么大鎖

(天津大學仁愛學院 機械工程系，天津 301636)

0 引 言

汽車覆蓋件成形過程是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，涉及板料在不同塑性成形工序中復雜的應力應變狀態(tài)下產(chǎn)生塑性流動和塑性變形，容易引起破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷問題[1]。因此，在汽車覆蓋件沖壓成形過程中，單憑經(jīng)驗往往很難對板料沖壓成形結(jié)果作出合理預測，進而加大了沖壓模具制造、調(diào)模及試模的難度和成本。

為了準確把握板料沖壓成形性能，在當前板料沖壓成形生產(chǎn)中利用先進的CAE技術進行汽車覆蓋件成形過程的數(shù)值模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，有效預防沖壓缺陷的產(chǎn)生，改進模具設計，優(yōu)化沖壓參數(shù)，從而大大縮短調(diào)模試模周期，降低模具制造成本。

大量學者在應用CAE技術對汽車覆蓋件進行沖壓過程模擬及沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化方面進行了研究。韓玉強[2-3]對轎車引擎蓋零件進行了沖壓成形過程的仿真，預測了板料成形過程中減薄、拉裂和起皺等缺陷，同時分析了缺陷產(chǎn)生的原因，證明了仿真設計方法具有實用性；胡志華[4]采用了輕量化鋁合金成形某車型引擎蓋外板，并進行了模擬及優(yōu)化，以成形極限圖、減薄率等為優(yōu)化目標，對相關工藝參數(shù)進行了調(diào)整，優(yōu)化了成形工藝參數(shù)與模面形狀，為鋁合金引擎蓋的生產(chǎn)提供了參考;田麗[5]對前罩外板的成形過程進行了數(shù)值模擬，預測了成形過程中板料的開裂、起皺等缺陷。

大量研究人員基于正交試驗方法對一些汽車覆蓋件沖壓成形工藝參數(shù)進行優(yōu)化，得出了最佳沖壓成形方案，并依據(jù)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)進行試模生產(chǎn)得到了滿足要求的覆蓋件[6-11]。以上文獻均通過有限元分析軟件對汽車覆蓋件進行了沖壓過程模擬，或通過正交試驗與多目標優(yōu)化的方法對沖壓成形工藝參數(shù)進行了優(yōu)化，并進行了試模生產(chǎn)，得到了滿足生產(chǎn)要求的沖壓件，驗證了數(shù)值模擬技術和正交試驗相結(jié)合方法的可靠性。各文獻中采用正交試驗法力求得最佳工藝參數(shù)因素水平組合，大多使用極差法，缺少方差分析、極差分析，不能估計試驗中以及試驗結(jié)果測定中必然存在的誤差大小，并且參考文獻中對試驗結(jié)果好壞的評價大多單純追求最大減薄率和最大增厚率最小值，而對拉延成形是否充分考慮較少。拉延成形是否充分影響覆蓋件的強度，是評價汽車覆蓋件成形質(zhì)量的重要指標。

針對上述問題，以汽車引擎蓋外板為例，本文運用Dynaform有限元分析軟件對引擎蓋外板拉延成形過程進行數(shù)值模擬；基于正交試驗法和極差分析，把最大減薄率作為優(yōu)化目標，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合；對試驗結(jié)果進行方差分析，得出影響最大減薄率的顯著因素；應用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進行模擬仿真，獲得良好的拉延成形效果；使用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進行試模，獲得滿足質(zhì)量評價標準的沖壓件，驗證正交試驗和有限元模擬分析的準確性。

1 沖壓成形工藝分析

研究對象為汽車引擎蓋外板，引擎蓋外板模型如圖1所示。

圖1 引擎蓋外板模型

該零件屬于汽車外觀件，具有尺寸大、造型復雜、表面質(zhì)量要求高等特點。根據(jù)汽車覆蓋件技術標準要求，零件成形后最大減薄率低于25%，最大增厚率低于5%，零件沒有起皺、破裂、拉延不充分等沖壓缺陷[12]。引擎蓋外板的沖壓成形工藝主要包括落料獲得板料毛坯、拉延獲得零件外形、切邊切除邊角余料、沖孔獲得安裝孔、零件翻邊等。拉延成形工序是確保汽車引擎蓋外板成形質(zhì)量最重要的工序。

