板材冲压成形作为一种十分重要的制造技术，在汽车、航空、电器和国防等工业中都有广泛的应用。板材冲压成形在汽车制造中尤为重要，生产一辆汽车所需的原料大约有 70% 是钢铁材料［1］，钢铁材料中的薄板，特别是深冲板，是汽车原料用的最为广泛和最重要的材料。

       板材成形是一种复杂的力学过程，它包含几何非线性、材料非线性、接触非线性的强非线性问题。用传统的解析方法很难求解，即使能够求解，误差也较大。随着计算机技术的不断进步以及有限元技术的不断发展，近年来发展了用有限元法对板材成形过程进行计算机模拟和分析的新技术( CAE) 。随着有限元理论逐渐成熟与计算机的快速发展，利用计算机模拟技术对板材冲压过程进行模拟分析已成为前沿技术［2］，其技术优势在于无需多次实体试验，耗费极大的人力、物力、财力、时间，即可对产品性能有了直观的了解并且可以获取各项数值。提前对板材产品的冲压性能进行评价，是对产品质量把控和升级的重要途径，是对客户进行 EVI服务的重要手段。

1 原始情况

      本文针对某零件公司“制动器防尘罩”零件冲压过程中的开裂问题进行分析。该公司使用“钢厂2”板材材料直接替换“钢厂 1”材料后开裂率较大，生产开裂率最高达 50% 。板材牌号为 DC03，厚度为 1. 5 mm，现场测量零件板材厚度 1. 502 mm，公差正常。

       该零件冲压工序由成形、切边、整形、翻边 4 个工序组成。第一工序开裂，稍降压力又会有起皱，且很多第一工序拉薄的零件在第三工序整形时恶化为开裂，见图 1、图 2。最终现场调试在第一工序降低压力，变形不足的问题由第三工序整形调整( 相当于将一步成形，缓解为两步) ，调整工艺后出现轻微起皱情况，在整形工序后有所减轻，残余变形在废料区可切除，遂问题得到解决，之后生产开裂率降为 15‰。

       该零件并非结构件，调试后勉强可以接受，但板材仍处于接近失效极限状态，用户要求后续供货必须改进，以适应各种零件。

        为判断“钢厂 2”板材性能问题，对成形过程进行模拟计算，还原成形状态并进行性能调整计算试验，为“钢厂 2”后续供货性能调整提供依据。

2 采用数据

2.1 板材性能数据

        如表 1 所示，基于“钢厂 1”、“钢厂 2”对应批次的质量保证书性能，进行 AUTOFORM 材料卡片的编辑，最终录入如表 2 所示。

说明: 1.本次使用的“钢厂 2”材料卡，是以 AUTOFORM 材料卡的拟合逻辑进行参数修改的，未知参数(Young’s modulus、Poisson’s Ratio、密度、0° R 值、45° R 值、Biaxial 相关数据) 使用 AUTOFORM 材料卡中对应逻辑规则生成。2.由于“钢厂2”各向异性以及应力应变曲线等数据获取不全面，单次模拟的数据不建议过分关注，但针对本零件所做的性能调整对比具有参考价值。

2.2 屈服准则对比研究

       表 3 为各常用屈服准则的特点及缺点比较，综合各因素，最终采用 Hill 1948 屈服准则定义材料属性，充分考虑材料的各项异性以及三维应变状态。

说明：Hill 1948 屈服准则表达式:Aijklσijσkj － 2K2H = 0 .式中，Aijkl 为一个对称张量，有 15 个互相独立的参数; σij、σkl 为应力张量; KH 为等效应力。

3 模型简化及前处理

        使用 ANSYS SCDM 将该零件拉延工序的模具几何模型进行处理，将图 3 中的模具模型分离出图 4中的凹模模面几何模型。将该凹模导入 AUTO-FORM 后，进行前处理抽取该模型与板料接触面，分别编辑生成对应的“凹模、凸模、压边圈”，见图 5。将板材尺寸、规格、轧制方向严格依照现场实际工况进行编辑。

