姜 旭,鮑 宇,劉可寧

(黑龍江工程學院 工程訓練中心，哈爾濱 150050)

汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展推動著汽車模具產(chǎn)業(yè)逐年增長，使我國成為模具生產(chǎn)大國[1]，而CAE技術(shù)作為模具開發(fā)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，可以對板料沖壓全過程進行模擬，預測產(chǎn)品生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的開裂、起皺、回彈等質(zhì)量問題，從而降低產(chǎn)品開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期[2]。Autoform具有界面友好、適用于復雜結(jié)構(gòu)、計算快速且精度較高等特點，是一款在板料成形領(lǐng)域市場份額占比較高的商用軟件，全球90%以上汽車制造廠商在沖壓模具開發(fā)過程使用[3]。

來自韓國的Lee等[4]基于實驗和有限元模擬研究提高汽車用E-FORM 鎂合金薄板成形性因素；波蘭的Stadnicki等[5]采用Autoform和Dynaform對汽車車身零件進行有限元模擬，模擬結(jié)果與實驗具有較高一致性；權(quán)宏等[6]以汽車天窗加強環(huán)為研究對象，基于Autoform進行數(shù)值模擬，確定了最終工藝參數(shù)壓邊力為2 400 kN、凸凹模間隙為1.2 mm、摩擦系數(shù)為0.15；王康康等[7]提出了一種Dynaform與智能算法融合的策略，并構(gòu)建GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出最優(yōu)參數(shù)；朱帥等[8]研究了頂蓋前邊梁加強板熱成形過程中工藝參數(shù)對零件質(zhì)量的影響。

文中以某主機廠一款SUV左后門外板為研究對象，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)、拉延筋阻力系數(shù)、工藝參數(shù)等手段，解決拉延過程中局部開裂、拉延不充分及起皺等質(zhì)量問題。采用正交實驗法找出工藝參數(shù)(壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù))對拉延工序的最大減薄率和最大增厚率影響程度，得到最優(yōu)參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進行全工序模擬。

1 屈服理論

采用Banablic-Balan-Comsa 2005(簡稱BBC 2005)屈服準則，它是通過增加權(quán)重因子的一種更為先進的各向異性屈服準則，主要描述金屬板材在平面應(yīng)力作用下的非彈性形變[9]。BBC2005屈服準則已集成于Autoform商業(yè)軟件中，其公式為

(1)

Γ=Lσ11+Mσ22，

(2)

(3)

(4)

σ11=Yθcos2θ，σ22=Yθsin2θ，

σ12=σ21=Yθsinθcosθ.

(5)

2 工藝分析及實驗方案

2.1 工藝分析

利用CATIA創(chuàng)成式曲面設(shè)計模塊繪制某SUV左后門外板結(jié)構(gòu)，圖1為該左后門外板示意圖，零件尺寸為1 190 mm×1 045 mm×188 mm，材料厚度0.7 mm，車門外板根據(jù)主機廠要求選擇冷軋鋼DC04，其中,屈服強度σs=208 MPa，抗拉強度Rm=307.4 MPa，延伸率A=38.6%，應(yīng)變硬化指數(shù)n=0.18，彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.3。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，拉延成形采用單動拉延，具體工序流程為：拉延→修邊+沖孔→側(cè)翻邊→整形+側(cè)沖孔，拉延工序有限元模型如圖2所示。

圖1 左后門外板模型

圖2 拉延工序有限元模型

2.2 實驗方案

由于該零件尺寸和高差較大，在分析過程中修邊線處易發(fā)生起皺等質(zhì)量問題，車門把手成形處上圓角較小，容易產(chǎn)生拉裂現(xiàn)象，需要對局部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。文中采用數(shù)值模擬方法，通過設(shè)計工藝補充面、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、調(diào)整拉延筋系數(shù)以及工藝參數(shù)等手段，改善零件成形性，從而解決上述質(zhì)量問題。