該工件采用材料為冷軋鋼板DC04，厚度為0.8 mm。材料性能參數(shù)為：屈服強度204 MPa；抗拉強度357.8 MPa；硬化指數(shù)0.211；各項異性系數(shù)1.62；密度7.85 g/cm3；楊氏模量2.07×105MPa；泊松比0.3。

2 有限元分析模型建立

筆者將CATIA軟件中創(chuàng)建的汽車引擎蓋外板模型導入到Dynaform軟件中，選擇單元最大尺寸為15 mm進行網(wǎng)格劃分，確定沖壓方向，并進行沖壓負角檢查；通過模面工程模塊創(chuàng)建零件的工藝補充面和壓料面，生成零件的有限元模型，該模型將作為有限元分析過程中的凹模[13]；利用坯料工程模塊將凹模展開，可以得到所需要的坯料形狀；以工藝補充面的邊界裁剪壓料面得到壓邊圈模型，并在壓邊圈上設置等效拉延筋。

拉延成形有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

利用Dynaform軟件的快速設置功能，可以自動生成凸模、定義成形工具，設置沖壓參數(shù)。

3 工藝參數(shù)對拉延成形的影響

筆者選取拉延筋高度、摩擦系數(shù)、沖壓速度、壓邊力、凸凹模間隙等5個工藝參數(shù)作為變量，以得到成形較好的沖壓零件作為目標，采用單因素變量法來研究各工藝參數(shù)對拉延成形極限圖、最大減薄率和最大增厚率的影響，確定正交試驗取值范圍。最大減薄率超過25%則判定沖壓件破裂，最大增厚率超過5%則判定沖壓件起皺，沖壓件是否拉延充分則通過成形極限圖來判定。

3.1 壓邊力對拉延成形的影響

壓邊力(BHF)的主要作用是增大板料的徑向拉應力，從而減小板料的切向壓應力，降低板料失穩(wěn)起皺的趨勢。壓邊力過小，控制不了板料發(fā)生起皺的趨勢；壓邊力過大，增大了板料發(fā)生拉裂的趨勢。而且，較大的壓邊力還會加劇模具的磨損，影響模具壽命。因此，要合理選擇壓邊力，保證零件的質(zhì)量和尺寸精度。

壓邊力的確定一般依據(jù)經(jīng)驗公式：

F=qA

式中：F—壓邊力，N；A—壓邊圈下毛坯的投影面積，mm2；q—單位面積壓邊力，MPa。

用毛坯的面積減去工藝補充面邊界圍成的平面面積即為壓邊圈下毛坯的投影面積。筆者利用三維軟件測量壓邊圈下毛坯的投影面積，經(jīng)計算得到壓邊力為495 kN～742.5 kN。由于板料成形效果受多種因素的影響，實際需要的壓邊力一般比理論或經(jīng)驗公式計算值要大。試驗方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、摩擦系數(shù)0.13、沖壓速度5 000 mm/s、凸凹模間隙1.1t(t—板料厚度，下同)。

取不同的壓邊力進行模擬，壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響如表1所示。

表1 壓邊力對拉延成形的影響

由表1可知，隨壓邊力的增加最大減薄率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，壓邊力對最大減薄率的影響比較明顯；而最大增厚率則先增加后減小，并一直處于安全范圍之內(nèi)；壓邊力小于1 200 N會造成拉延不充分。

3.2 沖壓速度對拉延成形的影響

沖壓速度太快，容易導致板料塑性變形不均勻；反之，會造成沖壓生產(chǎn)效率降低[14]。為提高模擬計算速度，一般將實際沖壓速度放大，使用虛擬沖壓速度。

試驗方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、摩擦系數(shù)0.13、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t，取不同的沖壓速度進行模擬，沖壓速度對拉延成形的影響如表2所示。

表2 沖壓速度對拉延成形的影響

由表2可知，隨沖壓速度的增加最大減薄率呈現(xiàn)增加趨勢；最大增厚率先增加后減小，兩者一直處于安全范圍之內(nèi)；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

