胡成武，吳國(guó)民，朱亨榮

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412008）

汽車制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板具有減緩應(yīng)力集中、減少振動(dòng)、提高強(qiáng)度等作用，還能降低制造成本[1]。但其形狀復(fù)雜，成形時(shí)易產(chǎn)生暗裂、起皺等缺陷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生拉裂及疊料[2-3]。

為避免上述缺陷，本文利用Autoform軟件對(duì)制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板的成形過(guò)程進(jìn)行模擬，采用正交試驗(yàn)法[4-5]，優(yōu)化摩擦系數(shù)、壓邊力、模具間隙和沖壓速度4個(gè)工藝參數(shù)[6]，并試模驗(yàn)證，降低產(chǎn)品的廢品率[7]。

1 成形工藝分析

制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板選用DC06冷軋鋼，毛坯尺寸610mm×450mm，厚度0.8mm。制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板數(shù)模如圖1所示。零件中部凸臺(tái)與左右兩處的平臺(tái)傾斜成20°角，右側(cè)有一處起伏較大的臺(tái)階，中前部為波浪狀，零件有17個(gè)焊接螺紋孔。制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板沖壓工序?yàn)槔畛尚巍鷽_孔→修邊。

由于制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板右側(cè)型面落差較大，中部平臺(tái)的拔模斜度太小，使得材料流動(dòng)阻力較大，成形時(shí)減薄嚴(yán)重。拉深成形是整個(gè)零件成形過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，也是容易出現(xiàn)拉裂或暗裂的環(huán)節(jié)，本文只對(duì)拉深成形工序進(jìn)行仿真模擬。

圖1 零件三維圖

2 成形預(yù)處理

2.1 導(dǎo)入零件片體

使用UG軟件對(duì)原始產(chǎn)品處理后以igs格式導(dǎo)出片體，將片體導(dǎo)入Autoform，對(duì)零件進(jìn)行三角形網(wǎng)格劃分，零件邊界到三角網(wǎng)格邊的高度和三角形最大邊長(zhǎng)可以手動(dòng)設(shè)置，高度和邊長(zhǎng)越小，網(wǎng)格越細(xì)密，計(jì)算越準(zhǔn)確，計(jì)算時(shí)間也越長(zhǎng)；高度和邊長(zhǎng)越大，網(wǎng)格越粗大，計(jì)算時(shí)間也就減小，通常采取軟件默認(rèn)值0.1mm高和50mm邊長(zhǎng)即可。

2.2 生成數(shù)模

模面和其他工具的生成有兩種方式，第一種是在Autoform軟件中設(shè)置所需模型；第二種是在三維軟件中做好凹模、凸模、壓邊圈和板料，然后導(dǎo)入Autoform軟件。第二種方式需要三維繪圖軟件與Autoform軟件的轉(zhuǎn)換接口，用以降低格式轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的部分質(zhì)量誤差。本文選擇第一種方式進(jìn)行模面設(shè)置：打開(kāi)Geometrygenerator對(duì)零件片體進(jìn)行設(shè)置，添加拉深工序，填充所有孔洞，進(jìn)行型面補(bǔ)充、工藝補(bǔ)充，幾何模面如圖2所示。

2.3 設(shè)置壓料面

壓料面需要設(shè)置為光滑平面，避免材料進(jìn)入凹模時(shí)可能產(chǎn)生的破裂。而且壓料面要與零件盡量保持一致的外形，制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板的外形起伏較大，設(shè)置壓料面時(shí)采用隨形壓料面，設(shè)計(jì)成右側(cè)較高左側(cè)略低的形狀，使整體成形高度大致一樣，如圖3所示。

圖3 壓料面示意圖

2.4 設(shè)置板料

出于節(jié)省材料等方面的考慮，選用的毛坯尺寸以零件尺寸為基準(zhǔn)向外擴(kuò)展25mm。打開(kāi)Blank generator利用導(dǎo)入片體時(shí)生成的分模線，對(duì)零件排樣，設(shè)置Expand為25，毛坯形狀如圖4中黑色邊框所示。

圖4 毛坯圖

2.5 確定工藝參數(shù)

