王德倫，王奮飛

(重慶理工大學(xué) 重慶汽車學(xué)院，重慶 400050)

在汽車覆蓋件沖壓成形過程中，其模具系統(tǒng)和沖壓工藝參數(shù)對覆蓋件的可成形程度和成形質(zhì)量具有決定性的影響［1］。沖壓工藝參數(shù)對汽車覆蓋件成形質(zhì)量的影響存在很多非線性時變和不確定因素，是成形過程工藝優(yōu)化的難點之一［2］。人們對此已展開了大量研究，目的在與指導(dǎo)模具設(shè)計與制造和沖壓工藝設(shè)置。板料CAE 近年來在仿真精度上，以及模擬運算速度上都有較大的提高，使得仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確、可靠，但是數(shù)值模擬的結(jié)果無法給出各因素變量與評價成形質(zhì)量的目標(biāo)之間具體的關(guān)系模型，因此我們必須建立多因素變量與成形結(jié)果目標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型，從而能夠?qū)Τ尚钨|(zhì)量進行多方面綜合控制研究［3，4］。目前，常采用優(yōu)化設(shè)計方法，該方法研究的參數(shù)具有均勻性和整齊性、試驗具有目的性。其中文獻［3］在正交試驗的基礎(chǔ)上，建立均勻試驗設(shè)計，讓試驗點充分均勻分散，這樣每個試驗點就更具有代表性，同時試驗點數(shù)目減少。文獻［4］利用響應(yīng)面法，在多維設(shè)計空間中對目標(biāo)函數(shù)(成形厚度、回彈量等)與多因素變量(沖壓工藝參數(shù))之間進行構(gòu)造近似的顯式函數(shù)關(guān)系，并通過對顯式函數(shù)進行迭代尋優(yōu)，最終獲得較好的全局最優(yōu)解。本文以某車型的翼子板為例，采用DYNAFORM 軟件數(shù)值模擬結(jié)合正交試驗進行優(yōu)化研究，以提高復(fù)雜拉深件工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的效率，減少試模時間，降低生產(chǎn)成本。這一方法適用于很多大型覆蓋件的成形優(yōu)化。

1 數(shù)值模擬及沖壓工藝設(shè)計

1.1 模面設(shè)計

模面設(shè)計，即根據(jù)沖壓件零件設(shè)計出模具型面，模面設(shè)計對拉深工藝有直接影響，決定了沖壓件的成形性、表面質(zhì)量和尺寸精度。在設(shè)計模面之前，展開翻邊、進行內(nèi)外工藝面的補充。模面設(shè)計通常是以零件的CAD 模型為基礎(chǔ)，并添加工藝補充面和壓料面一起導(dǎo)入CAE 軟件中分析。本文則選擇直接將CAD 模型導(dǎo)入CAE 軟件中，進行壓料面和工藝補充面的設(shè)計，大大提高了模面設(shè)計的效率。此外，在覆蓋件的外形輪廓有急劇變化和較高的鼓包的地方成形易開裂，所以在設(shè)計型面時，應(yīng)根據(jù)實際情況加大這些地方的過渡區(qū)域和過渡圓角，同時用DFE 模塊中的光順命令進行零件外輪廓光順處理。模面設(shè)計一般流程:零件輸入、零件準(zhǔn)備(翻邊、補孔、倒圓角等)、確定沖壓方向、生成壓料面、生成工藝補充、校核、顯示完整的模面。

某車型前翼子板的計算機輔助設(shè)計數(shù)模如圖1 所示。首先利用TOOL MESH 命令對數(shù)模劃分網(wǎng)格。

調(diào)整沖壓方向，應(yīng)考慮以下原則:保證凸模能將制件上需要拉深的地方一次拉深成形;拉深深度均勻;考慮后續(xù)修邊、沖孔等工序?qū)_壓方向的要求。

圖1 前翼子板數(shù)模

壓料面是凹模面上基本和壓邊圈重合的那部分，設(shè)計壓料面應(yīng)遵循一下要求:壓料面形狀應(yīng)盡量平坦光順，以水平面最好;壓料面應(yīng)使成形深度小且各部分深度接近一致;當(dāng)覆蓋件的底部有反成形形狀時，壓料面應(yīng)高于反成形形狀的最高點。選擇DFE 模塊中的BINDER 命令，針對翼子板形狀和成形特點，采用錐形壓料面，確定壓料面尺寸，然后旋轉(zhuǎn)壓料面使其方向與翼子板零件的沖壓方向一致，壓料面創(chuàng)建完成。選擇DFE 模塊中的ADDENDUM，創(chuàng)建工藝補充面。至此，模面創(chuàng)建成功。模具型面如圖2 所示，利用軟件的毛坯尺寸分析功能設(shè)計零件毛坯。

