针对TWB 汽车覆盖件成形裕度不足，焊缝区域拉延易开裂问题，以应用TWB 的某车型前门内板为研究对象，采用试验法与有限元分析相结合的方式，基于正交试验快速筛选出造成前门内板拉延焊缝区域开裂的主要工艺参数，分析了主要工艺参数对前门内板成形性的影响规律。
随着“碳达峰和碳中和”发展目标的提出，轻量化已成为我国乃至全球汽车产业的必然趋势。拼焊板（tailor-welded blank,TWB）作为一种集材料轻量化和工艺简单化两大优点的技术，不仅能够在保证车身结构强度的同时降低车身装备质量，还能提高材料利用率，因而被广泛应用于汽车覆盖件的生产制造。TWB 技术是根据车身强度和刚度需求，将不同厚度的同一种材质或不同材质通过激光拼焊的方式连接成一个整体坯料，然后进行冲压成形以加工出所需要的形状的技术。应用TWB 技术可以实现同一零件不同部位材料厚度和性能的柔性定义，使多个零件化零为整成为可能，从而有效减少了冲压模具数量，降低了零件焊接装配成本。
研究主要针对压边力、摩擦系数和拉延筋等易于调整的常规工艺参数进行优化，而对于坯料尺寸、工艺切口等调整难度大的工艺参数优化研究较少，因此，为了更加全面地了解TWB 板汽车覆盖件成形规律以及工艺参数对其成形过程的影响，本文以东风本田某TWB 前门内板为研究载体，综合考虑压边力、摩擦系数、拉延筋、皮料尺寸和工艺切口对拉延成形的影响，通过成形工艺设计和有限元分析，识别零件拉延成形缺陷，基于正交试验法快速确定影响TWB 前门内板成形开裂的主要工艺参数，并利用极差分析得出成形工艺参数的最优组合，利用方差分析验证了影响TWB 前门内板成形开裂的主要因素的显著性。最后，将最优工艺参数组合用于TWB 前门内板成形仿真和试模验证，获得了吻合度较高且成形质量良好的成形件。
图1 为某TWB 前门内板产品数模及其材料拼焊方式，该产品由两部分构成，左侧部分（图1a中左边深色区域）材料厚度为1.2 mm，右侧部分（图1a 中右侧浅色区域）材料厚度为0.65 mm，两种厚度材料通过下底面对其的方式进行激光拼焊，即错层区位于零件上表面，如图1b 所示。产品在X、Y、Z 这3 个方向的轮廓尺寸分别为1 688 mm×176 mm×627 mm，整体成形深度较大，空间结构复杂，特征圆角多且小，材料在拉延成形过程中流动困难，零件发生开裂风险较高。
图1 TWB 前门内板产品与材料拼焊方式
由于前门内板为左右对称件，为了便于拉延成形、提高材料利用率、减少模具数量、降低模具开发成本，通常会采用左右对拼、一模两件的拉延成形工艺方案。通过工艺分析得出，该零件的全工序成形工艺方案为：第1 工序拉延（OP10），第2 工序整形、修边（OP20），第3 工序修边、翻边和冲孔（OP30），第4 工序剖切、整形、冲孔和侧冲孔（OP40）。在这4 道工序中，拉延序直接成形出产品的绝大部分形状，对零件的成形质量起着决定性作用，因此，拉延序成形工艺的设计、仿真以及验证最为重要。利用CATIA 软件设计的TWB 前门内板拉延工艺模面如图2 所示。
图2 TWB 前门内板拉延工艺模面
2.1 材料性能
该TWB 前门内板厚、薄板图纸设计的材料均为JAC270D-45/45，材料供应商为蒂森克虏伯，实际生产时所使用的材料为与JAC270D-45/45 性能相当的DX54D-ZF，材料的FLC 曲线基于蒂森克虏伯TKSⅡ-ISO 准则获得。两种厚度材料的力学性能参数如表1 所示。2.2 有限元模型
准确的材料模型是实现精准有限元分析的基础[9]，利用AutoForm 材料编辑器导入仿真所需要的本构模型、屈服面模型、FLC 曲线，并按照表1 对各项材料参数进行数值输入，从而得到相应的仿真材料卡MAT 文件[10]。将TWB 前门内板拉延工艺模面的冲压方向、凸模、压边圈、凹模、坯料及工艺切口分别以IGS格式导入至AutoForm 软件中，依次完成冲压方向设定、材料定义、工序规划、坯料设计、工具体设置以及仿真精度选择设定，并利用AutoForm 自适应网格技术进行网格划分，最大网格单元边长为10 mm，获得的坯料与拉延模具有限元模型如图3所示。2.3 工艺预分析
