何應威，朱興元

（武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070）

汽車左右后輪罩里板沖壓工藝優(yōu)化

何應威，朱興元

（武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070）

以某車型左右后輪罩里板為研究對象，利用AutoForm軟件建立有限元模型。首先確定板料形狀，運用正交試驗方法研究壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力對零件成形結果的影響，由正交試驗的結果，得出了各因素對左右后輪罩里板成形結果影響大小依次為：壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力；最優(yōu)參數(shù)組合為：壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15，拉延阻力45N/mm。

沖壓成形；仿真；正交試驗；優(yōu)化；汽車輪罩內(nèi)板

汽車覆蓋件作為車身重要組成部分，在新車型開發(fā)中占有重要地位。由于大多數(shù)覆蓋件尺寸大、材料薄、曲面復雜，導致覆蓋件從造型到成功投產(chǎn)中會遇到很多困難[1-3]。覆蓋件的開發(fā)是通過CAE仿真模擬覆蓋件沖壓成形過程，針對成形過程中出現(xiàn)的拉裂、起皺等缺陷問題，優(yōu)化模具結構，通過再模擬再更改的方法，使模具結構在生產(chǎn)前實現(xiàn)最優(yōu)，加快產(chǎn)品開發(fā)周期[4-5]。影響覆蓋件成形結果的因素很多，如何快速尋找最優(yōu)參數(shù)是研究的重點。本文針對汽車左右后輪罩里板的沖壓工藝，利用正交設計優(yōu)化數(shù)據(jù)，為汽車覆蓋件沖壓工藝優(yōu)化研究奠定基礎。

1 有限元模型建立

汽車左右后輪罩里板呈圓盆形，型面曲率較大，空間曲面結構比較復雜，拉延成形過程中各部分深度變化較大。由于左右兩部分基本對稱，將左右兩件合并在一起采用雙件成形，再經(jīng)過整形、修邊、沖孔、翻邊、沖側(cè)孔、剖切等工序，最后將左右兩輪罩剖開，既節(jié)省材料，又有利于拉伸成形，成形效果良好，最終獲得合格制件[6]。零件圖如圖1所示，零件長900mm，寬895mm，沖壓深度最大值180mm，選用沖壓材料DC05（特深沖用鋼）。

圖1 零件圖和有限元模型

2 零件成形問題的研究

影響覆蓋件成形性能的因素很多，要消除成形過程中出現(xiàn)的缺陷可以通過以下手段：（1）材料方面，根據(jù)成形缺陷重新選擇毛坯材料來改變零件的成形性；（2）幾何方面，調(diào)整模具幾何參數(shù)，如改變模具間隙或模具圓角半徑等；（3）工藝方面，改變坯料形狀，調(diào)整壓邊力，調(diào)節(jié)拉深筋形狀參數(shù)或改變摩擦等[7]。

2.1 板料形狀確定

根據(jù)零件形狀初步選擇1060mm×1065mm× 0.8mm的矩形板料，在矩形板料的基礎上根據(jù)零件形狀又設計出2號和3號兩種板料，板料形狀及其成形模擬結果如圖2所示。

由圖可知，1號板料為方形，在沖壓成形過程中四周板料會向中間移動，但是由于板料為方形，四個角落存在多余板料，這些多余板料會限制周圍的板料向凹?？诹鲃?，隨著拉延的繼續(xù)，由于材料流動不充分，輪罩底部材料出現(xiàn)嚴重塑性變形，超過材料變形極限，出現(xiàn)破裂缺陷。2號板料是在1號板料的基礎上切除4個邊角，多余板料切除后成形結果有明顯好轉(zhuǎn)，但仍然存在拉裂區(qū)域。3號板料在2號板料的基礎上進行修改，板料形狀更接近于零件形狀，消除了拉裂缺陷。但由于沒有設置拉延筋，零件邊緣存在大量起皺。從成形結果和節(jié)約材料兩方面考慮選擇3號板料。

圖2 板料形狀及成形模擬圖

2.1 壓邊力對成形質(zhì)量的影響

壓邊力是影響工件成形的一個重要參數(shù)。由于壓邊力的存在，板料在模具和壓料板之間流動時會產(chǎn)生摩擦力。這些摩擦力會通過影響材料流動的速度和方向從而實現(xiàn)對材料流動的控制。壓邊力過小，無法有效控制材料的流動，從而導致工件起皺；壓邊力過大，又容易導致工件被拉裂。針對初步模擬的壓邊力為基礎進行調(diào)整，分別設定壓邊力為600kN、700kN、800kN、9000kN、1000kN五種工藝水平進行模擬。各水平下左右后輪罩里板拉延成形后的板料的最大增厚率和最大減薄率如表1所示。

表1 不同壓邊力下零件最大減薄率與最大增厚率

由表1可以看出，左右后輪罩里板成形時壓邊力應控制在600kN～800kN之間，在此區(qū)間板料成形過程中不會產(chǎn)生缺陷。但僅依靠壓邊力的大小來改善拉延成形質(zhì)量并不能得到非常理想的效果。

