变截面S形前纵梁内板成形工艺优化

摘要：本文以应用先进高强钢JAC780Y的某变截面S形汽车前纵梁内板为研究对象，分析了前纵梁内板的产品结构特点和冲压工艺性。基于分析结果设计了4工序的成形工艺方案，并借助有限元分析软件对其进行了全工序成形仿真，识别了前纵梁内板拉延开裂和整形起皱风险。通过调整压料面走势，增加压料面截面线长，并延长工艺补充面区域反S形余肉造型，改善了前纵梁内板的成形性，同步解决了拉延开裂和整形起皱问题。最后利用优化后的成形工艺方案进行前纵梁内板冲压模具开发和试模验证，获得了成形质量良好、无开裂和起皱缺陷的合格零件，为汽车先进高强度零件成形工艺方案的设计与优化提供了较为有用的参考依据。

关键词：变截面；前纵梁内板；先进高强钢；成形工艺；全工序成形仿真；开裂；起皱

0 引言

车身轻量化是当今汽车工业可持续发展的必然趋势，是践行双碳战略，推动汽车行业绿色转型的重要举措[1]。以往实现车身轻量化最直接的途经就是采用轻质合金、工程塑料或复合材料来替代传统汽车用钢[2]，伴随着钢厂冶炼、轧制、镀层等技术工艺的不断革新与进步，先进高强钢（Advanced High Strength Steel，AHSS）正逐步成为车身轻量化所不可或缺的材料之一[3]。与轻质合金相比，先进高强钢具有价格低廉、屈强比高、比刚度大、综合力学性能和可加工性更佳等一系列显著优势，在车身构成件尤其是涉及到整车安全性能的结构加强件上得到了广泛的应用[4]。前纵梁是汽车发生正碰时吸能和传递载荷的重要部件，是车身在碰撞过程中吸收冲击能量最多的安全结构。为了提高车身整体耐撞性能，先进高强钢被大量应用于汽车前纵梁。合格的前纵梁零件必须具备良好的强度和刚度，即加工成形的零件不允许出现缩颈、裂纹、褶皱以及尺寸精度超出容差等质量缺陷[5]。

1 产品工艺性分析

图1为某新能源车型前纵梁内板产品几何模型及典型截面参数，该前纵梁内板所用材料为超高强钢（Ultra High Strength Steel，UHSS），材料牌号为JAC780Y-45/45，材料厚度为2.3mm。产品长、宽、高方向的投影尺寸为698mm×376mm×275mm。在车身坐标系下，整体结构在俯视图下呈S形，在正视图下呈不对称V字形，同时产品截面呈连续变化的几字形。零件最大深度为75mm，最小成形深度为42mm，成形深度落差较大。产品特征圆角普遍较小，且圆角半径大小不一，成形过程中的非线性程度相对于形状规整的零件更高。

2 冲压工艺方案设计

对于UHSS类的零件，一般采用带压料的多道次成形工艺，这主要是由于UHSS屈强比较高，而延伸率又较小，塑性变形抗力大，若采用拉延工艺，则极易发生破裂。但是对于产品截面为连续变化的S形UHSS零件，单纯采用成形工艺，不仅会导致零件成形不充分，还会增加冲压回弹的控制难度[19，20]。因此，为了降低S形UHSS零件在成形过程中的破裂风险，同时又能保证零件成形充分，本文采用了一种“封闭拉延”与“压料整形”相结合的成形工艺方法，以此来解决新能源车型前纵梁内板成形破裂和变形不充分的问题。

