冲压工艺对汽车零部件结构性能影响研究

李海燕

张家港长城汽车研发有限公司 江苏苏州 215600

【摘要】汽车零件制作依靠的是冲压工艺生产，能够保障工艺的制作质量则需要完好的模具构造设计。通常，在对冲压工艺进行修改的时候，往往会导致模具的废弃和返工。因为每个人都有自己的理解设计构想，所以同样的部件，会有很多种不一样的设计方法可以作为参照。对汽车零部件的冲压技术的制作来说，在生产过程中要遵循安全、经费合理、生产效率高、科技进步等原则，以确保零部件在符合有关要求的情况下，达到最大的经济利益和工艺效果。为此，本文着重于冲压过程对汽车零件的结构特性的影响进行了详细的分析和探讨。分析发现，冲压工艺对构件的局部耐磨性有较大的作用，将成形过程的作用引入构件的力学特性评估，可有效地改善构件的耐磨性。

关键词：冲压；结构性能；抗凹性能

1.引言

在我国，大部分的车辆零件，尤其是一些有承重性能的构件，都是采用冲压加工而成。当前，汽车设计中对零件的强刚度、动力学和碰撞能量吸收等方面的研究较少。然而，在生产中，由于板材在冲压过程中会发生塑性形变，从而发生了一种“工艺淬火”，从而使板材的屈曲强度增加，降低了板材的延展性。然而，因板材在成型过程中的厚度分布不均匀，造成不同部位的强度系数差异，不仅会对构件的强度和动力学特性造成不同部位的强度系数差异，还会造成构件的极限失稳状态差异，进而对构件的冲击能量吸收特性产生不同的影响。在对其进行力学、动力学和碰撞能量吸收等综合分析时，可有效地提升材料力学和动力学分析的准确性，从而为零件和整车的设计和优化奠定基础。现有的工作表明，冲压过程会对构件的各层面的力学特性产生不同程度的作用，将冲压过程引入到构件的力学特性分析中，可以提高构件的力学特性评价的准确性。在此基础上，针对我国目前存在的问题，选取具有代表性的冲压构件，从而更好地认识冲压效应对其力学行为的作用机理。

2.冲压工艺对汽车零部件结构性能影响

2.1汽车金属板材复合模具工艺过程

（1）在窗框加固板的加工中，传统冲压方法，除去落料下料外，还需进行拉延、修边、翻边、整形、脱开等五道工序，其边角及孔均在下料模具内进行预先切削。当钢板进入模内时，采用带有特定推动力的定位器来实现钢板的准确位置，以保证其在实际应用中的位置精度。在单动压力机中，将组合压力板沿逆方向进行，并用气垫推棒或氮汽缸支撑，使得组合压力板的顶部与组合冲头的顶部保持相同的水平，而凹模的底部仅高于平板几mm左右。在冲压过程中，当凹模下移，板材成形为一个复合压料板的形状，在后续成形期间，该压合区可作为后续的拉延工艺，在复合压料板和凹模运动到模具的底部时，凹模和凸模全部关闭，板料最后成形为模具的腔形。

（2）在车顶天窗加固板的工艺过程：其成型方法为：采用朝上的方法，组合成型的原则与窗户加强板件一样，不同之处是，组合凸件为多个表面，同时，沿着天窗的翻边也是一步加工，对于边线、小孔的精确性，则可以直接跳过后续所有步骤，对于高精密的边线、小孔，则可以通过二次冲压、二次成型来完成。使用组合冲压工艺，将五道工序简化为一道或两道工序，可节约50%以上的制造费用。

（3）用于发动机罩内壁的制造：拉伸面向下，其组合成型原则与窗户加强板一样，不同之处是：组合压力板的锐角处面积小于普通冲压区，减少了此部位的折痕，对于边、孔的精确性不高，则可以跳过后续所有步骤，对于较高的边、孔的精确性，则可以先进行二次冲切，再进行二次成型。采用这种复合冲压方法，可将常规的五道工序缩短一道或两道工序，并可将制造费用降低50%。

