藝方案，并利用AutoForm軟件進(jìn)行了驗證分析，得到了具有一定成形裕度的合格零件。徐肖[15]等針對某車型前門內(nèi)板起皺的問題，利用CAE分析與現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合的方式對起皺原因進(jìn)行分析，并通過調(diào)整凸凹模加工間隙、延遲刺破刀刺破時間，解決了前門內(nèi)板起皺問題。

上述研究主要集中于對GI或GA材前門內(nèi)板的成形仿真及工程應(yīng)用，而對于ZAM材在前門內(nèi)板上的應(yīng)用研究尚無文獻(xiàn)提及。因此，本文通過數(shù)值模擬和試模驗證相結(jié)合的方法，成功將ZAM板在某量產(chǎn)車的前門內(nèi)板上進(jìn)行了替代應(yīng)用。借助AutoForm軟件對該前門內(nèi)板進(jìn)行ZAM材替代GA材的可行性研究，根據(jù)兩種材料成形結(jié)果差異優(yōu)化成形工藝參數(shù)，最終解決了該前門內(nèi)板在量產(chǎn)過程中開裂、拉毛和脫鋅頻發(fā)的問題。

1 工藝分析

選取筆者公司某量產(chǎn)SUV車型前門為研究對象，其幾何模型如圖1a所示。產(chǎn)品外輪廓尺寸為1 125 mm×176 mm×810 mm，采用差厚板進(jìn)行沖壓成形，厚板側(cè)料厚t1=1.2 mm，薄板側(cè)料厚t2=0.7 mm。厚、薄板材質(zhì)相同，均為DC54D-ZF，屬于一種深沖用GA板，內(nèi)、外表面均為鋅鐵合金鍍層，鍍層重量為45 g/。厚、薄板材料以下型為基準(zhǔn)進(jìn)行偏置拼焊，拼焊示意圖如圖1b所示。

前門內(nèi)板由于成形深度大、特征圓角多，拉延成形時極易產(chǎn)生開裂、拉毛及脫鋅等質(zhì)量缺陷，如圖2所示。受工藝參數(shù)波動和材料批次差異的影響，開裂、拉毛和脫鋅等質(zhì)量缺陷會在量產(chǎn)過程中頻頻發(fā)生，從而導(dǎo)致零件額外報廢、生產(chǎn)效率降低。

考慮到左、右件結(jié)構(gòu)對稱的特點，為了便于拉延成形，本文所研究的前門內(nèi)板采用了一模雙件的成形工藝方案。與單獨成形相比，成雙工藝可以減少沖壓模具數(shù)量，削減沖壓模具成本。對于汽車覆蓋件，后工序整形量越大，材料失穩(wěn)和尺寸精度就越難以控制。因此，在成形工藝條件允許的前提下，應(yīng)將盡量多的產(chǎn)品型面在拉延序一次成形。該前門內(nèi)板除分模線區(qū)域的圓角為過拉延外，其余所有特征圓角均為直接拉延成形。拉延工藝模面和模具結(jié)構(gòu)與圖3所示。

2 有限元分析

2.1 材料參數(shù)

前門內(nèi)板用于替代GA板的ZAM板材料牌號為DC54D-ZAM，基體材質(zhì)與GA板相同，僅在鍍層成分和重量上存在差異。由于ZAM板方法性能更好，因此，同等規(guī)格的材料，ZAM鍍層更薄。本文所用到的ZAM板內(nèi)、外表面均為鋅鋁鎂合金鍍層，鍍層重量為35 g/。有限元分析所需要的GA板和ZAM板材料性能參數(shù)如表1所示。

表1 GA板和ZAM板材料性能參數(shù)

傳統(tǒng)GA板與ZAM板的材料屈服面模型均為Hill-48，主要差異為材料硬化曲線類型。GA板一般采用應(yīng)力應(yīng)變曲線來定義硬化曲線，而ZAM板則需要選用基于Swift&Hockett-Sherby公式擬合的材料硬化曲線。Swift&Hockett-Sherby硬化曲線公式如下所示：

(1)

式中：σ為真實應(yīng)力；α=0～1為混合權(quán)重因子；C為Swift材料常數(shù)、強度系數(shù)；εpl為等效塑性應(yīng)變；ε0為Swift材料常數(shù)、初始屈服應(yīng)變；m為Swift材料常數(shù)、應(yīng)變硬化指數(shù)；σSat為Hockett-Sherby材料常數(shù)、流動應(yīng)力飽和值；σi為Hockett-Sherby材料常數(shù)、初始屈服應(yīng)力；p為Hockett-Sherby材料常數(shù)、流動應(yīng)力飽和指數(shù)。