结合新能源车型前纵梁内板产品结构特点和冲压工艺可行性，规划了4工序的冲压工艺方案。首先确定冲压方向，由于本文所研究的前纵梁内板在车身坐标系下呈“斜V字型”，并且产品沿周法兰位于顶部（如图1b所示），不仅不利于拉延成形过程中的材料流动，还增大了后工序产品法兰整形难度，在模具结构上布局也较为困难。因此，需要对前纵梁内板进行必要的旋转，使其处于最优的冲压成形姿态。基于成形深度尽量均匀一致、材料利用率最大化、模具结构最简化的考虑，将前纵梁内板产品数模先沿车身坐标系Z轴旋转65°，再沿车身坐标系Y轴旋转20°，最后沿车身坐标系X轴旋转180°，从而确定冲压方向。

第1工序采用开口拉延，即零件前后侧不设置拉延筋，材料在拉延成形过程中呈敞开状态，其作用一是提高材料利用率，二是降低材料在拉延成形过程中的流动阻力，零件Z向尺寸一次拉延成形到位，三是避免拉延筋对回弹整改的影响。第2工序采用压料整形，零件顶部平面区域设置弹性压料，压力源采用氮气弹簧，整形区域为零件侧壁、底部法兰以及过拉延放大的内凹圆角。第3工序为沿周修边，即对零件外轮廓的工艺废料进行切除。第4工序为冲孔，对零件所有定位孔、功能孔、作业孔均在这一工序一次性完成冲裁。

采用不规则截面弧形高强度钢前纵梁，其侧壁容易产生反弧变形。为了有效地抑制侧壁反弧和减小侧壁冲击回弹，首先采用“W”形成形工艺，即先扩大侧壁，增大侧壁开口角；第二道工序为整形工序，精确地成形制品的侧面及底部圆角；第三道工序是采用修边工艺，精确修整外围工序的补面线；第四道工序为冲孔工序，完成全部定位孔、安装孔和工艺通孔的冲裁工序。在此基础上，采用 CATIA软件，进行3D D/L模型的设计，如图2所示。

3 成形工艺数值模拟

3.1 材料参数

Autoform应用隐式增量有限元迭代求解技术，在不需要人为干预的情况下，实现了快速计算。相对于显式法，该方法可以快速得到模拟结果，同时保证了算法的收敛性。该方法可以准确地评价成形过程中的裂纹、起皱和表面质量，特别是对复杂冲压成形过程进行数值模拟。因此，可利用 Autoform有限元软件对前纵梁的拉深成形过程进行数值模拟，但需充分考虑材料力学特性对冲压成形效果的影响，所以采用 Autoform软件进行仿真时，需要保证模拟材料卡中的参数与实际生产中使用的材料保持一致。通过试验测量获得前纵梁所用的JAC780Y-45/45和JAC590R-45/45这两种材料的各项力学性能指标如表1所示。

3.2 有限元分析

用 IGS格式导出前纵梁三维 D/L图中各个工序的工艺参数。在格式转换时，将曲面、曲线及坐标系分别作为 IGS文件进行存储。然后，将每一道工序所需的 IGS格式的工艺数模文件按顺序导入 Autoform软件中，设定缝合误差0.5 mm、最大单元边长20毫米、网格精度容差0.05毫米。最后，根据冲压工艺方案，完成工艺规划、坯料设计和工艺参数设定。通过网格生成器，实现前纵梁全过程成形有限元模拟。

4 成形工艺优化

4.1 工艺优化设计

前纵梁成形不佳、加工硬化不足不仅降低了防撞性能，而且使得回弹行为更难预测，进而影响产品尺寸精度。但在成形过程中出现裂纹，直接导致前纵梁结构强度下降，达不到服役要求。“W成形”工艺为无压边成形，材料以单向拉伸为主，难以获得足够的应变量。为了解决这一难题，必须使材料由单向拉伸变为双向拉伸，从而提高塑性变形能力。其中，拉深工艺可显著改善材料双向拉伸变形性能，因此，采用拉深成形代替“W成形”，可提高前纵梁的塑性变形能力。