打開(kāi)Process generator工序生成器界面，選擇單動(dòng)拉深，板料材質(zhì)設(shè)定DC06；在設(shè)置拉深筋界面，考慮到拉深筋會(huì)加大材料流動(dòng)阻力使材料變薄，增加零件右側(cè)臺(tái)階的拉裂風(fēng)險(xiǎn)，為使成形過(guò)程中材料流動(dòng)更流暢，制動(dòng)踏板安裝加強(qiáng)板的模具未設(shè)置拉深筋；為使拉深過(guò)程中的負(fù)角最小，沖壓方向可在Tip界面中設(shè)置為Minbackdraft，然后依次定義好壓邊圈、凸模、凹模以及板料的位置，最終如圖5所示。

圖5 模型位置圖

使用四因素三水平的正交試驗(yàn)表，選取模具間隙、摩擦系數(shù)、壓邊力、沖壓速度這4個(gè)工藝參數(shù)，進(jìn)行模擬試驗(yàn)，每組采用不同組合值進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)水平和因素如表1所示。

表1 試驗(yàn)水平和因素

3 模擬結(jié)果分析

正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果如表2所示。判斷依據(jù)是零件厚度的最大變薄率和最大增厚率，最優(yōu)的成形結(jié)果是這兩個(gè)數(shù)據(jù)保持在最低的水平。將綜合情況指標(biāo)設(shè)為Y，Y是最大增厚率和最大減薄率之和。K是各個(gè)水平的綜合指標(biāo)的平均值，并對(duì)平均值計(jì)算極差R。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，比較極差大小可知RD＞RB＞RC＞RA，故各因素的影響程度排序?yàn)镈>B>C>A。比較各組K值可知，A1是A因素的較好數(shù)值，同樣的比較K值可以確定B1、C2、D1是B、C、D三個(gè)因素的較好數(shù)值，最佳工藝組合為A1B1C2D1。綜合考慮，最佳的工藝參數(shù)為間隙0.84mm、摩擦系數(shù)0.1、壓邊力500kN、沖壓速度0.9m/s。使用這組工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，得到的成形極限圖和零件變薄圖如圖6、7所示。

由圖6、7可以看出零件的成形的質(zhì)量比較良好，1、2、3三處的區(qū)域的變薄情況雖然比較明顯，最大變薄率是1處約為13.9%，但是沒(méi)有超過(guò)15%，仍然在零件成形要求范圍內(nèi)。

表2 模擬結(jié)果與極差

圖6 成形極限圖

4 試模驗(yàn)證

采用模擬得到的最優(yōu)沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)與制造。模擬得到的拉延力為2510kN，選擇安全系數(shù)為1.6，壓邊力大小為500kN，所以拉深工序選擇500+1.6×2510=4516kN的機(jī)床，根據(jù)工廠里的機(jī)床參數(shù)，選擇500t的機(jī)床，模具閉合高度設(shè)置為795mm，試模后零件如圖8所示。

圖7 零件薄厚圖

圖8 試模生產(chǎn)樣件

試制100件產(chǎn)品，經(jīng)質(zhì)檢人員利用檢具檢驗(yàn)，零件合格率為94%，沒(méi)有由于開(kāi)裂暗裂導(dǎo)致的不合格產(chǎn)品，不合格件均是由于沖孔毛刺與孔偏引起，模擬得到的工藝參數(shù)消除了產(chǎn)品的暗裂開(kāi)裂影響。

5 結(jié)論

使用Autoform進(jìn)行拉深成形數(shù)值模擬，通過(guò)正交試驗(yàn)方法，獲得優(yōu)化的加強(qiáng)板成形工藝參數(shù)即模具間隙0.84mm、摩擦系數(shù)0.1、壓邊力500kN、沖壓速度0.9m/s，進(jìn)行試模，零件實(shí)物質(zhì)量與模擬結(jié)果相符，產(chǎn)品表面光潔無(wú)暗裂，成形質(zhì)量好。數(shù)值模擬方法縮短了開(kāi)發(fā)周期，減少試模次數(shù)，節(jié)約了材料。試制的產(chǎn)品也驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的可靠性。

[1]Advanced high strength steel （AHSS） application guidelines.INTERNATIONAL IRON&STEEL INSTITUTE Committee on Automotive Applications.2005.

[2]高沙沙，薄青紅，水志祥.基于Autoform的汽車覆蓋件拉延過(guò)程模擬[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015，（14）：20+22.

[3]劉鵬翔，程培元，胡一博.基于AutoForm的滑門內(nèi)板的拉延成形數(shù)值模擬研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2016，51（3）：82-85.

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[7]Experimental validation of numerical sensitivities in a deep drawing simulation[J].A.H.Boogaard，B.D.Carleer，E.H.Atzema，E.V.ter Wijlen.International Journal of Material Forming.2008，（1）.