3.3 摩擦系數(shù)對拉延成形的影響

實際生產(chǎn)中摩擦條件可以通過涂抹潤滑油、拋光等方法人為改變，使之有利于成形。在數(shù)值模擬中，使用摩擦系數(shù)來表示摩擦條件。摩擦系數(shù)影響拉延筋阻力的大小。

試驗方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t，取不同的摩擦系數(shù)進行模擬計算，摩擦系數(shù)對拉延成形的影響如表3所示。

表3 摩擦系數(shù)對拉延成形的影響

由表3可知，隨摩擦系數(shù)的增加最大減薄率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；而最大增厚率則先增加后減小，并一直處于安全范圍之內(nèi)；摩擦系數(shù)小于0.11會造成拉延成形不充分。

3.4 凸凹模間隙對拉延成形的影響

試驗方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.13。

取不同的凸凹模間隙進行模擬，模具間隙對拉延成形的影響如表4所示。

表4 模具間隙對拉延成形的影響

由表4可知，隨模具間隙的增加，最大減薄率和最大增厚率變化范圍較小,模具間隙對拉延成形的影響不是很明顯；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

3.5 拉延筋高度對拉延成形的影響

調(diào)整拉延筋高度是拉延筋阻力調(diào)整時的首選方案。試驗方案為：半圓形拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t、摩擦系數(shù)0.13。

取不同的拉延筋高度進行模擬，拉延筋高度對拉延成形的影響如表5所示。

表5 拉延筋高度對拉延成形的影響

由表5可知，隨拉延筋高度的增加，最大減薄率和最大增厚率均有變化，但變化范圍較小。證明拉延筋高度對拉延成形的影響不是很明顯；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

4 拉延成形工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 正交試驗因素水平確定

通過單因素變量法對各個工藝參數(shù)對引擎蓋外板成形質(zhì)量影響的研究，發(fā)現(xiàn)引擎蓋外板沖壓成形缺陷主要集中在最大減薄率的增加，會發(fā)生拉裂的危險；而各工藝參數(shù)在取值范圍內(nèi)對最大增厚率的影響較小，并且最大增厚率一直在較小安全值范圍內(nèi)變化，并未超過技術標準所要求的5%。

工藝參數(shù)對最大減薄率的影響是多因素綜合作用的結(jié)果，單因素變量法存在局限性，無法找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。正交實驗法兼顧全面試驗和單因素法的優(yōu)點，利用根據(jù)數(shù)學原理制作好的正交表來安排試驗及分析試驗結(jié)果。正交試驗設計是安排多因素試驗、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗設計方法。既能使試驗點分布得很均勻，又能減少試驗次數(shù)，并得出最優(yōu)水平組合。

本次正交試驗以最大減薄率為優(yōu)化目標，根據(jù)單因素分析結(jié)果，舍棄造成拉延不充分的因素水平。所選因素水平為：壓邊力(1 300 kN，1 400 kN，1 500 kN，1 600 kN)；摩擦系數(shù)(0.12，0.13，0.14，0.15)；沖壓速度(2 000 mm/s，3 000 mm/s，4 000 mm/s，5 000 mm/s)；凸凹模間隙(1.05t，1.1t，1.15t，1.2t)；拉延筋高度(5 mm，6 mm，7 mm，8 mm)，每個因素為4個水平。

4.2 正交試驗結(jié)果

以最大減薄率為優(yōu)化目標，按照正交試驗標準，把對拉延成形影響較大的5個工藝參數(shù)作為正交實驗的5個因素，每個因素設置4個水平。

正交試驗表L16(45)及試驗結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗結(jié)果

4.3 極差分析

極差分析能夠直觀表示各因素對結(jié)果的影響程度，壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、拉延筋高度和模具間隙對最大減薄率的極差分析如表7所示。

表7 正交試驗結(jié)果的極差分析

Kij—i水平下j因素所對應的最大減薄率的平均值；Rj—各因素的極差

極差的大小表達了各因素對最大減薄率的影響力的大小。

由表7可知，正交試驗各因素對最大減薄率的影響主次順序為B>A>C>D>E。其中摩擦系數(shù)對最大減薄率的影響最大，拉延筋高度對最大減薄率的影響最小。得出的最優(yōu)工藝方案為A1B1C2D4E3。