在AutoForm R7材料參數(shù)庫中，對于DC54-ZAM，寶鋼基于試驗數(shù)據(jù)對各項參數(shù)進(jìn)行了定義，具體數(shù)值如表2所示。

表2 DC54-ZAM成形仿真材料參數(shù)

2.2 有限元模型

將前門內(nèi)板拉延工藝模面和坯料線分別以IGS格式導(dǎo)入AutoForm軟件，建立如圖4a所示的有限元模型，該有限元模型包含凸模、壓邊圈、凹模和坯料，坯料形狀、尺寸如圖4b所示。根據(jù)實際工況條件，將沖壓速度設(shè)置為300 mm/s，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15，壓邊力設(shè)置為1 200 kN，壓邊圈行程設(shè)置為150 mm，工程階段選擇計算精度最高的“FV(final validation)”。

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果

利用前門內(nèi)板拉延成形有限元模型在AutoForm軟件中分別進(jìn)行基于GA板和ZAM板的成形數(shù)值模擬，并通過成形極限圖、減薄率、最大失效、表面缺陷高度、材料流入量以及磨損失效極限沖次對兩種材料的拉延成形效果進(jìn)行對比。兩種材料拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5a、5b可知，ZAM板比GA板的成形安全裕度更大。由圖5c可知，GA板最大減薄率為24.4%，雖然小于25%的材料減薄極限，但已超出20%的安全范圍，一旦工藝參數(shù)或材料性能發(fā)生波動，則極易產(chǎn)生開裂；由圖5d可知，ZAM板最大減薄率為19.1%，處于安全范圍以內(nèi)，說明ZAM板相對于GA板開裂風(fēng)險更低。由圖5e可知，GA板最大失效為0.891，超出最大失效需小于0.8的判斷標(biāo)準(zhǔn)，存在一定開裂風(fēng)險；由圖5f可知，ZAM板最大失效為0.631，滿足最大失效判斷標(biāo)準(zhǔn)，說明ZAM板相對于GA板更不容易發(fā)生開裂。由圖5g可知，GA板最大表面缺陷高度為-0.189 mm，符合表面缺陷高度需在±0.2 mm以內(nèi)的要求，零件產(chǎn)生起皺的風(fēng)險較??；由圖5h可知，ZAM板最大表面缺陷高度為-0.445 mm，不滿足表面缺陷高度在±0.2 mm以內(nèi)的要求，零件存在起皺風(fēng)險，說明ZAM相對于GA板更容易發(fā)生起皺。由圖5i、5j可知，ZAM板比GA板的材料流入量更大，說明ZAM板相對于GA板有著更好的材料流動性。由圖5k、5l可知，在沖壓模具材料以及表面處理方式一致的條件下，ZAM板比GA板的磨損失效極限沖次數(shù)更大，說明ZAM板相對于GA板抗磨損性能更好，零件更不容易發(fā)生拉毛以及脫鋅。

綜合分析前門內(nèi)板分別基于GA板和ZAM板的拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果差異可知，與GA板相比，在同等工況條件下，ZAM板材料流動性能和抗磨損性能更好，在拉延成形過程中能夠適應(yīng)更大的工況波動，能夠有效降低零件拉延開裂風(fēng)險以及拉毛和脫鋅的發(fā)生頻次。此外，由于ZAM板在拉延成形過程中更容易向凹模內(nèi)流動，材料失穩(wěn)趨勢更加顯著，從而導(dǎo)致在工藝參數(shù)不變的情況下，ZAM板比GA板更容易產(chǎn)生起皺。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化

數(shù)值模擬結(jié)果表明，前門內(nèi)板材料由GA板切換為ZAM板后，拉延成形的安全裕度顯著提升，開裂、拉毛、脫鋅問題得以解決，但同時也帶來了起皺問題。因此，不能直接對材料進(jìn)行切換，需要對沖壓模具或工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。由于該前門內(nèi)板已經(jīng)批量生產(chǎn)，無法采用沖壓模具型面改修這種周期長、風(fēng)險高的優(yōu)化方案，只能通過調(diào)整工藝參數(shù)來解決起皺問題。

起皺是汽車覆蓋件沖壓成形過程中常見而又難以解決的問題。根據(jù)塑性變形理論，板料在厚度方向上的狀態(tài)極不穩(wěn)定，當(dāng)所受到的壓應(yīng)力超出臨界值時，板料在厚度方向無法維持穩(wěn)定的塑性變形，從而產(chǎn)生壓縮失穩(wěn)。在實際生產(chǎn)中，影響起皺的工藝參數(shù)包括壓邊力、進(jìn)料阻力和摩擦系數(shù)。進(jìn)料阻力的大小由拉延筋決定，摩擦系數(shù)由沖壓模具表面處理方式以及板料清洗方式?jīng)Q定，對于量產(chǎn)沖壓模具這兩項工藝參數(shù)基本不做調(diào)整。因此，解決起皺最方便快捷、又不會對量產(chǎn)沖壓模具和生產(chǎn)設(shè)備造成影響的方法就是調(diào)整壓邊力。

