基于AutoForm的锌铝镁镀层板拉深成形及回弹研究

蒋 磊，李十全，王 龙，赵 磊，陈一哲，赵春晖

（1.东风本田汽车有限公司 新车型中心，湖北 武汉 430056；2.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；3.宝山钢铁股份有限公司 汽车板销售部，上海 201999）

0 引 言

锌铝镁镀层板是在传统热镀锌板基础上对镀层成分进行改良，加入少量的铝、镁等合金元素研发的一种新型材料。镀层成分中，铝含量为1%～3%，镁含量为1%～2%，其余为锌。镀层组织由Zn相、Zn/MgZn2二元共晶相和Zn/Al/MgZn2三元共晶相3 种形态构成[1-5]。其与传统热镀锌板相比，锌铝镁镀层板提升了镀层的耐磨损和抗划伤性能，改善了镀层的摩擦及粘滑特性，有更优良的冲压成形性能、抗化学腐蚀性能，能适应更恶劣的腐蚀工况，可减少后续防腐处理和防护，在相同防腐标准下，镀层可进行一定程度的减薄，锌用量可节约30%以上[6-9]。因此锌铝镁镀层板作为新一代经济环保型高性能镀层产品越来越受到各大整车制造商的重视。国内能批量生产并有整车工业化应用的部件主要集中于车身内覆盖件，对于车身外覆盖件锌铝镁镀层板的应用研究需进一步探索。

对于发动机罩外板拉深成形及回弹许多学者利用数值模拟方法进行了一系列的研究。胡文治等采用层次分析法结合BP神经网络（AHP-BP）模型对铝机罩外板成形性进行了仿真和优化[10]；董丽等基于正交试验法借助DynaForm 对发动机罩外板进行成形模拟，并优化了工艺参数[11]；么大锁运用二次多项式逐步回归的多目标优化方法分析了发动机罩外板拉深成形性，获得了较好的成形效果[12]。但对于锌铝镁镀层板的发动机罩外板拉深成形及回弹却鲜有研究，现借助AutoForm 仿真软件对锌铝镁镀层板的拉深成形及回弹进行研究，通过成形极限图、减薄率、起皱因子、主应变、次应变及回弹量对其成形性能进行分析。

1 拉深工艺分析

选取某SUV 车型发动机罩外板为研究对象，如图1 所示，外形尺寸为1 605 mm×1 157 mm×248 mm，基体厚度为0.6 mm，质量为7.358 kg，内、外表面均为锌铝镁镀层，镀层质量为35 g/m2。该零件属于车身外覆盖件，具有尺寸大、造型复杂、表面质量要求高等特点[13]，拉深成形过程中容易出现成形零件开裂、起皱及回弹等缺陷[14,15]。

图1 发动机罩外板几何模型

零件选用的锌铝镁镀层板材料牌号为HC220BD+ZM-35/35，基体材质为烘烤硬化钢，各项性能参数如表1所示。

表1 锌铝镁镀层板材料性能参数

2 拉深工艺模面设计

运用CATIA V5 创成式曲面设计(generative surface design, GSD)模块对锌铝镁镀层板发动机罩外板进行三维工艺模面设计。由于发动机罩外板属于浅拉深件，为了保证零件的成形性能，并抑制板料在成形过程中的起皱趋势，零件沿周拉深筋采用“内侧方筋+外侧圆筋”的双筋设计。基于发动机罩外板结构特点和工艺特性，设计了初始拉深工艺模面及各部位工艺补充面，如图2所示。

3 有限元分析

将锌铝镁镀层板发动机罩外板拉深工艺模面转换为IGS格式，导入AutoForm R7中进行拉深成形仿真，板料尺寸为1 850 mm×1 430 mm×0.6 mm，屈服准则选择Hill-48。传统热镀锌板一般选用基于Table公式拟合的材料硬化曲线，而锌铝镁镀层板则需要选用基于Swift&Hockett-Sherby 公式拟合的材料硬化曲线。Swift&Hockett-Sherby 硬化曲线公式如下：

式中：σ——真实应力，MPa；α——混合权重因子（0～1）；C——强度系数；εpl——等效塑性应变；ε0——初始屈服应变；m——应变硬化指数；σSat——流动应力饱和值；σi——初始屈服应力；p——流动应力饱和指数。

AutoForm R7 材料参数库中，对于HC220BD+ZM 锌铝镁镀层板基于试验数据对各项参数进行了定义，数值如表2所示。

对于发动机罩外板类的大型车身外覆盖件，在AutoForm 中进行成形仿真时，为了保证其分析精度，有限元网格采用EPS11(elastic plastic shell use 11 layers)类型的弹塑性壳单元。支撑类型选用“Force Controlled”，压边力设置为1 400 kN，拉深垫行程设置为130 mm，冲压速度设置为200 mm/s，摩擦因数设置为0.125，为了能与实际生产情况保持一致，压边力加载类型选用气垫顶杆式（cushion pin），并按模具结构形式将压边圈有效厚度（effective binder thickness）设定为200 mm，各项工艺参数与有限元模型如图3所示。

