關于高強汽車鋼控制臂沖壓成形工藝的研究

本文以某高強鋼汽車控制臂為研究對象，研究沖壓成形規(guī)律，采用Autoform軟件進行沖壓成形過程仿真模擬，優(yōu)化沖壓成形工藝。

控制臂結構分析

本文中汽車下控制臂的材料采用HDT780C高強鋼，材料厚度為3.2 mm，屈服強度680～830 MPa，抗拉強度大于780 MPa，伸長率大于10%，零件三維幾何形狀如圖1所示，整體結構左右對稱，前后兩端開有豁口，兩側向上有翻邊，側壁有開孔，中心孔有向下翻邊，根據(jù)產(chǎn)品裝配要求，控制臂關鍵尺寸為：A-A/B-B/C-C開豁口兩側端面安裝孔處，尺寸公差要求±0.6 mm，平行度0.5 mm，兩側開孔同軸度0.6 mm。由于是車輛關鍵底盤件，根據(jù)控制臂使用要求，制件要求表面光滑平順，材料減薄率小于20%，不允許有皺紋、壓痕及拉傷，過渡圓角應力集中，邊緣接口凹陷等缺陷。

圖1 汽車控制臂結構

有限元模擬分析

2.1初始工藝方案確定

根據(jù)產(chǎn)品結構特點，為了提高生產(chǎn)效率，盡可能縮減工序數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，沖壓過程中不設置修邊工藝，輪廓形狀靠落料環(huán)節(jié)保證。由于控制臂頸部形狀較為復雜，材料塑性差，為避免控制臂頸部成形開裂，對頸部進行分次拉深，設計沖壓成形工藝方案為：開卷落料拉延整形沖中心孔并修前后端豁口翻邊并整形沖法蘭區(qū)周緣四孔側沖孔并翻中心孔且在孔口處做倒角，如圖2所示。

圖2 沖壓成形工藝方案

2.2沖壓工藝參數(shù)確定

采用Autoform軟件進行沖壓模擬仿真，根據(jù)產(chǎn)品結構進行修邊線回算，初步確定毛坯尺寸約為490 mm×307 mm(如圖3)，材料選取HDT 780C高強鋼，采用的網(wǎng)格模擬單元為彈塑性殼單元。

圖3 初始板料形狀

產(chǎn)品關鍵工序為拉延部分，工具體設置如圖4所示。因此主要考慮分析拉延工序中工藝參數(shù)的影響，在沖壓成形中，卸載后產(chǎn)品的回彈和最大減薄率是評價產(chǎn)品成形質量的指標，而材料本身的性能以及沖壓工藝參數(shù)(壓邊力、摩擦因數(shù)和沖壓速度等)決定了零件最終成形質量，在實際生產(chǎn)過程中應變速率對材料性能的變化影響不大，模具間隙的調整范圍有限，所以我們重點研究壓邊力和摩擦因數(shù)對于板料沖壓成形性能的影響。

圖4 拉延工具體

初步設置模具間隙為板料厚度t，沖壓速度為100 mm·s-1，壓邊力為600 kN，在0.10～0.16摩擦因數(shù)作用下板料減薄率和回彈的結果如圖5所示，可見，隨著摩擦因數(shù)從0.10增大到0.16，制件最大減薄率由11.6%增大到13.1%，最大正回彈從3.18 mm 降低到2.08 mm，最大負回彈從-2.89 mm降低到-1.96 mm。由于摩擦因數(shù)的增大，導致拉延過程中拉應力增大，使發(fā)生塑性變形的區(qū)域增大，制件的最大減薄率增大，從而卸載后制件回彈值減小。在摩擦因數(shù)從0.14增大到0.16后，回彈值雖然減小，但是降幅明顯減小。因此考慮實際工程應用價值和預防起皺開裂等因素，最佳摩擦因數(shù)選取為0.14。

