汽车后地板拉延件成形裕度提升及参数优化研究

韩文峰，揭招财，HANDISO Selamu Yisihak，袁斌先

（天津职业技术师范大学 机械工程学院汽车模具智能制造技术国家地方联合工程实验室，天津 300222）

随着汽车冲压模具设计、制造工艺日趋复杂，在模具开发前对成形过程进行精确的模拟、分析和论证是非常有必要的[1-2]。利用试冲件验证数值模拟结果，对生产工艺参数进行优化，可提高零件的成形裕度，有效保证大规模生产条件下的零件质量[3]。胡义华等[4]以汽车后桥壳为研究对象，进行了拉延工艺的有限元模拟，以压边力与冲压速度为影响因素，设计了正交实验，获得了最优拉延工艺成形参数。谈顺强等[5]以汽车发动机罩为研究对象，建立了响应面模型分析成形参数，通过遗传算法求取了拉延筋最优成形参数，控制了零件的减薄与回弹。汤云翔[6]将汽车门外板的冲压工艺参数与成形指标关联分析，实现了工艺参数的多目标优化。Wang 等[7]用DYNAFORM 软件对汽车前地板零件的冲压成形过程进行了数值模拟，获得了成形极限图（Forming Limit Diagram，FLD）、减薄率及材料流动情况，通过调整压边力和拉延筋等参数，得到了最佳成形参数方案。全场网格应变测量技术可通过零件上印制的网格点在拉延前后的变化表征材料的应变行为。Xue 等[8]基于网格应变测量技术获取了胀形件的应变、厚度分布及成形极限图，通过交替胀形工艺获得了等壁厚的球形零件。阳学等[9]基于网格应变测量技术对汽车侧围外板成形过程中出现的缩颈开裂问题进行了分析，并利用测量结果指导了修模及拉延筋与压边力的设置。利用数值模拟结合全场网格应变测量技术，可有效提高拉延件成形裕度，优化成形参数[10-12]。

本文以某汽车后地板为例，首先利用有限元分析软件Autoform 对零件拉延工艺进行模拟分析，获得后地板拉延件的全场减薄云图、成形极限图以及潜在风险区域位置。其次，通过全场网格应变测量技术获得试冲件的全场应变、壁厚分布和成形裕度，验证模拟分析结果并准确定位需要修模的位置，通过对模具局部圆角抛光来提升风险区域的成形裕度。最后，针对成形过程中零件局部位置成形裕度仍然偏低的问题，通过调整压边力及拉延筋参数，提出解决方案，优化拉延工艺参数。

1 汽车后地板零件

1.1 零件特点

后地板作为汽车受力系统的重要组成部分之一，具有构型复杂、尺寸精度和表面质量要求高等特点。某汽车后地板拉延件三维模型如图1 所示，该零件成形工序包括落料、拉延、修边、冲孔、整形等。其中，拉延为最重要的工序，可将其视为复杂化的筒形拉深，具体可分为4 个区域：区域Ⅰ为平台凸缘区，以少量的变形为主；区域Ⅱ为筒壁区，在拉延过程中因受凸模拉力影响而表现为径向受拉，存在少量的纵向伸长和壁厚减薄现象；区域Ⅲ为筒底区，在拉延过程中径向受拉、切向受拉，存在一定壁厚减薄现象；区域Ⅳ为区域Ⅱ与区域Ⅲ的过渡圆角区域，不但承受凸模对板料厚度方向的压应力，且板料在径、切双向均受到拉应力作用。所以从理论分析可知，区域Ⅳ内局部筋状特征区域具有拉深与胀形复合成形的特点，为拉延过程中零件减薄程度最大、全场最危险的区域。

图1 后地板拉延件Fig.1 Rear floor drawing part

1.2 材料特性

材料为冷轧深冲钢DC05，其化学成分如表1 所示，料厚为0.7 mm。通过拉伸试验获得板料0°、45°、90° 3 个方向上的工程应力-工程应变曲线如图2 所示，所得材料力学性能如表2 所示。

表1 DC05 化学成分Tab.1 Chemical composition of DC05 wt.%

表2 DC05 材料力学性能Tab.2 Mechanical properties of DC05

图2 DC05 工程应力-工程应变曲线Fig.2 Engineering stress-engineering strain curves of DC05

成形极限曲线（Forming Limit Curve，FLC）是判断材料失效与否的主要手段[13]。可通过Keeler[14]总结的经验公式构建FLC，如式（1）～（2）所示。通过向下偏置FLC 获得了由成形临界区、破裂风险区、安全区构成的成形极限图（FLD）。将模拟或测量获得的主次应变点导入FLD 中获得零件的成形裕度，以表征材料经拉延后距离破裂风险区的剩余程度，判断板料是否符合安全要求。