2.2 摩擦系數(shù)對成形質(zhì)量的影響

摩擦系數(shù)是影響板料成形結果的又一重要參數(shù)。板料和模具相互接觸，當板料在沖壓過程中流動時會與模具之間發(fā)生相對滑動，由于壓邊力的作用，在接觸表面必然會產(chǎn)生摩擦，影響板料的流動。摩擦系數(shù)過大還會導致加工過程中模具表面溫度升高加快，降低凸凹模的使用壽命；摩擦系數(shù)過小引起進料速度過快，易產(chǎn)生有起皺等缺陷的工件。將摩擦系數(shù)大小分別設置為0.13、0.15、0.17、0.19、0.21來觀察摩擦系數(shù)對左右后輪罩里板成形結果的影響。其成形模擬結果如表2所示。

表2 不同摩擦系數(shù)下零件最大減薄率與最大增厚率

由表2結果可知，在板料成形時為了材料較好地流動，又不引起起皺等缺陷，左右后輪罩里板成形時摩擦系數(shù)應控制在0.15～0.19之間。

2.2 拉延筋對成形質(zhì)量的影響

拉延成形過程中，單一依靠壓邊力提供的阻力，模具和材料間的摩擦力很多時候還不夠，而板料成形時又需要一定大小沿周邊適當分布的拉力，這時就需要設置拉延筋。拉延筋的這一特點，使得它能在較大范圍內(nèi)控制板料的變形情況，從而避免起皺、破裂等多重沖壓缺陷的產(chǎn)生[8]。這里通過五組不同的參數(shù)來考究拉延筋阻力對左右后輪罩里板成形結果的影響。模擬時保證材料的基本屬性參數(shù)不變，拉延筋阻力大小分別設置為0、45N/mm、95N/mm、145N/mm、195N/mm。其成形模擬結果如表3所示。

表3 不同拉延筋阻力下零件最大減薄率與最大增厚率

由表3結果可知，左右后輪罩里板成形時拉延筋阻力應該控制在45N/mm～145N/mm之間，在此區(qū)間板料成形情況最理想，不易產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷。

3 成形仿真優(yōu)化

通過單因素分析可知壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力是影響板料成形最大增厚率和最大減薄率的主要因素[9]。選擇壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力作為主要影響因素，將Z=X（最大增厚率）+Y（最大減薄率）作為綜合評價指標，最優(yōu)化的成形模擬結果為Z值最小。每個因素設計3個水平，選用L9（34）正交表，正交試驗安排見表4，試驗結果見表5。

表4 正交試驗因素水平

表5 正交試驗結果

圖3 成形極限圖

由極差R分析可知：RA＞RB＞RC，各因素對沖壓成形結果的影響程度大小為A＞B＞C，壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力。根據(jù)Z值最小，成形結果最優(yōu)，因此左右后輪罩里板成形結果最優(yōu)的各因素最佳組合為A2B1C1，即壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15，拉延筋阻力45N/mm。最優(yōu)組合參數(shù)下的左右后輪罩里板成形極限圖和厚度變化圖如圖3、圖4所示。

圖4 厚度變化圖

4 結論

（1）通過分析模擬實驗結果可知，壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力對汽車左右后輪罩里板的成形結果都有較大影響。對汽車左右后輪罩里板成形最為有利的各因素取值范圍分別為：壓邊力大小取值范圍為600kN～800kN，摩擦系數(shù)大小取值為0.15～0.19，拉延筋阻力大小取值為45N/mm～145N/mm。

（2）通過正交試驗挑選最優(yōu)參數(shù)組合，將最大增厚率與最大減薄率之和作為正交試驗的評價指標。由正交試驗結果，得出各因素對左右后輪罩里板成形結果影響大小依次為：壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力。最優(yōu)參數(shù)組合為：壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15、拉延阻力45N/mm。最優(yōu)結果的最大增厚率為8.1％，最大減薄率為20.8％。此時零件基本都處于安全部分，沒有拉裂區(qū)域，有極少部分拉裂傾向區(qū)域和起皺區(qū)域，但不影響零件使用。

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HE Yingwei,ZHU Xingyuan
（School of Materials Science＆amp;Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

Taking the inner plate of the rear wheel of for some model of automobile as the research object, the finite element model has been established by use of AutoForm software.The blank shape has been firstly determined.The application of blank holder force,friction coefficient,drawbead resistance to the forming results has been studied through orthogonal test.From the orthogonal test results,the influence order of each factors to forming result is as follows：the blank holder force＞friction coefficient＞drawbead restraining force.The optimum parameter combination is with 700kN blank holder force,0.15 friction coefficient, 45N/mm draw bead restraining force.

Stamping;Simulation;Orthogonal test;Optimization

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.026

1672-0121（2016）05-0089-03

2016-05-13；

2016-07-05

何應威（1991-），男，博士，從事金屬材料及成形技術研究。E-mail：497459864@qq.com