侯 勇， 林建平， 羅仁平， 鄒 洋

(1.同濟(jì)大學(xué) 上海市地面交通工具空氣動(dòng)力與熱環(huán)境模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；3. 上汽通用汽車(chē)有限公司，上海 201201)

面畸變是指車(chē)身外覆蓋件在沖壓成形中產(chǎn)生的局部小凹坑[1]，廣泛分布在車(chē)門(mén)、頂蓋、行李箱蓋等車(chē)身外覆蓋件的局部區(qū)域[2].面畸變部位的結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化會(huì)嚴(yán)重影響面畸變的程度[3]，但目前幾何尺寸因素對(duì)面畸變程度的影響研究較少，影響面畸變程度的幾何因素及其影響規(guī)律尚不明確；同時(shí)研究幾何尺寸因素對(duì)面畸變程度的影響規(guī)律，可以從零部件結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)上對(duì)面畸變進(jìn)行預(yù)防控制，避免后期生產(chǎn)階段模具修整和零件打磨等造成的大量人力、物力、財(cái)力的消耗，可很大程度上提高生產(chǎn)效率.

近年來(lái)對(duì)面畸變的研究主要集中于面畸變的分類(lèi)[1]、成因分析[2,4-7]、預(yù)測(cè)[8]、檢測(cè)評(píng)價(jià)方法[9-12]及控制方法研究[13-14].周馳等[4]通過(guò)有限元仿真分析了汽車(chē)門(mén)把手在成形中的應(yīng)力應(yīng)變的演變狀況，提出門(mén)把手部分出現(xiàn)畸變的原因和應(yīng)對(duì)措施.羅仁平等[5]借助CAE仿真軟件分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋舷窗區(qū)域在成形過(guò)程中的主次應(yīng)力的演變過(guò)程，分析出該類(lèi)局部畸變產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理，提出調(diào)整拉延筋阻力和施加局部強(qiáng)壓的工程解決辦法.有學(xué)者[6-7]利用方板對(duì)拉試驗(yàn)研究了薄板成形中的壓彎失穩(wěn)，從力學(xué)的角度對(duì)面畸變的形成和產(chǎn)生條件進(jìn)行了研究.孫振忠等[14]提出了拉深件面畸變的測(cè)量方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到了壓邊力、拉深筋、局部加壓、改變壓料面形狀等工藝措施對(duì)面畸變程度的影響規(guī)律，從而為面畸變的控制提供了基本依據(jù).任志國(guó)[15]通過(guò)對(duì)柱面扁殼進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：面畸變是在回彈過(guò)程中形成的，回彈后沿柱面方向存在較大的殘余壓應(yīng)力，殘余壓應(yīng)力導(dǎo)致了面畸變的產(chǎn)生.Park等[16]提出一種結(jié)合數(shù)值分析和可視化系統(tǒng)的面畸變分析評(píng)價(jià)方法，并利用沖壓試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證.蘇飛宇等[17]基于仿真研究了汽車(chē)天窗圓角處面畸變的影響因素，發(fā)現(xiàn)：翻邊工序?qū)μ齑皥A角面畸變影響最嚴(yán)重；增加天窗圓角尺寸，面畸變程度減輕；適當(dāng)增加靠模圓角半徑能減輕面畸變.可見(jiàn)近年來(lái)對(duì)面畸變?nèi)毕莸难芯恐饕性谠u(píng)價(jià)方法和形成機(jī)理方面，而零部件型面幾何尺寸因素對(duì)面畸變程度的影響研究較少，且只針對(duì)具體零部件，影響面畸變程度的幾何因素及其影響規(guī)律尚不明確，難以從零部件結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計(jì)上給工程實(shí)際中面畸變的控制提供參考.

本文采用試驗(yàn)分析和有限元仿真相結(jié)合的方法研究了幾何尺寸因素對(duì)外覆蓋件面畸變程度的影響，從零件幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)角度對(duì)面畸變的控制提供一定的參考.