增大壓邊力不僅可以增加材料向凹模內(nèi)的流動阻力，還能增大材料的拉伸變形、減小切向壓應(yīng)力，從而在一定程度上降低材料的失穩(wěn)趨勢。為了能夠得出基于ZAM材的前門內(nèi)板拉延成形的最佳壓邊力，在保持沖壓速度為300 mm/s，摩擦系數(shù)為0.15，壓邊圈行程為150 mm的條件下，將壓邊力設(shè)計為單一變量因素進(jìn)行虛擬實驗。變量區(qū)間設(shè)計為1 300～1 700 kN，以100 kN為增量，從1 300 kN開始逐步增大壓邊力至1 700 kN，并分別進(jìn)行拉延成形數(shù)值模擬。由于材料減薄率與壓邊力呈正相關(guān)變化，當(dāng)壓邊力增大到一定程度時，會導(dǎo)致材料超出拉伸極限，從而產(chǎn)生開裂。因此，選擇最合理的壓邊力需要綜合考慮表面缺陷高度和減薄率。不同壓邊力條件下ZAM材前門內(nèi)板的表面缺陷高度及減薄率數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

對圖6所示的不同壓邊力工況條件下數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出壓邊力對ZAM材前門內(nèi)板拉延成形質(zhì)量的影響如表3所示。

表3 壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響

由表3可知，當(dāng)壓邊力小于1 300 kN時，存在起皺風(fēng)險；當(dāng)壓邊力大于1 500 kN時，存在開裂風(fēng)險。隨著壓邊力的增加，最大減薄率呈逐漸增大趨勢，而最大表面缺陷高度則呈逐漸減小趨勢。對比可知，滿足ZAM材前門內(nèi)板拉延成形質(zhì)量，保證零件不開裂、起皺的最佳壓邊力為1 400 kN。

4 試驗驗證

按照基于ZAM板的拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果對前門內(nèi)板進(jìn)行試模驗證，試驗選用額定能力為24 000 kN的機械壓力機，工藝參數(shù)與最終優(yōu)化后的仿真數(shù)據(jù)保持一致。首次試模即獲得無開裂、起皺、拉毛以及脫鋅的合格零件，所獲得的試模件如圖7a所示。為了驗證ZAM材前門內(nèi)板拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在試模過程中還進(jìn)行了FLD等效網(wǎng)格應(yīng)變測試，經(jīng)計算得出試模件最大減薄率位于厚、薄板拼焊線附近，該部位實際減薄率為18.7%，如圖7b所示，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

基于試模結(jié)果對前門內(nèi)板材料進(jìn)行切換，批量生產(chǎn)驗證發(fā)現(xiàn)，材料切換為ZAM板后，前門內(nèi)板生產(chǎn)過程中開裂、拉毛、脫鋅等質(zhì)量缺陷的發(fā)生頻次大幅降低，有效地削減了成本浪費，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語

(1)利用AutoForm軟件分別對GA材前門內(nèi)板和ZAM材前門內(nèi)板拉延成形過程進(jìn)行了模擬，研究了鋅鐵合金鍍金與鋅鋁鎂合金鍍層對前門內(nèi)板成形質(zhì)量影響的差異，結(jié)果表明，鋅鋁鎂合金鍍層比鋅鐵合金鍍層有著更好的材料流動性能和抗磨損性能，采用ZAM板可提高材料的成形安全裕度。

(2)通過單變量因素試驗法，優(yōu)選出ZAM材前門內(nèi)板拉延成形最為合理的壓邊力，解決了前門內(nèi)板材料由GA板切換為ZAM板所帶來的起皺問題，試驗表明，在其他工藝參數(shù)不變的條件下，ZAM板獲得合格成形質(zhì)量所需的壓邊力比GA板更大。

(3)運用數(shù)值模擬與試模驗證相結(jié)合的方法，驗證了ZAM板在汽車前門內(nèi)板上工業(yè)化應(yīng)用的可行性。研究表明，ZAM板可直接應(yīng)用于前門內(nèi)板的沖壓成形，無需對沖壓模具進(jìn)行調(diào)整，在拉延成形過程中，鋅鋁鎂合金鍍層能夠與基體保持牢固的連接，未出現(xiàn)鍍層剝落現(xiàn)象，對于ZAM板在汽車行業(yè)的進(jìn)一步擴大應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。