合理的布置拉延筋使翼子板外輪廓上的直線部分與圓角曲線部分的進料阻力均勻［5，6］。在翼子板中，直線部分以及輪口處無切向應(yīng)力，進料阻力小，而圓角部分由于有切向壓力，拉延毛坯易變厚，因此進料阻力大，需在直線和輪口處的壓料面上分別設(shè)置拉延筋，使整個拉延件的進料阻力盡量均勻一致。拉延筋均采用半圓形等效拉延筋模型，拉延筋高度根據(jù)各部分拉深深度的不同合理布置，如圖3 所示。至此完成了翼子板拉延模型面的初始設(shè)計。

圖2 模具型面

圖3 拉延筋布置

1.2 有限元模型的建立

翼子板的模面在沖壓過程中是典型的大變形構(gòu)件，故模面必須采用精確的BT 網(wǎng)格單元，而且單元形狀盡量保證盡量采用四邊形單元。模面采用曲面網(wǎng)格工具進行網(wǎng)格自動劃分，坯料的三角形單元數(shù)目控制在5%以內(nèi)，其余95%以上的單元必須盡量為四邊形單元，同時，單元的尺寸也應(yīng)控制:網(wǎng)格尺寸在10 ～25 mm;單元內(nèi)角≥25℃;單元翹曲角≤5℃;單元尺寸應(yīng)盡量小;運用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)劃分好翼子板的有限元網(wǎng)格。根據(jù)上述劃分網(wǎng)格的原則，對模具和坯料網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分。凸模網(wǎng)格共11 865 個單元，其中四邊形單元11 802 個，三角形單元63 個;凹模網(wǎng)格共15 092 個單元，其中四邊形單元14 203 個，三角形單元889 個;壓邊圈網(wǎng)格共2 713 個，其中四邊形單元2 644 個，三角形單元69個。網(wǎng)格單元劃分好后，利用Preprocess/Model check 命令進行網(wǎng)格單元質(zhì)量檢查，步驟如下:

1)法向檢查。單元法線反向必須一致，可以利用自動翻轉(zhuǎn)法線命令修改［7］。

2)邊界線檢查。此功能用來檢驗顯示零件層的邊界線，檢查網(wǎng)絡(luò)上的間隙和孔洞等缺陷單元，高亮顯示邊界用來修復(fù)網(wǎng)格缺陷。

3)單元重疊檢查。若有重疊單元，則刪除重疊單元。

4)翹曲變形檢查。單元翹曲角一般不能大于5℃，未能通過檢驗的四邊形單元可以分割成兩個三角形單元。

板料的性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料性能參數(shù)

2 正交試驗方案設(shè)計

根據(jù)正交試驗設(shè)計理論，可以利用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)與正交性原理，從大量的試驗點中挑選適量的具有代表性的點，應(yīng)用正交表合理安排試驗［8］。正交試驗的設(shè)計方法具有兩個性質(zhì):水平均勻性，選擇的試驗的每個因子的水平出現(xiàn)次數(shù)相同，每個水平的因子不重復(fù)出現(xiàn)，它們能夠全面地反映試驗;如在本試驗中，因子沖壓速度所對應(yīng)的水平:2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s、5 000 mm/s 各出現(xiàn)4 次;搭配均勻性，任何兩個因子搭配都以相同的次數(shù)出現(xiàn)。如本文中沖壓速度2 000 mm/s、模具間隙1. 1 mm 以及沖壓速度3 000 mm/s、模具間隙0.20 mm 這兩種因子的搭配在正交表中都只出現(xiàn)了一次，所以，從各因子搭配上也能全面反映所有試驗。

根據(jù)實際情況，確定試驗因子:壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具間隙。

選取一張適當(dāng)?shù)恼槐恚岩蜃雍托枰疾斓慕换プ饔煤侠淼胤植荚谡槐砩稀?/p>

沖壓件破裂或者大面積起皺，就成為廢品，所以本試驗因子的水平選以沖壓件不發(fā)生開裂和大面積起皺為前提。以前翼子板為例，沖壓工藝參數(shù)一般包括壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具間隙等。在做前翼子板的初步模擬時，壓邊力以400 kN 為參考，選取水平300 kN、400 kN、500 kN 和600 kN。當(dāng)采用良好的潤滑油時，摩擦系數(shù)以0.15 為參考，故選水平為0.1、0.15、0.2 和0.25。沖壓速度如果選用實際值，需要很長的計算時間，采用有限元分析時，為提高計算效率，通常將板料的拉深的實際沖壓速度放大若干倍作為模擬實驗的沖壓速度，一般沖壓虛擬速度建議取1 000 ～5 000 mm/s［9］，故取水平為2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s 和5 000 mm/s。模具間隙取料厚的110%、112%、115% 和118%為水平。因此，這是一個四因素四水平的正交試驗設(shè)計，選取正交表。

