基于SAPH440热轧酸洗材料汽车副车架上片成形优化分析
1 副车架上片冲压有限元模拟分析
1.1 零件结构介绍
某车型副车架上片如图1所示，外形尺寸为504mm×974mm×163mm，料厚为2.5mm，前后立壁面拔模角度较小，在冲压方向上只有3°左右，整体结构复杂，中间是扩张U型结构，方形材料成形时流动困难，需要增加1副落料模，零件两端的凸台开裂风险较大。成形零件选择SAPH440热轧酸洗材料，属于高强度钢，Q/BQB310-2018《汽车结构用热连轧钢板及钢带》对SAPH440的成分规定如表1所示，对其力学性能要求如表2所示。
1.2 副车架CAE模拟仿真分析
1.2.1 导入设置
将零件以IGES格式导入软件中，调整其角度使其满足冲压成形角度要求，定义板料材质SAPH440，厚度2.5mm，完成零件导入的初步设定，材质参数设置如图2（a）所示。
以零件重心为基准，旋转X、Y、Z轴角度，调整符合零件成形要求的冲压方向，即冲压角度下直接拉深的区域无负角，如果存在负角区域则需进行翻边或者整形处理，白色面为0~3°拔模角度，中间浅色区域为负角度区，如图2（b）所示。
1.2.2 工艺模面设计
根据副车架的结构复杂程度，初步规划零件成形工序为4道：拉深、修边、整形、冲孔，如图3（a）所，并在CAE仿真软件中设置全工序排序。
CAE仿真软件工序的工艺面设计与实际工序顺序相反，即先从最后工序开始模面处理，然后处理倒数第2道工序模面，依此类推，这种设计方法方便提前处理整形型面和翻边型面，保证拉深型面为无负角状态，以满足零件成形性分析要求。
在工艺补充面设计过程中，首先将零件边界光顺，提高构建工艺补充的效率；其次通过适当增加控制线来调整压料面到零件的距离，使其与零件最低点距离保持在10mm左右，同时要求压料面与零件边界随形设置，过渡圆角做到R50mm，如图3（b）所示；最后根据分析结果，对起皱和开裂区域进行优化设计工艺补充面，将凹圆角做到R12mm，凸圆角做到R15mm，侧壁拔模角做到15°，转角做到R30mm，尖点做倒R15mm的球角，优化后如图3（c）所示。
1.2.3 仿真分析结果
仿真分析结果如图4所示，副车架上片在拉深过程中，拐角过渡急剧位置发生鼓起，如图4（a）所示，到底后起皱数值最大值达到了0.188mm，如图4（b）所示，CAE分析评估起皱风险较高。U型结构内部板料流入量受限，此结构为扩张型拉深，板料减薄率达到31.4%，凸台内侧立壁面最大减薄率达到37%，如图4（c）所示，减薄1.714mm，如图4（d）所示，CAE分析评估开裂风险较大。
1.2.4 零件数据优化
如图5所示，根据CAE仿真分析结果判断，零件过渡急剧的区域需要优化变缓，即过渡面的高度方向的落差控制在80mm左右，水平方向的距离控制在230mm，并在起皱位置增加5mm高的凹/凸筋缓解起皱。开裂风险区域在不影响搭接关系时，将尖点位置倒三角面，面积做到980mm2、开裂R角做到R10mm、侧壁面做到车身Z向15°，以降低现场调试模具难度和零件开裂风险。
1.2.5 数据优化的CAE分析结果
零件优化后CAE分析结果如图6所示，副车架在拉深过程中，拐角过渡位置鼓起降低，如图6（a）所示，到底后起皱数值最大值为0.067mm，如图6（b）所示，CAE分析评估起皱有改善，满足造车要求，但起皱无法完全消除。
U型结构内部位置优化落料线、工艺和零件后，拉深开裂得以解决。板料最大减薄率控制在18.9%以内，凸台区域优化零件后内侧立壁面减薄控制在17.8%以内，如图6（c）所示，最小厚度控制在2.026mm以上，凸台区域最小厚度控制在2.069mm以上，如图6（d）所示，CAE分析评估满足冲压成形性要求。
2 零件现场状态
2.1 首次出件问题及优化策略
如图7（a）所示，椭圆处凸包内侧存在开裂是因为拉深时板料减薄导致，通过打磨凸模可消除该处缺陷；U型结构扩张撕裂如图7（b）椭圆处所示，需要调整凸凹模间隙；变化急剧拐角处拉深起皱如图7（c）椭圆处所示，需确保装配面的平面度及面轮廓度符合设计要求。上述缺陷与前期CAE仿真分析结果判断一致，考虑首次出件结果，需要继续对模具零件进行抛光研合到位，以完全消除这些缺陷。
2.2 模具研合完成后零件状态
为检查模具是否合格，在完成全部工序生产后需要对零件尺寸精度进行测量，主要检测零件的整体外观，确保整体外观没有明显的划痕、起皱、开裂等缺陷，之后再使用检具检测零件尺寸精度，即基准、孔、型面、边界的检测，如图8所示。对最终模具研合后成形的零件检测，结果表明零件的合格率均在92%以上，符合造车要求。
3 结束语
基于CAE仿真软件对热轧酸洗SAPH440材料成形进行仿真，以某车型副车架上片为例，研究了SAPH440材质对副车架上片成形性的影响。在造型阶段，通过CAE仿真分析板料的成形性，根据分析结果判断板料成形的缺陷，前期将工艺模面和零件结构进行优化，能够在模具铸造前及时判断SPAH440材质成形的可行性。对于CAE分析结果暴露的问题，通过调整板材厚度和工艺实现副车架上片的成形，避免后期因要更换材质而带来的损失，同时缩短了模具开发周期，提高了设计的可靠性。
▍原文作者:廖博文，谭必丁，陆军合
▍作者单位：湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司