根据实际生产经验，前门内板在拉延成形之前，坯料会经过清洗机进行表面涂覆油膜处理，拉延成形过程中润滑条件良好，因此可将摩擦系数设置为0.13[11]；采用全自动化生产的前门内板冲压节拍可到达SPM10，压力机上滑块行程为900 mm，换算得出等效冲压速度为300 mm/s；压边力通过公式B.H.F.=P×S[12]（式中：B.H.F.为压边力，P 为单位面积压强，一般取值3 MPa，S 为压料区域面积）计算得出为1 200 kN；压边圈行程按照略大于拉延成形深度取整设定，设置为180 mm；第一刺破刀高度H1 和第二刺破刀高度H2 根据经验均预设为10 mm。在AutoForm 软件中将上述工艺参数设置后提交求解，得到如图4 所示的初步成形仿真结果。其中，图4a为TWB 前门内板拉延成形性云图，图4b为TWB 前门内板减薄率云图。仿真结果显示，焊缝区域出现较为严重的过渡减薄现象，最大减薄率达到34.8%，存在较高的拉延开裂风险。3.1 试验设计
为了解决TWB 前门内板焊缝区域拉延开裂问题，本文对影响TWB 前门内板成形质量的主要工艺参数进行了试验设计，并结合试验结果确定了最优工艺厂参数。通过分析，选择对TWB 前门内板拉延成形影响较大的压边力B.H.F.、摩擦系数μ、第一刺破刀高度H1、第二刺破高度H2、薄板宽度W 作为设计因素。先利用单因素试验确定各因素的大致取值范围，再利用正交试验法确定各因素对TWB 前门内板焊缝区域成形质量影响的主次顺序以及最优工艺参数组合。试验设计中将压边力B.H.F.定义为试验因素A，摩擦系数μ 定义为试验因素B，第一刺破刀高度H1 定义为试验因素C，第二刺破高度H2 定义为试验因素D，薄板宽度W 定义为试验因素E。通过单因素试验结果得出各因素的取值范围为：试验因素A 取值1 000～1 400 kN，试验因素B 取值0.12～0.16，试验因素C 取值8～12 mm，试验因素D 取值8～12 mm，试验因素E 取值1 040～1 048 mm。运用正交试验法建立的5 因素5 水平正交试验表如表2所示。根据建立的5 因素5 水平正交试验表，得出25 组不同因素和水平的试验组合，将上述初步成形仿真文件克隆25 份，并分别代入25 组试验组合的工艺参数进行求解计算，以TWB 前门内板焊缝区域的最大减薄率作为评价指标，通过逐一处理查看成形仿真文件，得到如表3 所示的正交试验结果。3.2 极差分析
极差分析能够非常直观地显示正交试验中各因素对试验结果的影响程度[13]，因此，为确定各工艺参数对TWB 前门内板焊缝区域成形性影响的主次顺序，需要对正交试验结果进行极差处理，其中，K=ΣKij (i=1，2，3，4，5；j=A，B，C，D，E)；k=1/5ΣKij（i=1，2，3，4，5；j=A，B，C，D，E）；Rj=kmax-kmin，以最大减薄率为评价指标，得出正交试验结果的极差分析如表4 所示。由表4 中的极差分析结果可知，各因素对TWB 前门内板焊缝区域最大减薄率影响的主次顺序为：A＞B＞E＞D＞C，其中，压边力B.H.F.对焊缝区域最大减薄率的影响最大，第一刺破刀高度H1对焊缝区域最大减薄率的影响最小。所得到的最优工艺参数组合为A1B2E3D4C3，即压边力B.H.F.=1 000 kN、摩擦系数μ=0.13、薄板宽度W=1 044 mm、第二刺破高度H2=11 mm、第一刺破刀高度H1=10 mm。在实际生产中，压边力可通过冲压设备进行设定和调整[14]，摩擦系数可通过调整坯料清洗机泵油量、挤干辊压力来改变[15]，坯料宽度可在原材料落料时进行调整，工艺切口的刺破刀高度则可以通过打磨或者堆焊刃口进行不同数值的调整。在压边力、摩擦系数、坯料宽度确定之后，仅需对工艺切口的刺破刀高度进行调试验证即可使实际工况条件与最优工艺参数组合趋于一致。3.3 方差分析