1 面畸變?cè)囼?yàn)

現(xiàn)有的面畸變的研究多數(shù)是結(jié)合典型零部件，如門(mén)把手、發(fā)動(dòng)機(jī)蓋舷窗等，而要清楚地研究幾何尺寸對(duì)面畸變的影響，必須結(jié)合面畸變產(chǎn)生處的零件結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)面畸變的重現(xiàn)型面，使其影響規(guī)律具有通用性，能指導(dǎo)各種具有面畸變問(wèn)題的零部件的幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì).

1.1 面畸變沖壓試驗(yàn)

轎車(chē)前蓋舷窗周?chē)钱a(chǎn)生面畸變最嚴(yán)重的區(qū)域.因此，以前蓋舷窗為原型，提取其特征結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出用于面畸變重現(xiàn)的尖角形臺(tái)階面的型面基本特征如圖1所示，從而針對(duì)零件幾何尺寸對(duì)表面畸變程度的影響展開(kāi)深入研究.對(duì)型面結(jié)構(gòu)進(jìn)行可重復(fù)性及幾何特征互不干擾性驗(yàn)證，確定出型面結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示，模型主體為一平頂盒形件，沖深深度為30 mm，反向拉延特征為三角形，反向拉延深度最大為8 mm，其中用方框標(biāo)記的5個(gè)參數(shù)為面畸變的幾何尺寸影響因素：尖角處的角度大小α(°)，尖角處圓角半徑R(mm)，尖角臺(tái)階面深度D(mm)，尖角臺(tái)階處的上下圓角r1(mm)、r2(mm)，細(xì)節(jié)放大如圖3所示.如圖4為該零件的沖壓模具及沖壓完成的樣件，由實(shí)際沖壓完成的樣件可明顯觀察到三角形頂角區(qū)域產(chǎn)生的面畸變.

圖1 面畸變模具基本型面Fig.1 Shape of designed die used to reproducesurface deflection

a俯視圖b側(cè)視圖

圖2 尖角形臺(tái)階面畸變重現(xiàn)型面特征及其結(jié)構(gòu)幾何尺寸(單位：mm)Fig.2 Features and geometries of the box shaped partwith a triangular step surface (unit: mm)

圖3影響面畸變程度的5個(gè)幾何尺寸影響因素

Fig.3Fivegeometricalfactorsinfluencing

surfacedeflection

試驗(yàn)?zāi)＞咄ㄟ^(guò)更換凸凹模上尖角處鑲塊來(lái)改變尖角處圓角半徑R，通過(guò)調(diào)整墊片厚度來(lái)改變臺(tái)階面深度D，模具鑲塊及墊片如圖5所示.

試驗(yàn)所用板料是AA6016汽車(chē)用鋁合金板，尺寸為520 mm×520 mm×0.9 mm，材料參數(shù)如表1所示.沖壓時(shí)模具與板料之間涂抹潤(rùn)滑油，壓邊力為60 kN.

a 沖壓模具實(shí)物圖

b 沖壓完成的面畸變?cè)囼?yàn)樣件圖4 尖角形臺(tái)階面畸變沖壓模具及沖壓完成的樣件

Fig.4Toolsusedtoformtheboxshapedpartwithatriangularstepsurfaceandapartwithsurfacedeflectionafterstamping

圖5 改變R值和D值的模具鑲塊及墊片F(xiàn)ig.5 Die inserts and shims used to change R and D表1 試驗(yàn)材料AA6016力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties of AA6016used in this study

方向厚度/mm彈性模量/GPa屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa均勻延伸率/%斷裂延伸率/%0°0.87870140236182045°0.87871136229202490°0.877661332252024

1.2 面畸變檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法

面畸變的起伏高度較小，用肉眼無(wú)法實(shí)現(xiàn)其直接觀測(cè)與程度量化.要研究面畸變程度的幾何影響因素及規(guī)律，必須對(duì)面畸變進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)畸變程度進(jìn)行量化.現(xiàn)有的面畸變檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法如油石打磨、斑馬紋觀測(cè)、次應(yīng)力法等均存在一定的局限性.

a 處理流程

b 面畸變?nèi)S形貌、等高線(xiàn)及關(guān)鍵截面線(xiàn)提取截屏圖6 面畸變檢測(cè)與評(píng)價(jià)方法Fig.6 Detection and evaluation methods ofsurface deflection

2 面畸變有限元仿真

利用有限元仿真技術(shù)對(duì)外覆蓋件沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出面畸變的位置及大小.針對(duì)設(shè)計(jì)的尖角形臺(tái)階面畸變重現(xiàn)型面，利用AutoForm軟件[19]進(jìn)行沖壓過(guò)程有限元仿真分析.圖7為建立的有限元仿真模型，材料為汽車(chē)用鋁合金板AA6016，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示.

