鄭 莎，高玉成，奉 華，周鮮平

(1. 中聯(lián)重科股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000；2. 中聯(lián)重科股份有限公司工程起重機(jī)分公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

關(guān)鍵字： 翼子板；沖壓工藝；多元回歸；優(yōu)化

0 引言

沖壓工藝[1-3]包括沖裁、拉深等多種操作。板料成型工藝設(shè)計(jì)是否成功不僅取決于上述沖壓操作和材料自身?xiàng)l件，還取決于多個(gè)參數(shù)，如毛坯幾何形狀、工作材料、模具和壓力有關(guān)的參數(shù)等，及其相互之間的作用。

汽車覆蓋件[4]是汽車的重要零件，大部分采用板料沖壓成型，具有形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。翼子板是安裝在車身左右兩側(cè)用來覆蓋車輪的覆蓋板。由于翼子板[5-6]對(duì)外觀質(zhì)量影響較大，其成型質(zhì)量相對(duì)較高。由于其拉深深度大、形狀復(fù)雜等形狀特點(diǎn)，成型相對(duì)困難。在拉深成型過程中，經(jīng)常出現(xiàn)起皺、拉深斷裂、回彈等成型缺陷。

為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)翼子板的沖壓工藝進(jìn)行了研究，并取得了豐富成果。陳世濤[7]等設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)四序化生產(chǎn)的汽車翼子板沖壓工藝方案及其翻邊整形模，通過實(shí)驗(yàn)分析，該沖壓工藝方案可有效降低沖壓工序數(shù)，減少模具工裝開發(fā)成本及后期生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。馬國(guó)英等[8]以汽車翼子板為研究對(duì)象，采用有限元分析軟件DynaForm對(duì)其拉深成型過程進(jìn)行了模擬，并利用正交試驗(yàn)對(duì)沖壓過程參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，該方法成型件質(zhì)量較好。蒙以嫦[9]在分析翼子板結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，將Autoform軟件模擬與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)造成翼子板成型過程中出現(xiàn)的開裂、沖擊線、回彈等成型缺陷的原因進(jìn)行了分析，并提出了有效的改進(jìn)方案。陸林等[10]將正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法、灰色關(guān)聯(lián)分析法與沖壓數(shù)值仿真相結(jié)合，針對(duì)拉延工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，借助板料成型仿真軟件Pam Stamp對(duì)某汽車翼子板拉延過程數(shù)值仿真，通過實(shí)驗(yàn)及分析，為該汽車覆蓋件成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)提供了一定理論依據(jù)。上述方法在對(duì)翼子板沖壓工藝進(jìn)行優(yōu)化時(shí)大多采用定性分析；即使是定量分析方法，選取的影響因素及目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)也較少。

為改善上述問題，本文作者研究了翼子板的工藝參數(shù)模型，并利用有限元分析軟件DynaForm對(duì)翼子板進(jìn)行了仿真。進(jìn)一步，利用多元回歸方法優(yōu)化翼子板的成型參數(shù)。

1 沖壓工藝過程及其分析

1.1 翼子板沖壓過程

汽車翼子板模型如圖1所示。零件的沖壓方向是翼子板表面的垂直方向。沖壓時(shí)，上模沿垂直方向向下沖壓。

圖1 翼子板模型及沖壓方向

翼子板沖模是一種反裝式單動(dòng)沖模。同時(shí)，安裝在沖頭上的氮?dú)怃撈靠梢蕴峁┫鄬?duì)平滑和足夠的壓邊力，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。采用價(jià)格相對(duì)低廉的HT300作為沖模和凹模的主要材料。根據(jù)翼子板結(jié)構(gòu)和沖頭強(qiáng)度的要求，將壓邊器的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)導(dǎo)向件。模具設(shè)計(jì)要求： 沖模與凹模壓合時(shí)，墊塊上方的夾持環(huán)和下方的下模座上應(yīng)設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，以防損壞模具。當(dāng)黏合劑表面沒有產(chǎn)品時(shí)，沖頭和凹模之間應(yīng)設(shè)置2 mm的間隙。

1.2 翼子板拉深成型過程仿真

利用有限元分析軟件DynaForm中的毛坯尺寸毛坯設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行毛坯設(shè)計(jì)。將IGES三維模型導(dǎo)入DynaForm進(jìn)行網(wǎng)格劃分。從零件模具中計(jì)算出坯料的形狀和尺寸，然后通過模擬得到坯料的適當(dāng)形狀。通過選擇合適的拉延筋結(jié)構(gòu)和排列方式，在上模壓制時(shí)，可以調(diào)整料片的流入阻力，改善應(yīng)力分布，使板材的整體物流速度趨于穩(wěn)定，從而提高板材的成型質(zhì)量。DYNA預(yù)處理粗略設(shè)定，坯料厚度設(shè)定為0.5 mm，與實(shí)際板材一致。網(wǎng)格參數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格參數(shù)

采用DynaForm軟件中的自動(dòng)設(shè)定模塊。選擇“翻轉(zhuǎn)復(fù)合模具”創(chuàng)建沖頭、壓邊圈和其他工具，并生成毛坯網(wǎng)格。選擇物料數(shù)據(jù)庫中的DC04。根據(jù)各向異性板料彈塑性模型，定義了凸模、凹模、壓邊圈等模具。設(shè)定初始?jí)哼吜?00 kN，模具間隙0.9 T，摩擦系數(shù)0.11，模具半徑6 mm，開始求解。最后完成的汽車翼子板拉深成型有限元仿真模型如圖2所示。

