蔣 磊,王 龍,呂中原,王大鵬,張淳波,沈軍奇
(東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心,湖北武漢 430056)
汽車覆蓋件的沖壓成形是一個(gè)包含幾何、材料非線性以及接觸、摩擦的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程[1~2],對(duì)于制件結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的汽車覆蓋件,影響其成形質(zhì)量的主要因素為工藝參數(shù)和材料性能[3~4]。合理取值的壓邊力(Blank Holder Force,BHF)、良好的潤(rùn)滑條件以及大小合適的材料厚向異性系數(shù)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度是決定汽車覆蓋件能否穩(wěn)定生產(chǎn)的先決條件[5]。翼子板作為車身上最重要的覆蓋件之一,具有形狀復(fù)雜、成形深度大、曲率起伏多變、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[6],對(duì)于沖壓工況和材料性能的要求較為苛刻。成形過(guò)程中工況條件的不穩(wěn)定和材料力學(xué)性能參數(shù)的波動(dòng)極易造成制件的開(kāi)裂和起皺。因此,運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)研究影響成形質(zhì)量的工藝、材料等方面的因素,對(duì)解決此類制件的成形缺陷有著重要的意義。
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型或者借助有限元分析軟件對(duì)汽車覆蓋件拉伸開(kāi)裂、起皺的影響因素進(jìn)行了諸多研究。郭強(qiáng)等基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解了高強(qiáng)鋼車身側(cè)圍板最優(yōu)工藝參數(shù)[7],獲得了減薄率小于30%的車身側(cè)圍板。Peng Wu等采用正交試驗(yàn)分析了壓邊力、模具間隙、摩擦系數(shù)以及凹模圓角對(duì)汽車翼子板拉伸成形的影響[8],優(yōu)先出最佳工藝參數(shù)組合,從而解決了翼子板開(kāi)裂和起皺問(wèn)題。韓龍帥等通過(guò)提高材料厚向異性系數(shù)和加工硬化指數(shù)[9],并將網(wǎng)格應(yīng)變?cè)囼?yàn)與有限元分析相結(jié)合,解決了汽車后門內(nèi)板拉伸開(kāi)裂問(wèn)題。周志偉等構(gòu)建了影響成形的工藝參數(shù)二階響應(yīng)面法(RSM)模型[10],運(yùn)用改良型遺傳算法(GA)進(jìn)行模型尋優(yōu),優(yōu)化了汽車后備箱蓋板工藝參數(shù),消除了后備箱蓋板開(kāi)裂和起皺缺陷。上述研究主要是對(duì)工藝參數(shù)或者材料參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立分析,而對(duì)于工藝、材料對(duì)汽車覆蓋件拉伸開(kāi)裂、起皺的綜合影響研究較少。
本文以某SUV車型翼子板為研究對(duì)象,綜合分析工藝參數(shù)與材料參數(shù)對(duì)其拉伸成形的影響,基于正交試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)快速定位影響翼子板拉伸開(kāi)裂、起皺的主要因素,并研究了各影響因素之間的相互作用,從而確定了翼子板拉伸成形工藝、材料參數(shù)的最優(yōu)組合,提高了翼子板拉伸成形的穩(wěn)定性。