圖5 摩擦因數(shù)對板料最大減薄率(a)和回彈(b)的影響

當設置摩擦因數(shù)為0.14時，在600～1500 kN壓邊力作用下板料減薄率和回彈結果如圖6所示，隨著壓邊力從600 kN增大到1500kN，制件最大減薄率從11.8%增大到19.8%，最大正回彈從2.4 mm降低至1.96 mm，最大負回彈從-2.35mm降低至-1.88 mm。當壓邊力較大時，加載過程中板料邊緣被壓緊，板料在成形過程中產(chǎn)生大量的塑性變形和拉應力，卸載后，由于塑性變形區(qū)域較多，回彈值有所降低，提高了制件的沖壓尺寸精度，但同時由于壓邊力的增大，導致零件最大的減薄率提升，容易造成制件成形過程中的破裂。因此壓邊力最佳設置為900 kN，此時最大減薄率較低，回彈值也較小。

圖6 壓邊力對板料最大減薄率(a)和回彈(b)的影響

2.3仿真結果

摩擦因數(shù)為0.14，壓邊力為900kN時，控制臂的沖壓模擬成形性、減薄率及回彈結果如圖7所示。

圖7 CAE仿真結果

(a)成形性 (b)最大減薄率 (c)回彈

由仿真結果可知：控制臂成形效果良好，板料未發(fā)生開裂、頸縮現(xiàn)象。板料成形性處于安全區(qū)域內，板料最大減薄率為12.7%(小于20%)，滿足要求。但是從回彈分布云圖結果可見，控制臂左側面最大正回彈為2.13 mm，最大負回彈為-2.00 mm?？刂票塾覀让孀畲笳貜棡?span>1.77 mm，最大負回彈為-1.94 mm。制件兩端開豁口處側面的回彈值較大，且左右對稱性較差，影響兩側安裝孔的同軸度，故需要對工藝方案進行優(yōu)化。

工藝方案優(yōu)化

仿真模擬結果表明制件前后端開豁口處兩側尺寸精度較差，而定位的準確性直接影響了制件沖壓過程中拉延的對稱性，對于初始方案，定位方式以前后端的定位孔為基準，在沖壓過程中板料水平方向不穩(wěn)定，易導致拉延左右不對稱，同時考慮到板料為高強鋼，板料流動過程中，定位銷易磨損，加大了生產(chǎn)成本，故改定位孔定位為開槽定位，配合板料形狀，拉延過程中板料的水平度更高，兩側拉延對稱性更好。在整個工藝流程中，先進行前后端開豁口，后進行兩側翻邊，在翻邊過程中，兩側端面會受到翻邊工藝的影響，兩端面相對位置難以控制，成形后豁口兩側尺寸精度較差，故改工藝流程為先進行兩側翻邊，后進行前后端開豁口，在翻邊過程中把控好控制臂兩側面尺寸精度，開豁口時由于模具刀具向下進給，對兩側精度影響較小，并添加整形工序，使豁口兩側尺寸精度更高。另外在初始方案的頸部拉延過程中未發(fā)生起皺開裂現(xiàn)象，為減少拉延次數(shù)，縮短工藝時間，改為一次拉深成形。優(yōu)化后的工藝方案(圖8)為：落料(前后端開工藝槽)拉延整形并翻邊修兩端豁口整形法蘭區(qū)沖中心孔和法蘭區(qū)域孔側沖孔、翻中心孔并在中心孔處做圓角。

圖8 優(yōu)化方案工藝

基于優(yōu)化后的方案進行仿真分析，其回彈結果如圖9所示，制件整體回彈云圖分布規(guī)律和優(yōu)化前相同，制件左側面最大正回彈為1.76 mm，最大負回彈為-0.66 mm；控制臂右側面最大正回彈為1.83 mm，最大負回彈為-0.67 mm。

圖9 工藝優(yōu)化后仿真回彈結果

(a)左側面 (b)右側面

對比初始方案與優(yōu)化方案的回彈數(shù)值(圖10)，工藝方案優(yōu)化后左側面最大正回彈由2.13 mm減小為1.76 mm，降低了17%，左側面最大負回彈由2.00 mm 減小為0.66 mm，降低了67%；右側面最大正回彈由1.77 mm增大為1.83 mm，提高了3%，右側面最大負回彈由1.94 mm減小為0.67 mm，降低了65%。工藝方案優(yōu)化后制件整體回彈值降低。初始方案仿真結果前端豁口兩側最大回彈值相差0.36mm，優(yōu)化后前端豁口側面最大回彈值相差0.07 mm，減少了0.29mm。初始方案仿真結果后端左右側面最大負回彈值相差0.06 mm，優(yōu)化后后端左右側面最大負回彈相差0.01 mm，減小了0.05 mm，工藝方案優(yōu)化后，制件左右拉延對稱性更好。仿真結果對比表明：工藝方案優(yōu)化后制件尺寸精度更高。

