高强度钢板制造的保险杠能大大提高乘员安全性

摘要: 采用高强钢板制成的保险杠可以极大地提高乘员安全性，但高强钢板成型难度较大。 采用有限元分析软件Dynaform对某汽车高强钢后保险杠的成形过程进行模拟，并利用结果对成形工艺进行优化。 主要研究了工艺辅助曲面对零件冲压成形和回弹的影响。 通过将模拟结果与实际样品进行对比，调整工艺补充，设置凸顶，优化工艺轮廓和毛坯尺寸，为类似高强钢零件的生产提供指导。

关键词：高强钢； 保险杠; 数值模拟； 流程优化； 回弹控制

严重的经济危机使汽车制造企业面临激烈的市场竞争。 如何应对日益高涨的环保和安全呼声将是汽车制造企业生存和发展的关键。 采用高强度钢板制造车身是解决这些问题的有效途径。 有数据表明，采用高强度钢板，可使车身原有厚度减少到0.7-0.8毫米，使车身整体质量减轻15%～20%，节省燃油8%～15% [1]。 但高强度钢板变形抗力高，对模具要求高，回弹大的现象普遍存在。 本文介绍了某车型高强钢后保险杠成形工艺优化及回弹控制的方法，并从中总结了一套经验。

汽车覆盖件成形质量的关键在于拉深工序的工艺水平。 它直接影响产品质量、材料利用率、生产效率和制造成本。 为了达到良好的拉深效果，需要设计合理的冲压方向、工艺补充件形状、冲压面形式、拉延筋布局、毛坯尺寸等重要工艺因素。

本文采用钣金成形数值模拟软件Dynaform对某型轿车后保险杠的成形过程进行模拟。 通过实验以及实际生产与仿真结果的对比，研究了工艺补充的形状变化和回弹补偿对后保险杠的影响。 通过成形性能的影响，最终得到优化的型材设计并成功生产出零件，对同类相关高强钢零件的生产起到了指导作用。

1.零件的加工性能及其有限元模型

1.1 部分工艺分析

保险杠形状如图1所示，从侧视图可以看出，其曲率较大，纵向截面呈U形。 如果工艺补面设计不合理，会造成较大的回弹，影响后续工序的产品质量和尺寸。 准确性。

为了保证零件的质量，在工艺设计时必须尽可能增大零件的塑性变形量，因此首先将工艺补充面设计成箱形，如图2所示。

1.2 参数设置及有限元模型

1.2.1 材料

(1)材料产量模型

本文采用Barlat屈服模型对后保险杠进行成形仿真分析。 在平面应力状态下，Barlat屈服准则可表示为：

在公式：

式中：σp为双拉状态下柯西主应力σ1； σb为单轴拉伸状态下的柯西主应力σ1； τsl 为纯剪切变形时的屈服剪切应力； M为非二次屈服函数指数； r0和r90为两个各向异性主轴的各向异性参数； p 是根据单拉实验测量的 r0、r45 和 r90 计算得出的。

(2)材料力学性能

材料力学性能参数如表1所示。

(3)其他参数

凸凹模间隙C=1.1t，t为材料厚度； 毛坯与模具零件之间的静摩擦系数fs=0.12，动摩擦系数fd=0.12； 压边速度v1=2000mm/s； 成形速度v2=5000mm/s。

1.2.2 有限元模型

有限元模型如图3所示。模具结构采用倒装结构，板坯采用各向同性指数强化模型。 应力-应变关系的数学表达式为：

式中：n、K为材料常数，K>0，n为硬化指数。

分析中采用Belytschko-Tsay薄壳单元理论，自适应划分网格。

2 仿真结果分析与优化

经计算，压边力设定为800kN。 第一次分析发现，采用箱形工艺的副面材料在角部（图3中的A、C）处出现裂纹，如图4所示。

2.1 工艺补充表面及缺陷分析

发生破裂的原因是产品型材A、C处有加强筋，当工艺补面为箱形时，这两个位置的圆角太小，且DP800材料的流动性较差，因此破裂发生。 因此，工艺补充面只能根据零件形状设计成U形零件。 但U形工艺补面回弹较大。 通过比较箱形和类似U形工艺辅助面的模拟结果可以看出，塑性变形较小的U形工艺辅助面具有较大的回弹（图5，6）。

表2给出了两个工艺辅助面A、C处两个横向中性截面的实测回弹值和回弹角。 以中点B为回弹基准测量回弹角，并与实际生产的样品进行比较。 其回弹值超过产品要求小于5mm。

A点回弹较小的原因是产品型材上有靠近A点的安装面，增加了塑性变形。 箱形工艺辅助面比U形工艺辅助面具有更大的塑性变形，因此增加塑性变形可以有效减少零件回弹。 另一方面，通过测量B点纵截面的回弹也可以得到同样的结论（图7和表3）。 根据U型件回弹角的定义，回弹分为侧壁回弹和凸缘回弹两部分，如图8所示。其中θ1和θ2为侧壁回弹角和凸缘边缘。

2.2 减少反弹的方法

为了增大塑性变形、减少回弹，可采用以下方法：

(1)增加边缘保持力

首先采用调节压边力的方法，如图9所示。当压边力从800 kN增加到1000 kN时，回弹角θ1和θ2变化不大。

(2)减少冲头圆角

虽然减小冲头圆角可以减小回弹角，但通过实验发现，将冲头圆角从R9mm减小到R6mm会缩短冲头的寿命，并造成产品侧壁上料不均匀的缺陷，如图10.

(3)模具面补偿法

根据回弹的大小，采用模具面补偿的方法，将中间B处的型面抬起，重建模具面，以减小曲率半径，从而减小回弹后零件型面与目标型面的距离。 图11表明，模具表面补偿方法虽然不能有效降低回弹值，但可以使零件轮廓接近目标轮廓。 但当B处高度超过6mm时，将实际生产的样品放置在检具上，发现靠近A处的安装面影响了模具表面补偿方法的效果。 另外，由于在升高B时塑性变形没有有效增加，因此样品的回弹值变化很大。 同样，在纵截面上，提高中点并不能有效减少回弹，因此采用以下方法。

(4)在冲模局部表面设置凸顶

其原理是在不改变合模高度的情况下，减小凸顶部分的模具间隙，使凸模强力挤压材料，增大塑性变形，如图12所示。通过仿真发现，塑性变形设置凸顶后材料的厚度增加，回弹减小，如图13所示。

3 实验结果

根据上述仿真结果，将B位置抬高6mm，重建轮廓。 在模型凸面上设置2mm的凸顶，压边力设置为1000MN。 板材的形状是根据型材冲裁而成。 该过程采用“滴”的方式。 材料、冲孔定位孔-拉深-修边、整形、冲孔”，经过实验得到了满意的结果。

4。结论

通过对高强钢保险杠成形过程进行数值模拟和实验及加工验证，可以得出以下结论：

(1)对于回弹较大的高强度钢件，除采用模具面补偿方法外，还需要在工艺补充时尽可能增大塑性变形量，如减小凸模圆角、适当增大冲头圆角、压边力、设置局部凸顶等。

(2)采用高度为材料厚度0.5～1.5倍的局部凸顶，可增加塑性变形5%～10%，有效减少回弹。 考虑到零件上容易形成压痕，应尽量设置在不重要的部位。 如果零件需要被切断，或者应该使用平滑过渡。