翼子板制件三維幾何模型以及典型截面如圖1所示,制件輪廓尺寸為986×775×168mm,各部位成形深度大小不一,存在一定的差異。主棱線為小圓角設(shè)計(jì)風(fēng)格,腰線圓角半徑為R7mm,輪眉線圓角半徑為R5mm。制件外表面由多個(gè)不同曲率的凸、凹弧面銜接構(gòu)成。制件材料為JAC270D-45/45,料厚t=0.65mm,屬于一種深沖用雙面熱鍍鋅鐵合金板,合金鍍層重量為45g/m2,鍍層中鐵含量通常為8%~15%,其化學(xué)成分、力學(xué)性能與寶鋼DC54D+ZF材料相當(dāng)。JAC270D-45/45材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。
表1 材料力學(xué)性能參數(shù)
圖1 翼子板制件幾何模型
根據(jù)翼子板制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在CATIA軟件GSD(Generative Surface Design)模塊中進(jìn)行翼子板3D工藝模面設(shè)計(jì),得到如圖2所示的拉伸工藝模型。為了提高材料利用率,將A區(qū)域的制件面展開(kāi)作為壓料面的一部分,并采用了敞開(kāi)式八字形拉伸筋,以避開(kāi)修邊線。E區(qū)域外表面為小區(qū)率凹弧面,拉伸成形過(guò)程中受單向拉伸應(yīng)力的影響,極易產(chǎn)生面畸變,為了降低面畸變對(duì)外觀質(zhì)量的影響,該部位設(shè)計(jì)了隆起式余肉,以改善材料拉伸狀態(tài)。G區(qū)域的輪眉線圓角較小,存在滑移線風(fēng)險(xiǎn),因此該部位也設(shè)計(jì)了隆起式余肉,在拉伸成形初始階段,工藝補(bǔ)充面的凸模圓角先于棱線圓角接觸板料,從而防止滑移線的發(fā)生。
圖2 翼子板拉伸工藝模型
在CATIA軟件中將翼子板拉伸工藝模型以IGS格式導(dǎo)出,并導(dǎo)入至AutoForm R8軟件中,然后依次進(jìn)行沖壓方向設(shè)置、材料模型定義、工序規(guī)劃、板料設(shè)置、工具體模型設(shè)置以及工藝參數(shù)設(shè)置。其中凸模、壓邊圈、凹模均定義為剛性體模型,壓邊圈剛度設(shè)置為10MPa/mm,壓邊圈支撐類型選擇“Force Controlled”,拉伸行程設(shè)置為90mm。仿真所用的材料模型從寶鋼材料庫(kù)中選擇DC54D-ZF,板料為異型毛坯,需要使用專用落料模進(jìn)行剪切成形,板料形狀與尺寸如圖3所示。
圖3 翼子板板料尺寸模型
本文所研究的翼子板為單動(dòng)拉伸成形,即沖壓方向豎直向下,以凸模為加工基準(zhǔn),凹模由凸模偏置一個(gè)料厚(0.65mm)得到[11]。拉伸成形時(shí),凹模向下運(yùn)動(dòng),先與壓邊圈接觸并完成閉合,從而將板料壓緊,之后凹模、板料、壓邊圈作為一個(gè)整體,同步向下運(yùn)動(dòng)并逐步與凸模型面貼合,直至完成拉伸成形。由于AutoForm軟件的有限元網(wǎng)格為系統(tǒng)自動(dòng)生成,所劃分的網(wǎng)格大小、數(shù)量往往無(wú)法滿足精確仿真的需求。為了保證翼子板成形仿真的精度,需要對(duì)有限元參數(shù)進(jìn)行精細(xì)設(shè)置。其中,數(shù)??p合公差設(shè)置為0.5mm,網(wǎng)格精度公差設(shè)置為0.05mm,最大單元變成設(shè)置為10mm,最大半徑穿透設(shè)置為0.16mm,最大單元夾角設(shè)置為22.5°,最大分裂等級(jí)設(shè)置為5級(jí)分裂,板料單元尺寸設(shè)置為12mm,初始細(xì)分等級(jí)選擇“Equal to Master”,網(wǎng)格單元類型選擇“EPS-11”,圓角處單元切向分裂選擇“on”,結(jié)束時(shí)間步大小設(shè)置為0.4mm,結(jié)束時(shí)間步數(shù)設(shè)置為5次,最大迭代次數(shù)設(shè)置為60次[12]。有限元參數(shù)設(shè)置完成后,利用AutoForm軟件的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能生成自適應(yīng)網(wǎng)格,得到如圖4所示的翼子板拉伸成形有限元模型。
圖4 翼子拉伸成形有限元模型