基于Autoform模擬左后車門外板成形過程,在分析時，三角網(wǎng)格最大邊長為20 mm，網(wǎng)格總數(shù)為16 974，單元類型選擇EPS-11彈塑性殼單元。該類型單元在厚度方向上有11層積分點，其優(yōu)勢是厚度方向積分點多，可以增加對應(yīng)力的捕捉，提高計算精度。通過正交實驗法研究拉延工序中工藝參數(shù)，包括壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù)對左后車門外板最大減薄和最大起皺的影響，使用較少的分析次數(shù)，精準找出較優(yōu)的因素水平組合。利用得出的最優(yōu)工藝參數(shù)再進行全工序工藝方案分析，根據(jù)所得參數(shù)指導模具開發(fā)。正交實驗方案如表1所示，其中，壓邊力選取范圍500～800 kN，凸凹模間隙取值1.0t～1.3t(t為板材厚度，文中t=0.7 mm)。

表1 正交實驗水平因素

3 數(shù)值模擬

3.1 車門外板拉延模初次模擬及優(yōu)化

根據(jù)設(shè)定好的參數(shù)對左后門外板拉延成形過程進行初次模擬(初次模擬壓邊力500 kN，凸凹模間隙0.7 mm，摩擦系數(shù)0.15)，拉延工序成形有限元云圖和成形極限圖(FLD)如圖3所示。依據(jù)主機廠質(zhì)量標準要求，外覆蓋件修邊線以內(nèi)不允許出現(xiàn)開裂和起皺等質(zhì)量問題。拉延成形過程中，車門把手轉(zhuǎn)角過渡區(qū)域發(fā)生開裂現(xiàn)象，這是由于結(jié)構(gòu)圓角較小，材料流動阻力過大，轉(zhuǎn)角部位傳力過渡區(qū)域拉應(yīng)力增大，造成該區(qū)域成形性較差，發(fā)生開裂問題[10]。通過成形結(jié)果云圖可知，零件修邊線以內(nèi)區(qū)域拉延嚴重不充分，拉延不充分區(qū)域面積占比高達68.5%，這主要是由于拉延筋阻力系數(shù)和壓邊力過小造成的。修邊線附近紫色區(qū)域有明顯增厚，會引起板料起皺，主要是由于拉延筋阻力系數(shù)小、材料流入型腔過多產(chǎn)生起皺問題[11]。

圖3 拉延模優(yōu)化前成形極限圖(FLD)及有限元云圖

如圖4所示，將車門把手上圓角半徑由1.5 mm 增加至3.5 mm，可以降低局部材料流動阻力，減小圓角轉(zhuǎn)角區(qū)域過度減薄，解決零件局部開裂問題[12]；對拉延筋布置重新優(yōu)化，增大局部拉延筋阻力系數(shù)，解決零件拉延不足和修邊線附近區(qū)域起皺問題，但拉延筋阻力系數(shù)不宜過大，過大會造成局部開裂問題[13-14]，重新布置后的沿周拉延筋設(shè)計如圖5所示。根據(jù)有限元云圖，優(yōu)化后修邊線內(nèi)未發(fā)生開裂和起皺問題，零件整體拉延不足問題得到明顯改善，拉延工序拉延不足比例降低至35.8%，觀察成形極限圖(FLD)也可得出，拉延后未發(fā)生開裂，起皺區(qū)域也僅出現(xiàn)在法蘭和工藝補充面上，后續(xù)工序該部分將切除，不影響最終零件質(zhì)量。圖6所示為優(yōu)化后有限元云圖和成形極限圖(FLD)。

圖4 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖5 拉延筋設(shè)計

圖6 拉延模優(yōu)化后成形極限圖(FLD)及有限元云圖

3.2 車門外板拉延模正交實驗

在重新布置拉延筋和優(yōu)化局部結(jié)構(gòu)有限元模型基礎(chǔ)上，選取壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數(shù)為研究對象。其中，壓邊力對板料減薄率影響較大，主要受壓邊圈和凹模在厚度方向所施加應(yīng)力控制，當壓邊力越大，板料減薄率越高。凸凹模間隙影響板料與模具間接觸面積，從而改變板料成形應(yīng)力分布，凸凹模間隙越大板料應(yīng)力分布越小，該參數(shù)直接影響零件成形質(zhì)量。摩擦系數(shù)與實際生產(chǎn)過程中板料和模具材料、接觸面積、潤滑條件等有關(guān)，摩擦系數(shù)越大，摩擦力越大，板料流動性越差，會增加模具磨損量和板料開裂風險，需要根據(jù)實際生產(chǎn)情況合理把控[14]。