表2 HC220BD+ZM锌铝镁镀层板成形仿真材料参数

图3 拉深工艺参数与有限元模型

对有限元模型进行求解计算，得出成形性模拟结果如图4 所示。模拟结果显示发动机罩前风挡左、右两侧工艺补充面存在开裂风险，说明初始拉深工艺模面不满足成形要求，需要对工艺模面进行造型优化。

为了改善发动机罩外板成形性，解决拉深开裂问题，在初始拉深工艺模面基础上对工艺补充面及拉深筋进行修改，将前风挡左、右两侧凸圆角由R20 mm 增大至R25 mm；凹圆角由R12 mm 增大至R15 mm；内侧方筋顶部圆角由R2 mm 增大至R2.5 mm，底部圆角由R3 mm 增大至R3.5 mm，具体造型优化方案如图5所示。

图4 成形性模拟结果

图5 拉深工艺模面优化方案

拉深工艺模面优化的成形仿真结果如图6 所示，发动机罩外板成形良好，前风挡左、右两侧开裂问题得到解决，其余部位也未开裂、起皱，成形的零件整体变形充分，主应变均大于3%，次应变均大于0，表明通过改变凸、凹圆角及拉深筋圆角大小可有效解决成形零件拉深开裂问题，并能使材料应变均匀分布，使成形零件获得良好的刚性。但从成形零件回弹模拟结果看，发动机罩外板特征棱线外侧回弹较大，回弹量为2～4 mm，最大达到3.959 mm，均为负向回弹，说明拉深成形后，成形零件产生了内缩变形，无法满足成形零件型面±0.5 mm 的尺寸精度要求，需要进一步对拉深工艺模面进行优化。

图6 拉深工艺模面优化后仿真结果

4 回弹补偿方案

由于发动机罩外板厚度较薄、外观造型曲率变化大，拉深成形难以获得良好的形状冻结性（shape fixedness），即材料成形后的稳定性，通过改变工艺补充面造型或调整工艺参数的常规方法难以有效降低零件成形的回弹，需要对拉深工艺模面进行回弹补偿设计。

运用AutoForm 回弹补偿模块可基于回弹结果对模具零件型面进行补偿，补偿后运行新的增量法模拟，然后将模拟结果与目标模型进行对比。若回弹量超出成形零件尺寸公差要求，则启动新一轮的迭代循环，若回弹量在成形零件尺寸公差要求内，则可将补偿向量场或补偿后的模具零件型面导出，作为拉深工艺模面回弹补偿设计的参考依据。将AutoForm 回弹补偿结果导入CATIA 软件，对发动机罩外板拉深工艺模面进行逆向重构，将逆向重构数据以txt格式输出，再次导入CATIA 软件进行曲面驱动变形。通过控制点的合理选择和边界约束设置，使变形后的拉深工艺模面达到G2连续，满足成形零件外观曲面光顺性要求。回弹补偿方案基本原理及补偿后的拉深工艺模面如图7所示。

图7 回弹补偿方案原理与补偿后的拉深工艺模面

经过多轮循环补偿，发动机罩外板拉深回弹量越来越小，图8 所示为发动机罩外板最终补偿后的回弹数值云图。由图8 可知，补偿后的发动机罩外板拉深回弹量已全部降低至0.5 mm 以内，满足成形零件尺寸精度要求，回弹补偿达到预期效果。

图8 拉深工艺模面补偿后回弹数值云图

5 试验验证

对获得回弹补偿的成形发动机罩外板的冲模进行试模验证，试验选用额定压力为20 000 kN的机械压力机，工艺参数与最终仿真方案保持一致，得到的试模样件及成形零件各部位等效厚度减薄率如图9 所示。由图9 可知，采用锌铝镁镀层板的发动机罩外板成形质量较好，无开裂、起皱，且成形零件表面光滑、无划伤、拉伤及锌粉脱落等缺陷，拉深回弹量也较小，均控制在0.5 mm 以内，无需对冲模进行修改，试模结果与仿真结果基本相符，符合零件成形质量要求，解决了锌铝镁镀层板在发动机罩外板上应用的难题。

6 结束语

（1）基于AutoForm 模拟锌铝镁镀层板的发动机罩外板拉深成形过程，研究了拉深工艺模面造型对锌铝镁镀层板成形性的影响，通过调整拉深工艺模面结构可以有效提高零件的成形质量。

（2）通过改变拉深凸、凹圆角及拉深筋圆角可以改善锌铝镁镀层板材料流动性能，使拉深成形后的零件应力、应变均匀分布，解决了锌铝镁镀层板拉深开裂的问题。

（3）借助AutoForm 增量求解法对拉深工艺模面循环补偿，为发动机罩外板在CATIA 软件中进行回弹补偿设计提供了数据参考，快速准确地解决了锌铝镁镀层板拉深回弹量过大的问题，达到了锌铝镁镀层板零件成形精度要求。

图9 试模样件与等效厚度减薄率

（4）利用数值模拟和试模试验相结合的方法，验证了锌铝镁镀层板在汽车发动机罩外板上应用的可行性。研究表明，锌铝镁镀层板可直接用于汽车发动机罩外板的冲压成形，无需特殊处理，成形过程中，锌铝镁镀层与基体连接良好，不会与基体分离或出现变形不同步的问题，对于该材料在汽车行业的扩大应用有一定的指导意义。