為了獲得翼子板的最優(yōu)成形工藝與材料參數(shù),在單獨(dú)研究各個(gè)因素的基礎(chǔ)上,運(yùn)用正交試驗(yàn)實(shí)施工藝與材料參數(shù)優(yōu)化研究。翼子板的拉伸開(kāi)裂缺陷可以利用最大減薄率來(lái)評(píng)價(jià),起皺缺陷可以利用最大增厚率來(lái)評(píng)價(jià)。開(kāi)裂和起皺屬于多指標(biāo)問(wèn)題,因此,需要綜合考慮。本次試驗(yàn)以壓邊力BHF、摩擦系數(shù)μ、材料厚向異性系數(shù)r、材料屈服強(qiáng)度σs、材料抗拉強(qiáng)度Rm作為研究因素,每個(gè)因素設(shè)定4個(gè)水平,因此,采用了標(biāo)準(zhǔn)正交表L16(45)。因素水平表、正交試驗(yàn)方案與結(jié)果分別如表2、表3所示。將16組試驗(yàn)的工藝和材料參數(shù)在AutoForm軟件中分別進(jìn)行設(shè)置和仿真分析,得到了分析結(jié)果即表3中的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于選用軟鋼材料的汽車覆蓋件,當(dāng)減薄率大于25%時(shí)將會(huì)發(fā)生開(kāi)裂,當(dāng)增厚率大于10%時(shí)將會(huì)發(fā)生起皺。在本次試驗(yàn)中,若制件減薄率小于25%,增厚率小于10%,則可判定制件質(zhì)量合格。
表2 正交試驗(yàn)因素水平表
表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果
極差分析可以十分直觀地顯現(xiàn)正交試驗(yàn)中各變量因素對(duì)結(jié)果的影響程度,而方差分析法則可以對(duì)變量因素的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)翼子板拉伸成形正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析,得到最大減薄率的極差和方差分析結(jié)果分別如表4、表5所示,最大增厚率的極差和方差分析結(jié)果別如表6、表7所示。
表5 最大減薄率方差分析
表7 最大增厚率方差分析
由表4、表6可知,各因素對(duì)翼子板最大減薄率和最大增厚率影響的主次順序均為A(壓邊力)>D(材料屈服強(qiáng)度)>C(材料厚向異性系數(shù))>B(摩擦系數(shù))>E(材料抗拉強(qiáng)度)。說(shuō)明壓邊力是決定翼子板拉伸成形開(kāi)裂、起皺與否的首要影響因素,而材料抗拉強(qiáng)度對(duì)翼子板拉伸成形開(kāi)裂、起皺的影響不大。最優(yōu)成形工藝和材料參數(shù)組合為A3D1C4B2E4,即BHF=1,100kN、σs=150MPa、r=1.9、μ=0.14、Rm=300MPa。在實(shí)際沖壓生產(chǎn)過(guò)程中,壓邊力可以通過(guò)壓力機(jī)的液壓拉伸墊進(jìn)行線性調(diào)整,而摩擦系數(shù)則由板料清洗機(jī)的泵油量進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此,在選擇合適的壓邊力和摩擦系數(shù)之后,只需對(duì)材料的屈服強(qiáng)度和厚向異性系數(shù)進(jìn)行周期性監(jiān)控,嚴(yán)格控制其波動(dòng)范圍,即可保證制件的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。
表4 最大減薄率極差分析
表6 最大增厚率極差分析
從表5、表7可以看出,因素A對(duì)于最大減薄率和最大增厚率均有著最為顯著影響,而因素E對(duì)于最大減薄率和最大增厚率的影響均不顯著,即壓邊力對(duì)最大減薄率和最大增厚率的影響最大,材料抗拉強(qiáng)度對(duì)最大減薄率和最大增厚率的影響最小。根據(jù)偏回歸系數(shù)F可知5個(gè)因素對(duì)最大減薄率和最大增厚率的影響主次順序均為A(壓邊力)>D(材料屈服強(qiáng)度)>C(材料厚向異性系數(shù))>B(摩擦系數(shù))>E(材料抗拉強(qiáng)度),與極差分析結(jié)果完全吻合,證明極差分析準(zhǔn)確可信。