4 计算分析

4.1 一次计算

       现场压机较为老旧，铭牌标识不清、压力表显示异常，无法查看动态压力，只可通过 Force control 进行间隙控制计算。

       自适应网格处理，复杂变形部位 7 级细化; 使用Force control 控制间隙计算; 考虑动态摩擦系数随压强变化，设置对应现场中度涂油的润滑工况;采用CE + ( 评 估 阶 段 + ) 算 法，对应弹性壳单元 － 5( EPS － 5) ，最 大 初 始 单 元 40，最 小 单 元 0. 31;Thickness Stress 打开，厚度积分层数 5。经几何优化，反复对标工况修正后，得到“钢厂 1”、“钢厂 2”板材成形结果，最大减薄区域与现场工况相符，最大减薄率分别为 13. 9% 、14. 7% ，基本符合实际冲压结果，如图 6、图 7 所示。

结果分析:

（1） 虽“钢厂 2”板材屈服强度低于“钢厂 1”，R值高于“钢厂 1”，但抗拉强度低于“钢厂 1”14 MPa。可见屈服强度、R 值对该零件影响较弱，抗拉强度影响更为剧烈。

（2）计算结果显示“钢厂 2”板料边部起皱现象比“钢厂 1”明显，边部起皱也将对板料流动有一定的影响。

4.2 二次计算

       查看成形受力值，发现“钢厂 2”各项成形受力值均低于“钢厂 1”( 由于使用 Force control 控制间隙计算，将在计算过程中为保证间隙不变而自适应调整压力) ，随后将“钢厂 1”成形受力值代入“钢厂 2”计算( 使用 Spring control 控制压力不变) ，以排除板材特性变化所致成形受力状态改变而带来的影响。自适应网格处理，复杂变形部位 6 级细化; 使用Spring control 控制压力不变计算; 考虑动态摩擦系数随压强变化，设置对应现场中度涂油的润滑工况;采用 最 终 阶 段 ( FV) 算 法，对应弹性壳单元 － 11( EPS － 11 ) ，最 大 初 始 单 元 20，最 小 单 元 0. 31;Thickness Stress 打开，厚度积分层数 11。计算结果如图 8 所示。

（左）“钢厂 2”

（右）成形模拟结果( 边部起趋情况)

结果分析:

       结果显示减薄率进一步恶化为 15. 1% ，证明“钢厂 2”板材在实际工况( 冲压现场通常保持压机实际压力不变) 中开裂情况将更加严重，符合实际工况。同时也证明了各项性能对成形性的综合影响较为复杂，且板料特性将反向影响压机状态，可能导致成形愈加不顺。

5 改进

（1）依据上述试验结论，将“钢厂 2”保持其他性能不变，提高抗拉强度进行计算。当抗拉强度提高至 300 MPa 时，最大件减薄率降为 14. 9% ，进一步提高抗拉强度至 310 MPa，减薄率为 14. 8% ，无明显降低。见图 9、图 10。

（2）依据上述试验结论，将“钢厂 2”保持其他性能不变，提高抗拉强度至 300 MPa，同时降低摩擦系数为 0. 1，此时减薄率降低至 13. 0% 。见图 11。据此反馈进行生产工艺调整，提高供货板材性能的抗拉强度 10 ～ 20 MPa，降低板材粗糙度。后续供货，用户反馈使用效果良好。

6 结论

（1）本 次 模 拟 通 过Force control 来 获 取“钢厂 1”板材成形工况下的各项受力值代入 Spring control 的模拟方式，成功模拟出“钢厂 2”板料成形

过程，准确表达板料恶化趋势。

（2）通过模拟分析给出性能调整方向，提高抗拉强度并优化表面微观形貌以改善摩擦系数，后续供货使用性能得到改善，用户反馈良好。

参 考 文 献：

［1］ 李凯． 中厚板轿车摇臂件拉深成形数值模拟与分析［D］． 长春: 吉林大学，2004．

［2］罗亚军，杨曦，何丹农，等． 板料成形中的有限元数值模拟技术［J］． 金属成形工艺，2000，18( 6) : 1 － 3，21．

王亚男,刘妍,刘恩泽,杨维宇.制动器防尘罩冲压开裂CAE分析[J].包钢科技,2021,47(02):52-57.