汽车薄板材料参数与冲压质量相关性研究

徐　鑫，刘仁东，林　利，丁庶炜，郝志强

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）



汽车薄板材料参数与冲压质量相关性研究

徐鑫，刘仁东，林利，丁庶炜，郝志强

（鞍钢集团钢铁研究院，辽宁鞍山114009）

摘要：汽车薄板冲压成形过程中，材料参数的波动会影响成形质量。以某汽车前横梁冲压成形质量为目标，以正交试验方法确定了材料参数与冲压质量的相关性，构造了基于响应面模型的稳健优化设计方法。结果表明，该稳健优化设计方法显著提高了汽车薄板成形质量的稳定性，具有较高的精度和较强的工程实用性。

关键词：汽车薄板；材料参数；冲压质量；优化设计

徐鑫，硕士，工程师，2008年毕业于东北大学机械专业。E-mail：ag_xuxin@163.com

汽车白车身主要由汽车薄板冲压成形件构成，目前65％以上的汽车冲压件仍然采用钢板冷冲压成形［1］。随着车身零部件设计越来越复杂化，对冲压质量的要求也越来越高。因此，汽车薄板冲压技术一直是国内外汽车生产企业、钢厂及高校的重点关注领域。

在选择汽车覆盖件材料时，要科学合理地评价材料的冲压性能，准确掌握板材性能参数与冲压质量的关系，以便充分发挥材料的塑性变形能力，既降低材料成本，又能保证冲压生产的稳定性［2］。本文以某汽车前横梁冲压成形作为目标问题，采用正交实验方法，用实验结果的信噪比(/)作为评价指标，确定板材性能参数与冲压成形质量的相关性。

1　板材材料参数与成形性的理论关系

根据板材冲压成形的理论分析，本文重点关注的性能参数主要是材料应力-应变关系、杨氏模量及三个方向上的塑性应变比0，45，90［3］。

材料的应力-应变关系是表征材料受外力作用时的行为。材料受力后即发生弹性变形，这时应力-应变是简单的线性关系，继续增加作用力至一定大小后，材料将出现塑性变形，当塑性变形至一定程度以后，试件破断则变形过程终结。

杨氏模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性变形的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性变形越小。

2　材料参数对冲压质量的影响

2.1汽车前横梁成形工艺分析

该汽车前横梁零件的结构特点如图1所示：拉延深度大、截面变化复杂；中间凸台拔模角度大，侧壁容易开裂。为了满足新车型对前横梁在汽车正面碰撞中的要求，须使用强度较高的材料，这就在工艺上增加了成形抗力，同时对模具的要求变得更高。

图1　汽车前横梁几何模型

2.2试验因子及水平

为了研究材料参数对冲压质量影响的相关性，采用正交参数设计，利用误差模拟噪声的干扰，通过正交试验法安排试验方案，用实验结果的信噪比(/)作为评价指标，根据对试验结果的分析，获得对成形质量的输出特性影响最小的最优参数值。

拟合采用Johnson-Cook应力-应变关系模型：

拟合结果如图2所示。：

图2　拟合DP600应力-应变曲线

得到DP600应力-应变关系模型为：

材料参数在一定范围内波动对成形件的质量也会造成影响。上述材料参数波动性范围为±5％，试验因子及其水平如表1所示。采用L18(35)正交表进行试验设计。

表1　正交实验因素与水平

2.3正交试验结果

开裂会直接导致冲压拉延的失败，考虑数值模拟与实际冲压的比较以及经验，选择坯料的最大厚度减薄率作为冲压拉延的质量评价指标［4］。本问题为多因素目标优化问题，先以最大厚度减薄率为质量评价指标，利用正交试验的极差分析，筛选出关键影响因素，再进行基于二阶响应面模型的稳健优化设计［5］。试验设计方案和计算结果见表2。

表2　试验设计方案和计算结果

2.4建立二阶响应面模型

经过分析正交实验结果，得出该汽车前横梁冲压拉延的最大减薄率主要取决于应力应变曲线关系和杨氏模量两个关键因素，因此，采用以A= 988.9 MPa，B=210 000 MPa为中心的八边形等径因子设计的试验设计。两个关键因素的取值范围为：

八边形等径设计如图3所示。取9个试验点进行数值模拟试验，并通过下面公式进行变量编码：

图3　八边形等径设计

表3　八边形等径设计试验结果

对以上数据的拟合，设定：

由此可以计算出拟合系数：

由此，最大减薄率的二阶响应面模型为：

应用MATLAB二元非线性约束回归优化，得出最优解的变量编码稳定点，即稳健优化设计解，设定：

由变量编码公式，可以求出稳定优化设计解的原变量值为：

3　稳健优化设计结果分析及验证

将上述所得的关键工艺参数的稳健优化设计方案(应力应变系数为943.7 MPa，杨氏模量为209 097MPa)进行数值仿真模拟，选取0、45和90为噪声因素，利用正交表L9(32)对该组工艺参数方案安排9组噪声情况进行试验，并分析差值。稳健最优工艺方案的成形结果分析见表4。

从表4可以看出，对于质量评价指标，最大厚度减薄率最大值为0.246，最小值为0.245，板料厚度变化率差值都在0.001以内，具有较高的精度和很好的抗干扰能力，即有很好的稳健性，说明该稳健优化设计方法可在冲压工艺优化中应用，具有较强的工程实用性。该汽车前横梁最终的冲压成形结果如图4所示。

图4　前横梁冲压成形结果

表4　稳健最优工艺方案的成形结果分析

4　结论

(1)采用正交试验设计方法，研究了材料应力-应变关系、杨氏模量，以及三个方向上的塑性应变比0、4590对某汽车前横梁成形质量的影响。影响程度和趋势为应力应变曲线关系>杨氏模量>90>0>45。

(2)构造基于二阶响应面的稳健优化设计方法，以优化设计方案(应力应变关系参数=943.7、杨氏模量=209 097)进行数值仿真模拟，板料的最大厚度减薄率的变化差值为0.001，冲压成形质量稳定。

参考文献

［1］张启森.浅谈汽车车身材料的发展趋势［J］.汽车维护与保养, 2012(7):58-59.

［2］崔令江.冲压板材的成形性［J］.锻压机械,1997(3):23-25.

［3］陈新平,蒋浩民,李淑慧.材料参数对模拟件冲压成形的影响［J］.塑性加工技术,2004(5):55-57.

［4］雷正保.汽车覆盖件冲压成形技术CAE［M］.长沙：长沙国防科技大学出版社,2003.

［5］陈立周.稳健设计［M］.北京:机械工业出版社, 1999.

(编辑袁晓青)

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

中图分类号：TG335

文献标识码：A

文章编号：1006-4613（2016）01-0020-05