根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果極差和方差分析所得出的因素主次順序選取最優(yōu)工藝與材料水平,在AutoForm軟件中將依次壓邊力設(shè)置為1,100kN,材料屈服強(qiáng)度設(shè)置為150MPa,材料厚向異性系數(shù)設(shè)置為1.9,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.14,材料抗拉強(qiáng)度設(shè)置為300MPa。完成相應(yīng)的工藝、材料參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行求解計(jì)算,得到如圖5、圖6所示的拉伸成形仿真結(jié)果。由圖5a可知,翼子板制件面及工藝補(bǔ)充面所有區(qū)域的應(yīng)變均處于成形極限以內(nèi),且具有較大的安全裕度。由圖5b可知翼子板整體成形充分,制件區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)塑性變形不足和極限減薄的情況,成形效果良好。由圖6可知,翼子板最大減薄率為21.9%,滿足減薄率應(yīng)小于25%的開(kāi)裂判斷標(biāo)準(zhǔn);最大增厚率為9.2%,滿足增厚率應(yīng)小于10%的起皺判斷標(biāo)準(zhǔn),說(shuō)明翼子板獲得了良好的成形質(zhì)量,制件拉伸成形發(fā)生開(kāi)裂和起皺的風(fēng)險(xiǎn)極小。
圖5 成形極限圖和成形性
圖6 翼子板厚度變化率云圖
利用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的工藝和材料參數(shù)組合,對(duì)翼子板進(jìn)行拉伸成形試模驗(yàn)證。最終調(diào)試得到的翼子板拉伸件實(shí)物如圖7所示,制件整體成形效果良好,制件各部位均未出現(xiàn)開(kāi)裂和起皺缺陷,同時(shí)外表面亦未出現(xiàn)滑移線、沖擊線以及明顯的面畸變等缺陷。經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)后對(duì)制件各部位厚度進(jìn)行了測(cè)量,得知所有區(qū)域厚度變化率均在-25~10%之間,與成形仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了正交試驗(yàn)方案的正確性。
圖7 翼子板拉伸件實(shí)物
(1)通過(guò)正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析,得出影響翼子板最大減薄率和最大增厚率的影響因素主次順序?yàn)閴哼吜?材料屈服強(qiáng)度>材料厚向異性系數(shù)>摩擦系數(shù)>材料抗拉強(qiáng)度,并確定了最優(yōu)拉伸工藝和材料參數(shù)組合為壓邊力取值1,100kN、材料屈服強(qiáng)度取值150MPa、材料厚向異性系數(shù)取值1.9、摩擦系數(shù)取值0.14、材料抗拉強(qiáng)度取值300MPa。
(2)應(yīng)用優(yōu)化后的工藝和材料參數(shù)進(jìn)行翼子板拉伸成形仿真,獲得良好的成形效果。試模驗(yàn)證得變形充分,無(wú)開(kāi)裂、起皺,外表面無(wú)滑移線、沖擊線以及面畸變的合格制件。試模結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合,驗(yàn)證了正交試驗(yàn)和有限元分析的準(zhǔn)確性。
(3)研究結(jié)果表明,應(yīng)用基于正交試驗(yàn)有限元分析技術(shù)能夠改善翼子板的拉伸成形質(zhì)量、提高翼子板的拉伸成形裕度、增強(qiáng)翼子板生產(chǎn)的穩(wěn)定性,從而降低制件沖壓生產(chǎn)成本。