不同工藝參數對DP780內高壓成形D柱型面凹陷的影響

戴國強

（歐冶云商股份有限公司，上海 201900）

作為汽車輕量化的手段之一，內高壓成形技術已經得到越來越廣泛的應用[1-7]。對于汽車安全性的提升，除了傳統的提升材料強度外，管件內高壓成形零件可以通過封閉截面的空間結構優化來提升整體的結構強度，達到輕量化和安全性的要求。此外，將超高強鋼材料和內高壓成形技術相結合，會進一步提升整車的安全性和輕量化效果，包括DP1000的A柱、DP780的B柱、QP980的B柱、780MPa級別的扭力梁等[8-12]，有效的拓展了內高壓成形技術的應用范圍。

內高壓成形過程中較為復雜，密封、補料量、補料速度、內壓力控制等，均會對成形性產生影響，控制不穩定時，容易出現各種缺陷。湯澤軍等研究了成形過程中應力變化與失穩起皺之間的關系。劉剛等研究了外壓對內高壓成形的屈曲的影響，宋國橋等研究了影響內高壓成形過程中的開裂因素，何成等研究了管件扭力梁端部凹陷的問題。

本文以DP780內高壓成形D柱零件為研究對象，采用低壓液壓成形工藝，對不同低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力與凹陷量的關系進行研究，并進行試驗驗證。

1 成形仿真模型建立

1.1 產品幾何分析

零件長寬高分別為289mm、277mm、57mm，壁厚1.5mm，零件典型截面如圖1所示。管坯直徑根據零件中心軸線截面線長變化來確定，通過Autoform軟件進行分析，確定最大截面線長等效直徑為60.9mm，最小截面線長等效直徑為58.6mm，為了保證零件良好的成形性，管徑選擇靠近中間位置的59mm，保證正負截面變化率都較小。超高強鋼焊管采用激光焊管工藝，能夠有效保證內高壓成形對于焊縫質量的要求。

圖1 典型截面

1.2 DP780材料性能

研究用板材材質為超高強鋼DP780，含有質量分數為0.07%的C，0.09%的Si ，2.13%的Mn，0.01%的P，0.001%的S，屈服強度為483.2MPa，抗拉強度為805.1 MPa，斷裂延伸率為19.1%，應變強化系數為1265.1MPa，加工硬化指數n為0.12。模擬中，采用Ludwik模型：

式中σ為應力；ε為應變；K為應變強化系數；n為加工硬化指數。

1.3 有限元模型建立

考慮與實際樣件開發保持一致，將左右兩個對稱零件拼接在一起進行分析，如圖2所示。零件的主要成形工藝為彎管、預成形、低壓內高壓成形，如圖3所示。成形過程的數值模擬軟件采用Autoform，水平缸軸向進給為8mm，最大合模力3000噸，低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力值根據分析要求進行調整設定。

圖2 零件拼接方式

圖3 成形工藝

仿真分析有限元模型如圖4所示，包括彎管模具、預成形模具、內高壓成形模具，全部為剛體殼單元，管坯為殼單元。采用庫侖摩擦模型，摩擦系數為0.12。

圖4 有限元模型

2 D柱成形仿真分析

根據CAE分析軟件結果，DP780內高壓成形D柱主要凹陷區域如圖5所示，針對不同工藝參數的凹陷進行測量分析。

圖5 凹陷測量區域

2.1 不同低壓壓力對凹陷的影響

將低壓合模高度設定為5mm，高壓壓力設定120MPa，低壓壓力分別設定為10MPa、15MPa、20MPa。通過分析，當低壓壓力分別為10MPa、15MPa、20MPa時，凹陷量分別為隨著低壓壓力的上升而減小，分別為0.71mm、0.51mm、0.37mm，凹陷量隨著低壓壓力的增加而減小，如圖6所示。

圖6 不同低壓壓力對凹陷的影響

2.2 不同低壓合模高度對凹陷的影響

分析低壓合模高度對凹陷的影響時，低壓壓力設定為10MPa，高壓壓力設定為120MPa，低壓壓合模高度分別設定為5mm、10mm、15mm進行仿真分析。通過分析，當低壓合模高度分別為15mm、10mm、15mm時，凹陷量分別為0.71mm、0.15mm、0mm，凹陷量隨著低壓合模高度的增加而減小，如圖7所示。

圖7 不同低壓合模高度對凹陷的影響

2.3 不同高壓壓力對凹陷的影響

分析高壓壓力對凹陷的影響時，低壓壓力設定為10MPa，低壓合模高度設定為5mm，高壓壓力分別設定為120MPa、150MPa、180MPa進行仿真分析。通過分析，當高壓壓力分別為120MPa、150MPa、180MPa時，凹陷量分別為0.71mm、0.38mm、0.23mm，凹陷量隨著高壓壓力的增加而減小，如圖8所示。

圖8 不同高壓壓力對凹陷的影響

3 試驗樣件驗證

根據仿真分析結果和對應的仿真參數，制定對不同低壓壓力、不同低壓合模高度和不同高壓壓力工藝進行調試，零件無開裂、起皺缺陷，成形性均良好，如圖9所示。每個參數凹陷量均選取5個樣件件進行測量，測量區域如圖9紅框所示區域，取平均值后進行分析。

圖9 試制樣件

3.1 不同低壓壓力樣件的凹陷量

在低壓合模高度5mm、高壓壓力120MPa條件下，低壓壓力分別為10MPa、15MPa、20MPa時，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結果，分別為0.92mm、0.61mm、0.41mm，凹陷量隨著低壓壓力的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖10所示。

圖10 實測凹陷量與低壓壓力的關系

3.2 不同低壓合模高度樣件的凹陷量

在低壓壓力為10MPa、高壓壓力120MPa條件下，低壓合模高度為5mm、10mm、15mm，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結果，分別為0.92mm、0.25mm、0mm，凹陷量隨低壓合模高度的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖11所示。

圖11 實測凹陷量與低壓合模高度關系

3.3 不同高壓壓力樣件的凹陷量

在低壓壓力為10MPa、低壓合模高度為5mm條件下，高壓壓力分別為120MPa、150MPa、180MPa，實測樣件凹陷量略大于仿真分析結果，分別為0.92mm、0.41mm、0.26mm，凹陷量隨高壓壓力的增加而減小，與仿真分析趨勢一致，如圖12所示。

圖12 實測凹陷量與高壓壓力關系

4 結論

通過對DP780內高壓成形D柱的仿真分析和試驗樣件驗證，確定了低壓壓力、低壓合模高度、高壓壓力對零件凹陷量的影響，同時仿真分析和實際樣件的影響趨勢一致。

（1）隨著低壓壓力的增加，凹陷量減小，呈正相關。

（2）隨著低壓合模高度的增加，凹陷量減小，呈正相關。

（3）隨著高壓壓力值的增加，凹陷量減小，呈正相關。