圖10 優(yōu)化方案前后回彈值對比

試驗驗證

基于優(yōu)化方案，對控制臂進行試制，其中各工序對應模具如圖11所示，模具設計采用一模兩件。

圖11 優(yōu)化方案對應各工序模具結構

沖壓試制結果如圖12所示，可見制件表面質量良好，未發(fā)生開裂破損，成形效果良好，滿足試制要求。通過三維掃描對制件尺寸精度進行檢測。主要檢測制件A-A、B-B和C-C這3處兩側端面尺寸精度(主要以沖孔附近處為主)。掃描相關數(shù)據(jù)如圖13所示，數(shù)據(jù)正負表示方向。

圖12 試制零件

圖13 試制件三維掃描圖

(a)制件左側沖孔附近 (b)制件右側沖孔附近

圖13表明，A-A左側端面沖孔附近選取14個數(shù)據(jù)，最大正彈值為0.14 mm，最大負回彈為-0.42 mm，A-A右側端面附近選取15個數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.54 mm，最小正回彈為0.02 mm，均小于0.6 mm，A-A兩側端面尺寸精度滿足要求。

B-B左側端面開孔附近選取6個數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.45 mm，最小正回彈為0.19 mm，B-B右側端面取5個數(shù)據(jù)，最大負回彈為-0.28 mm，最小負回彈為-0.02 mm，B-B兩側端面尺寸精度滿足要求。

C-C左側端面開孔附近選取6個數(shù)據(jù)，最大正回彈為0.53 mm，最小正回彈為0.19 mm，B-B右側端面取5個數(shù)據(jù)，最大負回彈為-0.41 mm，最小負回彈為-0.09 mm，B-B兩側端面尺寸精度滿足要求。

制件拉延對稱度主要影響兩側孔的同軸度，以通止規(guī)檢測兩側孔的同軸度，如圖14所示，可見通止規(guī)完全穿過兩側孔位，制件拉延對稱性較好，同軸度滿足要求。

圖14 同軸度檢測圖

對比有限元模擬結果與控制臂試制掃描云圖結果可見，工藝優(yōu)化后，前后端沖孔周緣區(qū)域回彈結果基本控制在±0.6 mm以內，實際制件回彈結果與CAE仿真結果規(guī)律一致。零件整體的尺寸精度能夠滿足制造要求。

結論

(1)本文采用Autoform軟件模擬了HDT 780C高強鋼控制臂的沖壓過程，確定了沖壓工藝方案，并通過CAE模擬仿真分析，研究了工藝參數(shù)對板料成形性能的影響，選取合適的摩擦因數(shù)和壓邊力可以有效控制零件的最大減薄率和回彈，提高制件的成形質量。

(2)根據(jù)仿真模擬結果，針對制件回彈值較大，豁口兩端拉延不對稱的問題，優(yōu)化了控制臂沖壓的工藝方案，通過將定位方式由孔定位改為開槽定位，使沖壓過程中板料水平性更加穩(wěn)定，拉延對稱性更好，且避免由于板料強度較高導致定位銷磨損。通過優(yōu)化工藝順序，先翻邊后開前后端豁口，可以更好地控制前后端豁口兩端尺寸精度。

(3)優(yōu)化方案后的仿真結果表示，對于回彈值，優(yōu)化后左側面最大正回彈降低了17%，左側面最大負回彈降低了67%；右側面最大正回彈提高了3%，右側面最大負回彈降低了65%。對于拉延對稱性，方案優(yōu)化后前端左右側面最大回彈值減少了0.29 mm。后端左右側面最大負回彈值相差減小了0.05 mm。工藝方案優(yōu)化后整體回彈量更小，左右拉延對稱性更好，兩側安裝孔同軸度更高，制件尺寸精度更高。

(4)基于優(yōu)化后的工藝方案進行控制臂沖壓試制，制件回彈結果與有限元仿真結果規(guī)律保持一致，制件掃描數(shù)據(jù)滿足產(chǎn)品精度要求。