3 模擬結(jié)果分析

正交試驗的考察指標(biāo)為翼子板坯料在成型過程中材料不發(fā)生塑性變形時的極性應(yīng)變值是否超出FLD 圖中的安全區(qū)域(即成形過程中是否發(fā)生破裂)，由翼子板局部最小厚度、最大厚度、是否起皺、拉深是否充分、有無破裂的地方來確定翼子板的最優(yōu)工藝參數(shù)。局部最小厚度指標(biāo)主要是用于評定拉深零件是否產(chǎn)生局部破裂。局部最大厚度指標(biāo)主要是平頂拉深件是否產(chǎn)生局部起皺。對于薄板成形，一般要求其減后率不超過30%，增厚率不超過6%，否則很有可能發(fā)生破裂或者起皺，所以要求翼子板最薄處應(yīng)該在0.80 mm以上。如果在數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)拉伸零件起皺，則要由其出現(xiàn)的位置來判別對產(chǎn)品影響的嚴(yán)重性;若起皺部位分布在法蘭邊或工藝補充面上，則可以在切邊工序中將法蘭邊和工藝補充面切掉，因此可以不考慮;若起皺部位分布在拉伸零件上，則應(yīng)調(diào)整拉伸筋的布置或者調(diào)整相應(yīng)的工藝參數(shù)。所以本文中的最小厚度指零件部分，法蘭部分不考慮(即局部最小厚度)。如表2 所示即為設(shè)計的正交表及其模擬結(jié)果。

對表2 的數(shù)據(jù)進行分析(如表3)。其中Ⅰ～Ⅳ分別表示各因素:壓邊力、摩擦系數(shù)、模具間隙、沖壓虛擬速度的水平對應(yīng)的試驗結(jié)果之和的平均值。極差是一組數(shù)據(jù)中最大值減去最小值，反映了一組數(shù)據(jù)的離散程度。

由表2 可以得出，各程序的沖壓件質(zhì)量滿足要求。其中圖4 是程序7 的厚度圖。

圖4 程序7 厚度圖

表3 結(jié)果分析

4 結(jié)論

由表3 的極差數(shù)據(jù)可知，各因素對沖壓件最小厚度的影響，按從大到小的順序排列為摩擦系數(shù)＞壓邊力＞沖壓虛擬速度＞模具間隙。

在程序1 -16 中，僅從最小厚度考慮，從表2 中選出一組最優(yōu)參數(shù):壓邊力=400 kN;摩擦系數(shù)=0.1;模具間隙=1.12 mm;沖壓虛擬速度=4 000 mm/s。

沖壓工藝參數(shù)中沖壓速度、摩擦系數(shù)、模具間隙和壓邊力對覆蓋件的成形質(zhì)量都有一定影響，但其中摩擦系數(shù)的影響最為突出;通過仿真模擬翼子板的拉深成形過程，能夠找出一組最佳組合的沖壓工藝參數(shù)，根據(jù)實際工程經(jīng)驗和本次正交試驗結(jié)果推薦摩擦系數(shù)設(shè)置值為0.1;推薦模具間隙設(shè)置值為坯料厚度的1.12 倍，這對于指導(dǎo)實際沖壓工藝參數(shù)的設(shè)置具有指導(dǎo)意義。

［1］ZHANG Z T，DUNCAN J L. Effect of tool profiles and process variables in stretching and drawing a circular cup［C］//SAE Transactions of Materials ＆ Manufacturing.Washington，D.C，USA:SAE，1993.

［2］LANF，CHEN J，LIN J，et al. Spring back simulation and analysis in U-typed sheet metal forming processes［J］.Journal of Plasticity Engineering，2004.

［3］安曉超. 汽車覆蓋件逆向重構(gòu)及拉延成形數(shù)值模擬［D］.江蘇大學(xué)，2008.

［4］楊小玲.車身覆蓋件成形數(shù)值模擬及工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.江西:南昌大學(xué)，2011.

［5］王寧，梅自元，周長國.基于正交試驗的車身覆蓋件沖壓成形回彈分析［J］.機械設(shè)計與制造，2008.

［6］劉瓊.汽車前翼子板的反向建模與拉深成形模擬［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［7］陳文亮.板料成形CAE 分析教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［8］Shanghai Science and Technology Exchange Center.Orthogonal experiment method［M］. Shanghai: shanghai People’s Press，1975.

［9］張雄飛.車身覆蓋件沖壓仿真分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2009.