本文以吉利某车型左纵梁前段为研究对象，采用我公司1.8mm 厚的HC340/590DP 进行试制，零件出现较严重翻边开裂现象，开裂率高达65%。采用3D 激光扫描仪、Catia 逆向和成形模拟仿真手段，对零件冲压过程进行模拟分析，探究影响零件冲压质量的关键力学性能指标，模拟结果显示提高材料的扩孔率对改善翻边开裂效果最为明显。通过工艺优化提高材料组织均匀性进而得到高扩孔率材料，进行再次试制，零件边缘质量得到有效改善。

随着有限元技术不断完善，与板材冲压成形相关的一些仿真软件逐渐进入现实生产中，利用CAE 分析软件对整个成形过程进行数值模拟可大大减少试模次数，缩短产品的开发周期。AutoForm 是一款被模具设计和汽车零部件厂广泛应用的CAE软件，可以实现冲压生产全工序的过程模拟，且后处理界面可直接查看板料变形过程中的应力应变云图、板料减薄情况，可预测缺陷产生，目前被很多钢铁企业采用。

汽车覆盖件制造工艺一般包括拉深、修边、冲孔、翻边、整形等。翻边工艺一般是在拉深、修边完成后进行的工序，翻边开裂是高强钢常见的一种失效模式。本文以我公司某次试模生产中出现翻边开裂问题的左纵梁前段为研究对象，采用模拟仿真手段进行摸索分析，从而为材料优化改进提供工程化建议。

翻边开裂问题件材料分析

研究背景

采用材质为HC340/590DP，厚1.8mm 的板料冲压生产左纵梁前段时，拉延修边后的零件在翻边工序出现开裂现象，且为较严重的贯穿型开口裂纹，开裂率高达65%，现场调整压机气垫压力、平衡器压力，均无法得到有效改善。而在相同工艺参数条件下，采用其他厂家同牌号产品生产该零件时，偶尔会出现较为细小的未贯通裂纹，多数情况下该位置基本不出现开裂。零件开裂位置和不同厂家的开裂情况如图1 所示。

材料分析

取唐钢板料与竞品料片进行基础力学性能分析，探究材料基础力学性能差异。

⑴化学成分。化学成分检测结果如表1 所示，结果显示：唐钢产品的C 含量较竞品略高，但Mn 含量略低。

⑵基础力学性能分析。基础力学性能测试结果如表2 所示，结果显示：唐钢产品的屈服强度较竞品高17MPa，其他力学性能指标相当。

⑶金相组织分析。

金相组织分析如表3 所示，结果显示：唐钢产品和竞品马氏体含量相当，二者马氏体含量均较高，这与其力学性能存在较好的对应关系，但唐钢产品的马氏体形状较为狭长，连续分布，主要集中于铁素体晶界处，将铁素体封闭于其中；竞品材料中的马氏体趋近于球团状，岛屿孤立分布且有往晶内生长的趋势。

⑷扩孔性能分析。扩孔率性能测试结果如表4 所示，结果显示：唐钢板料和竞品扩孔率基本一致，其极限扩孔率水平均不是很高。

结论

通过对唐钢产品和竞品进行材料检测分析得到：两种材料的化学成分、基础力学性能、金相组织均存在一定差异，但整体而言，差别不是很大，无法确定导致其开裂的关键因素。

问题件成形过程仿真分析

为探索影响该零件开裂的关键要素，采用模拟手段对其成形过程进行仿真分析，从而在短时间内摸索出影响该零件成形的主要因素。

零件数模

采用Handyscan 700TM 3D 激光扫描仪对左纵梁前段零件进行扫描得到其点云数据，并对点云数据进行坐标系调整、噪点删除等预处理，得到分布规则的点云数据，然后采用Catia 软件中逆向相关模块对曲线和曲面进行拟合重建等后处理，重要特征区域采用截面线拉深倒角等手段重建特征，经过曲面光顺、连续性检查等得到相对质量较高的曲面，最后运用Catia 中误差分析命令进行误差测量，保证最终得到拟合的零件数模与实际冲压零件误差控制在0.1mm以内，逆向的零件数模如图2 所示。

边界条件设定

为保证模拟结果可靠，采用与现场情况相同的单动倒装的压机安装模式，压边力设定为0.14MPa，摩擦系数根据经验设定为0.15，最大限度与生产现场情况吻合。

材料参数设定

用唐钢实际试模的板料检测的力学性能进行材料参数输入，硬化曲线选择Ludwik 模型，屈服面准则选用Hill 模型，成形性准则选用Arcelor V9 模型，为了充分考虑各材料参数对零件成形过程的影响，增加边缘开裂准则Max Edge Strain，各数值以检测的材料扩孔率值为基础进行转换得到，设定好的材料具体参数值如图3 所示。

成形过程仿真分析

采用上述的边界条件和材料参数，在成形仿真软件中对冲压过程进行仿真分析，结果如图4(a)、(b)所示。

备注：成形性模拟结果中红色表示开裂，黄色表示有严重减薄，有开裂风险。边裂判定准则中边裂值大于1 表示开裂(红色)，小于1 未开裂。

模拟结果显示：在成形性判定准则条件下，零件拐角翻边处出现严重减薄现象，但未开裂；在边裂判定准则下，零件拐角翻边处基本处于开裂状态，说明该零件冲压生产过程中边裂的判定准则要优于成形性判定准则，这与生产现场开裂情况也是匹配的。

关键材料参数优化探究

为探究材料力学性能对零件成形性的影响，设计如下单一变量试验方案进行模拟探究，因为软件计算的FLD 曲线是基于材料的基础力学性能得到的，设计试验方案时不再将其单独设计为变量，仅考虑材料屈服强度和扩孔率的影响，设计方案如表5 所示，模拟结果如表6 所示。

模拟结果显示：

⑴无论在哪种边界条件下，零件在成形性判定准则下均未出现开裂，唐钢试模料在边裂判定准则下的边裂值为1.103，在翻边过程中出现开裂。

⑵竞品材料参数在该边界条件下进行模拟，边裂值为0.841，在翻边过程中出现开裂的概率较低，与生产现场情况一致。

⑶参照竞品材料参数，降低材料的屈服强度进行模拟，边裂值降低为0.869，翻边开裂的概率较试模材料有所改善。

⑷参照以往生产的材料扩孔率对试模料的扩孔率值进行优化，边裂值降低为0.808，改善效果更为明显。

⑸降低材料的屈服强度，提高材料的扩孔率均可降低零件出现翻边开裂的风险，对比发现，零件边缘质量与材料扩孔率关系更密切。

现场验证

通过前期模拟分析，发现降低材料的屈服强度、提高扩孔率均对翻边开裂现象有所改善，所以在前期材料力学性能基础上对其进行优化，然后再尝试冲压生产，优化后材料力学性能如表7 所示，材料优化后冲压得到的零件及边缘质量如图5 所示。

在模具状态基本一致的情况下，优化后唐钢材料冲制的零件边缘状态明显改善，未出现贯穿裂纹，优于竞品厂家材料冲制的零件边缘状态。

结论

⑴对于HC340/590DP 而言，降低材料的屈服强度，提高扩孔率可减少零件出现翻边开裂的概率，本质上是通过工艺优化，提高材料组织均匀性，达到改善翻边开裂的效果。

⑵采用模拟仿真手段可为材料优化改进提供参考建议，可极大缩短材料研发试制周期，并节省试制成本。