2.2抗凹性能评价指标

对被覆构件的抗凹陷能力的评估，从抗凹刚度、抗凹稳定性及抗凹陷能力三个角度进行。防凹型刚性是指被覆构件在承受下压弯折时所具有的可弯曲的弹性形变性能，可用荷载-位移关系来表达。随着附力的增大，其防凹陷刚性也随之变化。抗凹陷稳定性指的是在外部荷载到达一定的范围后，由于承受的弹性形变的能力会骤然丧失，进而出现不稳定的情况，即在受力到达一定范围后，会产生较大的位移。所谓的局部凹坑，就是在外部荷载的影响下，当荷载移走后，会在试样的表层留下一处永久的凹坑，是覆盖件抵抗局部凹陷的塑性变形能力。其中，抗凹刚度和抗凹稳定性体现覆盖件的弹性性能，局部凹痕抗力体现覆盖件的塑性性能。

2.3冲压工艺对材料性能的影响

在冲压过程中，若覆盖件的材料性能发生改变，将对其屈服强度、拉伸强度以及其本身的厚度产生一定的影响。本论文以某品牌的汽车为实例，对前车门外板、发动机舱罩和后背车门板的原始资料以及经过压制之后的资料展开了对它们的机械性质以及它们的厚度进行了测试，并将样本平坦区的钢板进行了截取，其中，前车门外板采用的是DC04，发动机舱罩采用的是DC03，后背车门板采用的是DC06。

将截取的平板处理为静止张力试样，在每个外板上取三个试样展开实验，用沙纸将试样上的漆和疙瘩去除，然后将测量试样的厚度记录在表1中，然后用电液伺服疲劳测试装置MTSLandmark进行静态张力试验。对三种不同类型的板材进行了静力拉伸实验，结果表明：三种板材在冲孔后的屈服性能均提高了约一倍，而其抗拉性能则无明显变化。

表1材料厚度变化

表2两种材料特性曲线下抗凹性能计算结果

在冲孔加工时，原板的材质会发生塑性流变，出现冷态强化，有些部位甚至会出现较薄的现象。结果表明，在一定程度上改善了板材的屈服强度，但在一定程度上减小了板材的塑性变形，并使其延伸率下降。

2.4建立有限元模型

采用Hypernesh分析程序对汽车前门、发动机舱罩及后车门进行了建模，并进行了压力头部的建模。（1）前挡风玻璃的数值建模：按照前挡风玻璃的数值建模，对挡风玻璃的外板、内板、加强板和防撞横板进行了建模，由于挡风玻璃的车身是以钢板为主，因此使用了外壳的方法来进行建模。在进行了网状图的分割之后，给它分配材质和特性，根据模板的状况，对各个部件进行了焊接，粘贴，并且将各个部件用螺栓联结起来。根据前门闭合工况对其进行边界约束，其中约束上下铰接123456DOF，约束锁扣123456DOF。（2）发动机舱盖有限元模型：以前车门的数值模拟为基础，依据前门的建模方法建立发动机舱盖有限元模型，边界条件约束铰接123456DOF，约束锁扣123456DOF，缓冲块约束3DOF。（3）后车门的有限元模型：根据前门的建模方式建立后背门有限元模型边界条件约束铰接123456DOF，约束锁扣123456DOF，缓冲块约束1DOF。（4）压头有限元模型：根据试验压头建立其有限元模型，单元类型为六面体网格，为方便和覆盖件建立接触面，在体单元表面建立壳单元。

2.5橡胶橡胶防冲孔效应的数字研究

在建模结束之后，利用Hypernesh软件中的Abaqus板块进行处理，首先，将覆盖件和压头的接触表面构建出来，之后，对其进行条件设定：Step1为加载150N的压力，Step2为加载400N的压力，Step3为卸载。使用Abaqus算法，在两种情形下，对在冲压前后的两种状态下，对前门外板、引擎舱盖和后门外板进行了抗凹陷的分析，得到了如下的结论。

比较了三种不同材质的板料在冲裁前和冲裁后的抗凹能力，发现经过冲裁处理的板料，其抗凹刚度和荷载位移几乎不变，而剩余位移则显著减小。

3.结束语

在对冲压前后覆盖件的材料展开静态拉伸试验的基础上，获得了其屈服强度和抗拉强度。在此基础上，以数值模拟法为基础，对某车型的前门外板、发动机舱盖和后背外板展开了计算，并进行了分析，得到了加载力-位移曲线。从冲压前后的比较结果中，我们可以发现，冲压工艺对材料的抗凹刚度和抗凹稳定性几乎没有影响，但是对局部凹痕抗力的影响仍然很大，这为抗凹残余位移目标值的设定提供了参考。

参考文献

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