仿真模型設(shè)置模具(凸模、凹模、壓邊圈等)為剛體；板料為彈塑性材料，采用彈塑性殼單元，采用Hockett-Sherby模型描述材料的硬化行為，材料屈服行為滿(mǎn)足Hill48屈服準(zhǔn)則[20].面畸變的尺度小而且發(fā)生在零件的回彈過(guò)程中，因此通過(guò)細(xì)化單元網(wǎng)格的方法來(lái)提高仿真的精度：板料網(wǎng)格的初始大小為2 mm×2 mm，且隨著成形的進(jìn)行而自適應(yīng)細(xì)化，最大細(xì)化級(jí)別為8，網(wǎng)格最大單元角度為20°.摩擦系數(shù)設(shè)置為常數(shù)0.15.數(shù)值模擬分為成形和回彈兩部分.如圖8所示，從仿真結(jié)果回彈量云圖可以看出，該模型沖壓會(huì)產(chǎn)生位置固定的面畸變.

圖7 有限元仿真模型Fig.7 Finite element simulation models

圖8 仿真結(jié)果回彈量云圖Fig.8 Springback contour of formed surfacedeflection part in the simulations

3 仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 面畸變的幾何影響因素分析

研究幾何尺寸變化對(duì)面畸變程度的影響，首先確定對(duì)面畸變有影響的幾何特征尺寸.通過(guò)有限元仿真分析，發(fā)現(xiàn)影響尖角處面畸變程度的主要幾何尺寸有5個(gè)，即圖3中的α、R、D、r1及r2.

α、R、D的變化會(huì)影響沖壓“多余三角形”的形狀和大小，而尖角臺(tái)階處的r1及r2會(huì)影響板材在臺(tái)階處的流動(dòng)，這些變化會(huì)導(dǎo)致開(kāi)模前板料各處應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的分布不同，從而影響面畸變的程度.

3.2 幾何因素對(duì)面畸變的影響規(guī)律分析

采用控制變量法針對(duì)每個(gè)影響面畸變程度的特征結(jié)構(gòu)幾何尺寸參數(shù)，根據(jù)實(shí)際沖壓零件的規(guī)格，選擇不同的梯度值，設(shè)計(jì)一系列仿真試驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到影響規(guī)律.圖9是在α=60°、D=5mm、r1=3 mm、r2=3 mm的情況下進(jìn)行的試驗(yàn)與仿真，面畸變程度隨R的增大而減??；圖10是在α=60°、R=14 mm、r1=3 mm、r2=3 mm的情況下進(jìn)行的試驗(yàn)與仿真，面畸變程度隨D的增大而增大.對(duì)比試驗(yàn)與仿真方法得到的結(jié)果，仿真的平均誤差為8.4%，且仿真得到的影響規(guī)律與試驗(yàn)一致，說(shuō)明所建有限元仿真模型是準(zhǔn)確和有效的.

圖9 面畸變程度隨R變化的規(guī)律Fig.9 Influence of R on surface deflection

圖10 面畸變程度隨D變化的規(guī)律Fig.10 Influence of D on surface deflection

有限元仿真得到的面畸變程度隨α，r1，r2變化的規(guī)律如圖11至13所示.