式中：ε1为主应变；ε2为次应变；t为板料初始厚度；n为应变硬化指数；εflc0为平面应变状态极限应变；fmin(t,3.0)表示当板厚初始小于3 mm 时视为3 mm 进行计算。

为保证不同批次材料的可用性，n值取0.21。经计算可知，DC05 的εflc0=32.94%，成形极限图（FLD）如图3 所示。

图3 DC05 成形极限图Fig.3 Forming limit diagram (FLD) of DC05

2 数值模拟

2.1 模拟工艺参数设置

利用Autoform R8 进行有限元分析，坯料规格如图4 所示。通过调整冲压角度排除冲压负角度，以保证凸模、板料、凹模完全接触。在拉延过程中，拉延筋可以通过对板料的约束作用提高板料流动阻力，继而提高材料的变形能力，增大径向拉应力，减小切向压应力，调整板料在拉延过程中的流动，从而有效控制起皱，减少回弹，降低零件在拉延过程中的缺陷[15]。当拉延筋高度过大时，提供的阻力过小，会导致零件出现起皱、隆起、刚度不足、表面暗坑等缺陷；当拉延筋高度或宽度过大时，则会因为阻力过大而导致板料流动性能不够，零件出现开裂、缩颈、减薄率过大、成形裕度不足等缺陷。在后地板两侧对称设立同规格拉延筋，如图5 所示。

图4 坯料规格Fig.4 Blank specification

图5 拉延筋设置Fig.5 Draw bead layout

在拉延成形中，压边圈压紧板料，为拉延过程中的板料提供合适的材料流入量和拉应力，保证零件的塑性变形。压边力为主要调节参数，当压边力过大时，会减少板料流入量，导致减薄率过高或成形裕度过低；当压边力过小时，提供的阻力不足以支撑零件成形或出现成形不完全等现象，合适的压边力是零件精准成形的基础。设置初始压边力为807 kN，摩擦因数为0.135，压边圈行程为205 mm，成形力为3 572 kN，得到的板料流入情况如图6 所示。最大板料流入量为179.55 mm，位于区域Ⅲ边缘处，最小板料流入量为4.14 mm，位于区域Ⅰ的上部。

图6 模拟板料流入量示意图Fig.6 Schematic diagram of simulated plate inflow

2.2 模拟结果

模拟得到的壁厚减薄情况如图7 所示。DC05 允许的最大减薄率为25%，超过25%则被认为在实际冲压过程中零件存在较高的破裂风险。图7 中零件模拟的最大减薄率为24.10%，符合生产要求。

在工程分析中，可通过偏置FLC 曲线定位风险区域，为试冲件提供重点测量位置。将FLC 向下偏置12%，如图8a 所示，可以看到，少量点超出偏置FLC 曲线，存在一定破裂风险。预警点1 在零件上的分布情况见图8b，该点位于区域Ⅳ的局部筋状拉深与胀形复合成形部位，模拟结果验证了理论分析的正确性。此外，模拟结果还显示，区域Ⅰ平台凸缘区域预警点2 存在一定风险。

3 全场网格应变测量技术及测量结果

3.1 全场网格应变测量技术

为验证Autoform 模拟分析结果的准确性，引入全场网格应变测量技术对试冲件进行全场测量，采用德国GOM 公司的ARGUS 网格应变测量系统进行检测。试冲前按照ARGUS 系统要求利用电化学腐蚀[16]对初始板料印制由圆点阵列组成的矩阵[17]。根据模拟提供的工艺参数完成试冲，获得试冲件P1如图9 所示。对试冲件进行分区块的不同高度多角度摄像，综合标尺、定位片及圆点的空间位移量进行网格应变分析计算，本文通过拼接区块结果获得了零件的全场主次应变云图、全场壁厚减薄云图与成形裕度云图。

图9 试冲件P1Fig.9 Test part P1

3.2 测量结果及其修正

试冲件P1全场FLD 如图10 所示，偏置10%FLC曲线以上的点代表试冲件中成形裕度小于10%的位置，表明该区域不符合大规模生产的安全要求，须设法提高成形裕度。

试冲件P1全场主、次应变分布如图11 所示，结合图10 可以看出，风险点位置分布与Autoform 分析结果趋势一致，验证了模拟计算的准确性。

图11 实测全场应变云图Fig.11 Measured full-field strain cloud image: a) major strain cloud image, b) minor strain cloud image