圖2 有限元仿真模型

2 沖壓成型分析

2.1 多元回歸參數(shù)分析

本試驗(yàn)選取壓邊力、模具間隙、摩擦系數(shù)、模具半徑、料片尺寸5個(gè)因素作為影響因素。為了解加工參數(shù)的有效性，并調(diào)查和確定操作參數(shù)與薄板減薄之間關(guān)系的定量基礎(chǔ)，本研究采用使用后向消除法的多元回歸分析。

多元回歸分析也是所有統(tǒng)計(jì)方法中最有效、最有力的假設(shè)檢驗(yàn)技術(shù)之一。這種方法提供了調(diào)查一些預(yù)測(cè)變量與響應(yīng)變量之間關(guān)系的相對(duì)重要性的優(yōu)勢(shì)。在MRA(向后消元法、正向選擇法和逐步回歸法)中可以采用多種方法來選擇有效變量的最佳子集。在各種方法中，當(dāng)多個(gè)預(yù)測(cè)變量參與優(yōu)化時(shí)，采用逐步向后消元法對(duì)于這種明顯不一致的情況是一種穩(wěn)健的選擇。為了尋找最優(yōu)的參數(shù)水平，采用后向消去法建立了二階多項(xiàng)式回歸模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了擬合。

首先，二階多項(xiàng)式回歸模型[11-12]可描述為：

Y=β0+β1A+β2B+β3C+β4D+β5G+β6B2+β7C2+β8G2+β9CG

(1)

其中，A，B，C，D，G分別為壓邊力、模具間隙、摩擦系數(shù)、模具半徑、料片尺寸5個(gè)影響因素。β0～β9為固定參數(shù)，可通過最小二乘解求解，其取值如表2所示。

表2 固定參數(shù)估計(jì)值

根據(jù)式(1)，參數(shù)A，B，C，D，G，B2，C2，G2，CG對(duì)減薄模型都有一定影響。各因素方差分析結(jié)果如表3所示，由表3可知： 參數(shù)A的影響最大，為24.23%，而參數(shù)B的影響最小，為0.04%。表4列出了反向消除結(jié)果。t檢驗(yàn)表明預(yù)測(cè)值的顯著性更高。由于與A，B，C，D，G，B2，C2，G2，CG項(xiàng)的p值越低表明影響因素越不重要，因此可以認(rèn)為A，B，C，D項(xiàng)對(duì)減薄有影響，且因子A有顯著性影響。

表3 各因素方差分析結(jié)果

表4 后消法選擇預(yù)測(cè)因子結(jié)果的回歸分析

2.2 參數(shù)優(yōu)化

本節(jié)將對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而確定最佳參數(shù)組合值，首先對(duì)最大減薄率和最大增厚率進(jìn)行理論分析。

令最大增厚率指標(biāo)的低值期望為Yi，信噪比為η1，則有，

(2)

同理，令最大減薄率指標(biāo)的低值期望為Yj，信噪比為η2，則有，

(3)

綜合最大增厚率和最大減薄率對(duì)翼子板成型質(zhì)量的影響程度，則最終信噪比η的計(jì)算公式為，

η=w1η1+w2η2

(4)

其中，w1和w2為最大增厚率和最大減薄率的權(quán)重，且有w1+w2=1。

圖3為不同因素取值下16次試驗(yàn)信噪比η1，η2，η的變化曲線。由于因素B，C和D對(duì)質(zhì)量波動(dòng)特性的影響很小，只需調(diào)整參數(shù)B，C和D即可使最大減薄率最小化(w1=1，w2=0)。故最佳工藝參數(shù)組合為： 壓邊力120 kN，模具間隙1.0 t(t為材料厚度)，摩擦系數(shù)0.11，模具半徑6 mm。

圖3 多次試驗(yàn)信噪比曲線

圖4(a)和4(b)為在DYNAFORM中采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行仿真成型的極限仿真圖?？梢钥闯?，翼子板面應(yīng)力分布均勻，最大減薄率和最大增厚率適中，無起皺和開裂現(xiàn)象。

(a) 減薄率仿真結(jié)果

3 性能測(cè)試

圖5為根據(jù)仿真所得翼子板沖壓優(yōu)化參數(shù)加工生產(chǎn)的產(chǎn)品圖，可以看出翼子板外觀無開裂、起皺現(xiàn)象。

圖5 加工產(chǎn)品圖

接下來，對(duì)翼子板進(jìn)行成型余量分析。首先，將翼子板進(jìn)行數(shù)字化處理并導(dǎo)入ARGUS軟件進(jìn)行分析。其次，選取16個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行金屬變化率分析，如圖6所示。再次，獲取翼子板成型裕度圖，如圖7所示。綜合圖6和圖7，可以看出在主應(yīng)變和次應(yīng)變的共同作用下，翼子板16個(gè)采樣點(diǎn)均在FLC失效線以下，故翼子板的整體造型余量在安全范圍內(nèi)。性能測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提方案的有效性。

圖6 金屬變化率取值

圖7 翼子板成型裕度圖

4 結(jié)論

本文對(duì)翼子板沖壓過程進(jìn)行了研究與分析，并提出利用多元回歸參數(shù)分析模型對(duì)沖壓過程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

由于時(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件有限，本文在進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)僅進(jìn)行了金屬余量分析。未來可對(duì)金屬材料進(jìn)行振動(dòng)實(shí)驗(yàn)及分析，記錄材料產(chǎn)生的變形與所受載荷等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升金屬性能。