拉延工艺虽能有效改善成形缺陷，但材料流动阻力明显增大，易开裂。因此，采用分段多道次拉深工艺，既能降低拉深的风险，又能提高拉延极限。经综合分析，决定采用“一次拉延+二次拉延”的工艺方案来代替原有的“成形”工艺，从而保证前纵梁在不开裂的情况下，达到完全成形的目的。具体方案为将OP10的“W成形”工序分解为OP10一次拉延和OP20二次拉延。

4.2 数值模拟验证

将优化后的3D D/L图转换成 IGS格式文件，再导入 Autoform软件对其进行数值仿真验证，得到前纵梁全过程成形结果如图7所示。图7 a示出了前纵梁最终成型件在优化过程中的成形性能云图，并且图7 b是减薄速率云图。从图7 a中可以看到，通过工艺优化，前纵梁形成更充分，绿色区域（代表塑性变形充分的部位）明显增加，成形性能显著提高，底部圆角开裂风险也得到有效控制。图7 b显示出了前纵梁的最大减薄率下降到16.3%，在材料减薄率上限的20%以内，并且有很大的安全余量，没有形成裂纹的危险。另外，最大增厚率可降至16.0%，有效地抑制了成形过程中材料增厚的趋势，大大降低了起皱风险。在此基础上，结合成形性能与减薄率的综合评价，验证优化后的前纵梁具有良好的成形质量，具备了基于优化方案进行冲压模具研发的条件。

5 试模验证

在冲模全工序型面利用率达90%以上时，对样件进行试冲，前纵梁制品整体成型充分，无开裂、毛刺、扭曲等质量缺陷，仅顶部弧面处有轻微起皱，但不影响产品的装配性能，满足生产试用要求。另外，通过优化工艺，样品的质量与数值模拟结果具有较高的一致性。将前纵梁试件安装到检具上，用三坐标测量仪准确地测量其关键尺寸。前纵梁的定位孔和安装孔的尺寸偏差在±0.5毫米以内，说明其尺寸精度高，能满足后续焊接和装配过程的精度要求。

6 结论

（1）针对高强度钢拼焊板前纵梁“W成形+整形”工艺存在成形不充分、开裂等缺陷，采用“一次拉延+二次拉延”替代优化方案，提高前纵梁成形后塑性变形量，显著减小前纵梁修形后最大减薄率，实现前纵梁完全成形且无开裂风险。研究结果表明，采用多道次拉延工艺对高强度车身覆盖件的成形性能有一定的改善作用。

（2）对高强度钢拼焊板前纵梁成形过程进行数值仿真分析，并以此为基础优化成形工艺，结合数值仿真结果，通过试模验证，实现高强度钢拼焊前纵梁成形质量好、尺寸偏差小的合格样件，并通过试模验证。实验结果表明，数值模拟技术用于高强度钢车身覆盖件的成形是有效的。

参考文献：

[1]解东旋，庄蔚敏，王楠，等.高强度钢板热冲压工艺与装备研究综述[J].机械工程学报，2022，58（20）：319-338.

[2]蒋磊，张雄飞，龚熙，等.汽车翼子板成形仿真与回弹补偿研究[J].汽车工艺与材料，2022（11）：8-17+23.

[3]李蕙宇，刘子知，张泉达，等.后防撞梁外板的超高强钢热成形工艺[J].锻压技术，2023，48（01）：90-95.

[4]ZHANG Chen， WANG Huanrong. Development of a hot-rolled 980 MPa advanced high-strength steel with excellent flangeability and bendability[J].Baosteel Technical Research，2022，16（04）：16-20.

[5]余立，刘静，葛锐，等.DP780双相钢在不同应变状态下的断裂特性及机理[J].锻压技术，2022，47（10）：48-55.

作者，身份证，性别，民族，省市人，现就职于.......单位，研究方向为......。

高运秀，19830812，女，汉族  ，湖北省嘉鱼县人，就职于湖南天汽模汽车科技有限公司，现从事汽车模具技术方面的研究，工程师，全日制本科