在进行FLC 分析时，通过拉延筋进入零件的部分板料，其应变点远超成形极限曲线，但在实际生产中仍可进行大规模量产且不产生开裂等缺陷，可通过量化拉延筋的板料弯曲和拉直影响（Δεflc0）[14]完成该区域数据修正。如式（3）所示，当板料通过拉延筋弯曲变形时，净应变每增大1%，则Δεflc0增大0.6%。

式中：ΔεBCF（Bead Correction Factor）为拉延筋修正系数；Δt为当板料通过拉延筋时，真实厚向应变的增量，其值为对板料流进拉延筋前后比值取自然对数，即ln(tbeadexit/tbeadenter)，其中tbeadexit表示板料通过拉延筋后的厚度，tbeadenter表示板料流入拉延筋之前的厚度。

针对图10 中经拉延筋流入零件的风险点，进行ΔεBCF补偿计算，结果如表3 所示。点1、2、3、10、11 均经过拉延筋流入零件，经计算可知，它们对应的新成形裕度分别为−20.62%、−20.09%、−22.85%、−20.05%、−19.51%，均满足成形裕度要求。风险点8位于区域Ⅳ，实测FLC 值为−9.29%，位于临界区，存在潜在破裂风险，不符合成形裕度要求。实测风险点8 的减薄率达23.50%，相较于模拟结果存在2.50%的差值，实测减薄率在安全范围内。

表3 实测风险点数据Tab.3 Measured risk point data

3.3 局部修模

将理论分析与模拟测量的主次应变及FLD 结果相结合，最终确定风险区域为区域Ⅳ，特别是局部筋状拉深和胀形复合成形部位。通过对风险区域的模具对应位置进行再次抛光，特别是打磨局部筋状位置的圆角，从而降低进料阻力，以提高该位置的板料流入量，进一步提升该位置的成形裕度。再次试冲得到试冲件P2如图12 所示，并对风险点8 所在区域进行局部测量，得到的FLC 云图如图13 所示，可以看出，风险点8 的成形裕度提高至−10.65%，符合成形裕度要求。为保证大批量生产安全，需进一步提高成形裕度。

图12 试冲件P2 风险区域Fig.12 Risk area of test part P2

图13 试冲件P2 局部FLC 云图Fig.13 Local FLC cloud image of test part P2

4 工艺参数优化方案

由于后地板拉深深度大，拉延过程中材料流入量较大，因此，当材料流入量不足时，会引起成形区域减薄率过大或成形裕度过低的现象，材料流入量主要受拉延筋、压边力及摩擦因数的影响。通过合理调整压边力与拉延筋以及适当润滑均可提高零件的成形裕度[18]。基于板料流入量示意图与风险点位置，确定需调节的拉延筋位置B[19]。分析拉延筋阻力对零件成形裕度的影响[20]。可通过减小压边力或降低拉延筋等效阻力等方法来提高成形裕度，当压边力无法降低时，可采用降低拉延筋深度及圆角半径的方法。在压边力为782 kN、B 处拉延筋深度为4.5 mm、圆角半径为4.5 mm 的条件下进行第3 次试冲，得到试冲件P3，实物如图14 所示。图15 为第3 次试冲件的成形极限图，图16 为试冲件P3的全场FLC 图。可以看出，经过BCF 补偿后，成形裕度最大值为−14.33%，符合安全要求。

图14 试冲件P3Fig.14 Test part P3

图15 试冲件P3 测量成形极限图Fig.15 Forming limit diagram of test part P3

图16 试冲件P3 全场FLC 云图Fig.16 Full-field FLC cloud image of test part P3

图17 为实测试冲件P3的减薄云图，其中点8 为原试冲件P2中的最大风险点，其减薄率仅为17.94%，相较于优化前提高了5.56%。

图17 试冲件P3 全场减薄云图Fig.17 Full-field thinning cloud image of test part P3

5 结论

1）针对后地板拉延件的成形特点，采用理论分析、数值模拟结合全场网格应变测量技术对后地板拉延件成形过程进行了研究，准确定位了风险区域，经局部抛光后，整体成形裕度由−9.29%优化至−10.65%，满足工艺要求，验证了有限元软件与全场网格应变测量技术协作的有效性。

2）在保证成形裕度的前提下，通过将压边力调整为782 kN、B 处拉延筋深度调整为4.5 mm、圆角半径为调整4.5 mm，得到最大成形裕度为−14.33%、最大减薄率为17.94%的试冲件，符合大批量生产的要求。