圖11 α對(duì)面畸變程度的影響Fig.11 Influence of α on surface deflection

由圖11可知：當(dāng)α在40°～90°范圍內(nèi)時(shí)，鄰近尖角處的面畸變較大，通過(guò)面畸變中心的截面線(xiàn)的斜率在0.015以上，且最大可達(dá)到0.021.鄰近尖角處的面畸變程度隨α的增大先增大后減小，面畸變程度在α為70°左右時(shí)取得最大值.由圖12可知：當(dāng)r1在2.0～4.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)面畸變中心的截面線(xiàn)的斜率最小值為0.010，最大值為0.016，相對(duì)較小，隨著r1的增大，鄰近尖角處的面畸變程度先增大后減小并趨于平穩(wěn)，當(dāng)r1=2.5 mm時(shí)，畸變程度最大，為0.016.由圖13可知：當(dāng)r2在2.0～4.0 mm范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)面畸變中心的截面線(xiàn)的斜率最小值為0.011，最大值為0.019，相對(duì)較小，隨著r2的增大，鄰近尖角處的面畸變程度減小.

圖12 r1對(duì)面畸變程度的影響Fig.12 Influence of r1 on surface deflection

圖13 r2對(duì)面畸變程度的影響Fig.13 Influence of r2 on surface deflection

R、D、α、r1、r2對(duì)面畸變程度的影響規(guī)律可以指導(dǎo)零部件結(jié)構(gòu)幾何尺寸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以進(jìn)行面畸變的控制.

3.3 基于正交試驗(yàn)法的幾何因素影響程度分析

正交試驗(yàn)法是研究多因素、多水平的一種設(shè)計(jì)方法，采用“正交試驗(yàn)法”試驗(yàn)次數(shù)比較少，但同樣能夠明確回答因素的主次問(wèn)題，即所考察的幾個(gè)因素中哪些是影響目標(biāo)量的主要因素，哪些是比較次要的，哪些是影響很小的.利用“正交試驗(yàn)法”研究分析幾何尺寸對(duì)面畸變程度的影響時(shí)，因素個(gè)數(shù)取5，水平個(gè)數(shù)取4，將其列舉出來(lái)如表2所示.

幾何尺寸對(duì)面畸變程度的影響仿真試驗(yàn)是一個(gè)五因素四水平試驗(yàn)，選用L16(4^5)正交表，仿真試驗(yàn)方案及凹陷程度k結(jié)果如表3所示.

表2 因素水平Tab.2 List of geometrical factors and different levels

表3 正交仿真試驗(yàn)方案及凹陷程度結(jié)果Tab.3 Scheme of orthogonal test and results ofsurface deflection simulation

計(jì)算出每個(gè)因素影響的極差值如表4所示。

表4 各因素影響的極差值Tab.4 Extreme values of surface deflectioncaused by factors

每個(gè)因素的極差值大小反映了該因素選取的水平變動(dòng)對(duì)指標(biāo)影響的大小.根據(jù)各因素影響的極差值可知，第3列D對(duì)應(yīng)的值最大，第2列α對(duì)應(yīng)的值最小.表明當(dāng)因素D水平變動(dòng)時(shí)，面畸變的波動(dòng)最大，因素α的水平變動(dòng)時(shí)，面畸變波動(dòng)最小.可根據(jù)極差值的大小順序排出對(duì)面畸變程度影響的順序依次為(由大到小)：D、R、r2、r1、α.

4 結(jié)論

(1) 結(jié)合典型零部件的面畸變特征，設(shè)計(jì)了面畸變的型面模具，同時(shí)在有限元仿真和試驗(yàn)中觀察了畸變現(xiàn)象，為面畸變的影響規(guī)律研究和后續(xù)的形成機(jī)理研究提供參考.

(2) 結(jié)合DIC技術(shù)及MATLAB軟件形貌重構(gòu)算法對(duì)面畸變進(jìn)行檢測(cè)和量化評(píng)價(jià)，可同時(shí)滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)和有限元仿真的畸變?cè)u(píng)價(jià)需求.

(3) 面畸變程度主要與R、D、α、r1、r2有關(guān).面畸變隨零件幾何尺寸的變化規(guī)律為，面畸變的大小程度隨R的增大而減小，隨D的增大而增大，隨α的增大先增大后減小，隨r1的增大先增大后減小并趨于平穩(wěn)，隨r2的增大而減小.

(4)D和R是影響面畸變程度的2個(gè)最重要的幾何因素，工程實(shí)際中可優(yōu)先考慮對(duì)臺(tái)階面深度和尖角處圓角半徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)控制面畸變的產(chǎn)生.

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