利用极差虽然获得了TWB 前门内板拉延成形的最优工艺参数组合，但是在没有试模验证之前，该工艺参数组合所能达到的试验值及其波动范围，均无法预知。因此，还需要运用方差分析法对各因素的显著性进行检验。正交试验的方差分析结果如表5 所示。由表5 中的方差分析结果可知，因素A 对试验结果有显著影响，表明压边力对TWB 前门内板焊缝区域的最大减薄率起着决定性作用。根据F 值可知，5 个因素的主次顺序为A＞B＞E＞D＞C，即压边力B.H.F.＞ 摩擦系数μ＞薄板宽度W＞第二刺破高度H2＞第一刺破刀高度H1。同时，通过对比极差与方差分析数据可知，方差分析所得出的各因素主次顺序结论与极差分析结论完全一致，证明了极差分析的准确性。3.4 工艺优化分析
根据正交试验结果极差和方差分析所得出的因素主次顺序选取最优方案水平，在AutoForm 软件对初步成形仿真文件进行工艺参数修改，依次压边力B.H.F.设置为1 000 kN，摩擦系数μ 设置为0.13，薄板宽度W 设置为1 044 mm，第二刺破刀高度H2设置为11 mm，第一刺破刀高度H1 设置为10 mm，然后再次提交求解计算，得到如图5 所示的工艺参数优化后的成形仿真结果。其中，图5a 为TWB 前门内板拉延成形FLD，TWB 前门内板所有区域的应变全部位于材料FLC 曲线以下，并且具有足够的安全裕度；图5b 为TWB 前门内板成形性云图，零件产品面区域塑性变形充分，成形良好，未出现拉延开裂和过度减薄缺陷；图5c 为TWB 前门内板减薄率云图，焊缝区域最大减薄率为24.3%，未超出25%的上限基准，零件发生开裂的风险较低；图5d 为TWB 前门内板最大失效云图，焊缝区域最大失效为0.688，根据企业内部标准，当最大失效小于0.8 时，即可认为零件不会发生开裂[16]。综合判断图5 的成形仿真结果可知，TWB 前门内板焊缝区域拉延开裂的问题得到解决，按照优化后的工艺参数进行生产，零件可获得良好的成形质量。图5 TWB 前门内板工艺参数优化后的成形仿真结果利用正交试验优化得到的工艺参数组合及成形仿真结果进行冲压模具设计开发，最终调试稳定的TWB 前门内板拉延模如图6a 所示，利用拉延模对TWB 前门内板件试模验证，获得如图6b 所示的成形样件，通过目视检测可知，样件变形均匀、成形充分，无开裂、起皱等缺陷。为了进一步量化评价试验方案的可靠性，利用ARGUS 网格应变测量系统对拉延成形过程进行应变测量分析，样件网格划分及变形情况如图6c 所示，获得的应变分析结果如图6d 所示，最终得出TWB 前门内板焊缝区域最大减薄率为23.8%，与工艺参数优化后的成形仿真结果基本吻合，验证了基于正交试验优化成形工艺方案的正确性。（1）通过设计拉延成形正交试验方案以及极差、方差分析，得出影响TWB 前门内板焊缝区域最大减薄率的因素主次顺序为压边力B.H.F.＞ 摩擦系数μ＞薄板宽度W＞第二刺破高度H2＞第一刺破刀高度H1，并确定了成形工艺参数最优组合为压边力B.H.F.取值1 000 kN、摩擦系数μ 取值0.13、薄板宽度W 取值1 044 mm、第二刺破高度H2 取值11 mm、第一刺破刀高度H1 取值10 mm。（2）采用优化后的成形工艺参数组合进行TWB 前门内板拉延成形仿真，消除了焊缝区域的开裂风险，零件获得了足够的安全裕度。基于优化后的工艺方案和成形仿真结果进行模具制造调试以及试模验证，得到成形性良好，无开裂、起皱等缺陷的合格样件。试模结果与成形仿真保持着较高的一致性，证明了正交试验和有限元分析的准确性。（3）研究结果表明，将正交试验应用于成形仿真能够有效解决TWB 前门内板焊缝区域拉延开裂问题、提高TWB 前门内板的成形裕度，减少零件量产阶段的质量缺陷，对于同类汽车覆盖件成形工艺的开发和冲压生产具有一定指导意义。