4.4 方差分析

極差分析不能估計試驗中以及試驗結(jié)果測定必然存在的誤差大小。為了彌補這個缺點，可采用方差分析的方法。

方差分析法是將因素水平的變化所引起的試驗結(jié)果間的差異與誤差波動所引起的試驗結(jié)果間的差異區(qū)分開來的一種數(shù)學方法。

試驗結(jié)果方差分析如表8所示。

表8 方差分析

由表8可知，對最大減薄率影響的顯著因素是摩擦系數(shù)和壓邊力，沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度對最大減薄率的影響不顯著；正交試驗各因素對最大減薄率的影響主次順序為B>A>C>D>E，與極差分析結(jié)果一致，驗證了極差分析的準確性。

5 仿真結(jié)果與試模結(jié)果對比

5.1 模擬仿真結(jié)果

筆者應用Dynaform有限元分析軟件，按照最優(yōu)工藝方案為A1B1C2D4E3(壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.12、沖壓速度3 000 mm/s、凸凹模間隙1.2t、半圓形拉延筋高度7 mm)進行引擎蓋外板拉延成形的模擬仿真，仿真得到引擎蓋外板的成形極限圖如圖3所示。

圖3 成形極限圖

減薄率圖如圖4所示。

圖4 減薄率圖

模擬結(jié)果顯示，應用正交試驗法得到的最優(yōu)工藝參數(shù)進行模擬，引擎蓋外板成形效果良好，無拉延不充分、起皺和拉裂缺陷，最大減薄率為18.424%，最大增厚率為0.999%，符合汽車覆蓋件成形質(zhì)量評價標準。

5.2 仿真結(jié)果與試模結(jié)果對比

筆者應用正交試驗優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合，選用200 t壓力機進行拉延成形試模，得到引擎蓋外板拉延成形實物如圖5所示。

圖5 引擎蓋外板拉延成形實物

試模結(jié)果拉延成形效果較好，零件主體部分無破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷，工藝補充面部分有輕微起皺，后續(xù)工藝會切除，不影響零件使用。對試模得到的引擎蓋外板，在減薄率圖4所示最大減薄和最大增厚區(qū)域位置用線切割機床進行切割，并使用尖角千分尺測量引擎蓋外板最大減薄區(qū)域和最大增厚區(qū)域的厚度。通過測量及計算，產(chǎn)品最大減薄率為19.585%，最大增厚率為1.047%，成形質(zhì)量較好。

試驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比，最大減薄率誤差為6.3%，最大增厚率誤差為4.8%，誤差較小，驗證了正交試驗和有限元模擬分析的準確性。

6 結(jié)束語

(1)本文對汽車引擎蓋外板的拉延成形工藝進行了研究，基于Dynaform板料成形有限元分析軟件，建立了汽車引擎蓋外板拉延成形分析有限元模型；研究了壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度對引擎蓋外板拉延成形的影響規(guī)律。在取值范圍內(nèi)，壓邊力和摩擦系數(shù)對最大減薄率的影響最顯著，最大減薄率隨壓邊力和摩擦系數(shù)的增加而增大；工藝參數(shù)對最大增厚率的影響不是十分明顯，最大增厚率一直在可靠范圍內(nèi)；

(2)應用正交試驗法和極差法對影響引擎蓋外板拉延成形質(zhì)量的5個工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了各因素對優(yōu)化目標的影響主次順序為：摩擦系數(shù)、壓邊力、沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度。確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合為壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.12、沖壓速度3 000 mm/s、凸凹模間隙1.2t、半圓形拉延筋高度7 mm；對試驗結(jié)果進行方差分析，得出影響最大減薄率的顯著因素，與極差分析結(jié)果一致，驗證了極差分析的準確性；

(3)應用優(yōu)化得到的工藝參數(shù)進行拉延成形模擬，所得結(jié)果滿足汽車覆蓋件質(zhì)量標準，成形效果良好，沒有拉裂、起皺、拉延不充分等缺陷。

本文進行了試模試驗，試驗結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比，最大減薄和最大增厚的誤差均較小，驗證了正交試驗和有限元模擬分析的準確性。

研究結(jié)果表明，應用基于正交試驗法的數(shù)值模擬技術能夠提高引擎蓋外板成形質(zhì)量、減少試模次數(shù)、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本。