程小彪，武麗梅，楊志剛，李金燕

(長安福特汽車有限公司技術(shù)中心產(chǎn)品開發(fā)部，重慶 401122)

目前，主機(jī)廠對于鈑金零件材料的選取都有自己的一套規(guī)范。有些主機(jī)廠提供這些規(guī)范給合作的鋼廠，要求鋼廠按照規(guī)范來生產(chǎn)，有些主機(jī)廠則是根據(jù)自己的規(guī)范來選擇對應(yīng)的鋼廠材料。近年福特在全球已經(jīng)統(tǒng)一了材料規(guī)范，要求合作的鋼廠按照提供的規(guī)范來供貨。由于提供的材料規(guī)范是一個(gè)范圍區(qū)間，所以鋼材廠家供給的不同批次的材料都有一定差異，這樣就給生產(chǎn)帶來了很大的不穩(wěn)定性，增加了調(diào)模時(shí)間。本文主要以材料規(guī)范中的3個(gè)主要參數(shù):硬化指數(shù)n，抗拉強(qiáng)度σb，屈服強(qiáng)度σs以及板料的厚度t來分析對拉深成形質(zhì)量的影響，從而指導(dǎo)零件設(shè)計(jì)，使工程師能夠?yàn)榱慵x擇最優(yōu)的材料。

由于物理實(shí)驗(yàn)浪費(fèi)材料成本并且花費(fèi)的時(shí)間較長，本文利用有限元計(jì)算機(jī)模擬來分析材料參數(shù)對成形過程的影響，借助仿真軟件ETA/Dynaform中18號線彈性材料模型來模擬槽形件拉深成形，通過給定不同的硬化指數(shù)n、抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σs以及板料的厚度t值得到不同的成形結(jié)果，并結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化材料參數(shù)。

1 Dynaform中18號材料模型:冪函數(shù)塑性模型

用于金屬與塑性成形分析的與應(yīng)變率有關(guān)的塑性模型［1］。該模型提供各項(xiàng)同性硬化的彈塑性行為。并且它用一個(gè)包括Cowper-Symonds乘子的冪函數(shù)本構(gòu)關(guān)系來描述應(yīng)變率的影響:

式(1)中:ε為應(yīng)變率;C，P為Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù);εyp為彈性應(yīng)變;εp為有效塑形應(yīng)變;K為強(qiáng)度系數(shù);n為硬化指數(shù)，僅能在一個(gè)溫度下制定應(yīng)力應(yīng)變特性。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 槽形零件拉深模型

圖1是本文建立的槽形零件拉深的凸模、凹模、板料以及壓邊圈模型。

圖1 槽形零件拉深模型

2.2 板料參數(shù)

由于本文主要采用18號材料模型，因此提取硬化指數(shù)n、抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σs以及板料的厚度t等4個(gè)對18號材料模型影響較大的材料參數(shù)來研究對槽形零件拉深質(zhì)量的影響，其他一些的主要力學(xué)參數(shù):楊氏模207000 N/mm2，泊松比0.28，密度7.85E-6 N/mm3。18 號參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

圖2 18號材料參數(shù)設(shè)置

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

單動拉深，零件最大拉深高度為38 mm，虛擬沖壓速度為3000 mm/s，摩擦系數(shù)為 0.12。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

3.1 通過正交實(shí)驗(yàn)確定各個(gè)參數(shù)對成形質(zhì)量的影響

零件拉深高度，虛擬沖壓速度，摩擦系數(shù)以及其他力學(xué)參數(shù)都不變的前提下，為了確定硬化指數(shù)n，抗拉強(qiáng)度σb，屈服強(qiáng)度σs以及板料的厚度t對成形質(zhì)量的影響。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)正交實(shí)驗(yàn)方案［2］。實(shí)驗(yàn)因子與水平列于表1，實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)定量評價(jià)指標(biāo)為制件的最大減薄率［3］。對于每個(gè)零件都有最大減薄率的要求，最大減薄率超過要求零件就會開裂。因此，為了防止制件開裂和保證其工作強(qiáng)度，最大減薄率是越小越好［4-5］。

表1 實(shí)驗(yàn)因子與水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)值模擬結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

9個(gè)實(shí)驗(yàn)中最大減薄率超過19%的制件局部已經(jīng)開裂，如圖3與圖4所示。從表2極差分析可知，各實(shí)驗(yàn)因子對制件最大減薄率的影響大小依次為抗拉強(qiáng)度σb＞硬化指數(shù)n＞屈服強(qiáng)度σs〉制件厚度t。其中，抗拉強(qiáng)度σb對制件最大減薄率影響最為顯著。在抗拉強(qiáng)度σb的3個(gè)水平中，第三水平(σb=330 MPa)對應(yīng)的制件最大減薄率最小，因此，可取σb=330 MPa作為再次實(shí)驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度值，依次類推，得到新的材料參數(shù)組合為A3B2C3D3，即硬化指數(shù)n=0.20，厚度為t=1.2 mm，屈服強(qiáng)度 σs=240 MPa，抗拉強(qiáng)度 σb=350 MPa。

根據(jù)A3B2C3D3方案調(diào)整材料參數(shù)后再做模擬實(shí)驗(yàn)，其拉深結(jié)果如圖5與圖6所示。此時(shí)，制件的最大減薄率為16.530%，拉深結(jié)果較理想，沒有破裂現(xiàn)象出現(xiàn)。這說明通過正交實(shí)驗(yàn)的方法，重新選取的材料參數(shù)成形質(zhì)量較好，優(yōu)化模擬分析是可行的。

圖3 實(shí)驗(yàn)2成形結(jié)果

圖4 實(shí)驗(yàn)2成形極限圖

圖5 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成形結(jié)果

圖6 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成形極限圖

4 結(jié)論

1)硬化指數(shù)n、抗拉強(qiáng)度σb、屈服強(qiáng)度σs以及板料的厚度t對槽形件拉深成形質(zhì)量有著重要的影響。通過正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化材料參數(shù)，可以提高槽形件拉深成形質(zhì)量，并有效地防止了破裂的產(chǎn)生。

2)數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)虛擬沖壓速度取3000 mm/s，面摩擦系數(shù)取0.12時(shí)，確保槽形件拉深成功的優(yōu)化材料參數(shù)如下:硬化指數(shù) n=0.20，厚度 t=1.2 mm，屈服強(qiáng)度σs=240 MPa，抗拉強(qiáng)度 σb=350 MPa。

［1］LIVERMORE.Lsdyna 用戶手冊［Z］.北京：LIVERMORE軟件技術(shù)公司，2007.

［2］李金燕，傅建.基于數(shù)值模擬的等效拉延筋設(shè)計(jì)與優(yōu)化［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2007(5)：81-87.

［3］李金燕.B柱加強(qiáng)板拉深質(zhì)量研究［D］.成都：西華大學(xué)，2007.

［4］胡鐵敏，林忠欽，徐偉力，等.車聲覆蓋件沖壓成形動態(tài)仿真的研究進(jìn)展［J］.力學(xué)進(jìn)展，2000(5)：252-270.

［5］郝博，施華，何利.飛機(jī)鈑金檢驗(yàn)規(guī)劃及數(shù)模的檢驗(yàn)信息提?。跩］.四川兵工學(xué)報(bào)，2012(10)：110-112.