采用三因素四水平進行正交實驗，制定規(guī)格為L16(43)表格，正交實驗設(shè)計與分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)外覆蓋件質(zhì)量要求，最大減薄率應(yīng)小于板料厚度30%，最大增厚率小于板料厚度3%[15]，部分序列實驗結(jié)果最大減薄率和最大增厚率超過目標值，且超過部分多集中于工藝補充面上。

表2 正交實驗設(shè)計與分析結(jié)果

根據(jù)16組數(shù)據(jù)結(jié)果，采用較為便捷有效的極差分析法對數(shù)據(jù)進行處理分析[16]，其結(jié)果如表3、表4所示。根據(jù)極差分析結(jié)果，工藝參數(shù)對左后門外板拉伸成形后最大減薄率和最大增厚率影響程度由大到小順序皆為：摩擦系數(shù)>壓邊力>凸凹模間隙。對于最大減薄率，結(jié)果越小表明零件成形性越優(yōu)，其最優(yōu)組合為A1B3C1，即壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13；對于最大增厚率，結(jié)果越小表明零件成形效果越好，發(fā)生起皺問題可能性越低，其最優(yōu)組合為A4B1C4，即壓邊力800 kN、凸凹模間隙0.7 mm、摩擦系數(shù)0.19。

表3 最大減薄率極差分析結(jié)果

表4 最大增厚率極差分析結(jié)果

3.3 車門外板全工序模擬

根據(jù)兩組拉延模最優(yōu)組合成形結(jié)果可知，最優(yōu)參數(shù)A1B3C1最大增厚率為3.3%，雖略超過目標值3%，但是其最大增厚區(qū)域在工藝補充面上，后續(xù)工藝將會被切除，不影響最終整體零件質(zhì)量。最優(yōu)參數(shù)A4B1C4最大減薄率為39.1%，超過目標值30%，且減薄區(qū)域已經(jīng)發(fā)生拉裂問題，這是拉延工序生產(chǎn)過程中不允許發(fā)生的質(zhì)量問題[17-18]，所以選擇工藝參數(shù)A1B3C1(壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13)為最終參數(shù)進行拉延工序分析?；谠搮?shù)進行左后門外板全工序模擬，分析結(jié)果如圖7所示。根據(jù)云圖可知，經(jīng)過落料、沖孔、修邊等工序后，該零件優(yōu)化前后拉延不足問題得到明顯改善，整形后安全區(qū)域由10.85%提高至77.38%，優(yōu)化后無明顯增厚趨勢，最大減薄率由優(yōu)化前39.7%降低至24.5%，局部開裂問題得到解決，成形性較好，如圖8所示。

圖7 優(yōu)化前成形極限圖(FLD)、有限元云圖及厚度云圖

圖8 優(yōu)化后成形極限圖(FLD)、有限元云圖及厚度云圖

4 結(jié) 論

1)通過增加門把手成形區(qū)域上圓角半徑尺寸至3.5 mm，可以有效降低局部材料流動阻力，防止拉延過程中局部開裂問題。

2)通過重新布置拉延筋分布，調(diào)節(jié)拉延筋阻力系數(shù)，可以改善修邊線周圍起皺問題。

3)左后門拉伸模工藝參數(shù)對最大減薄率和最大增厚率影響程度由大到小順序皆為：摩擦系數(shù)>壓邊力>凸凹模間隙。根據(jù)外覆蓋件質(zhì)量標準，拉延模最佳工藝參數(shù)組合為壓邊力500 kN、凸凹模間隙0.84 mm、摩擦系數(shù)0.13。

4)經(jīng)過全工序模擬結(jié)果可知，汽車左后門外板最終成形質(zhì)量較好，整形后板料處于安全狀態(tài)區(qū)域達77.38%，最大減薄率為24.5%，零件拉延充分，無局部開裂和過度減薄、起皺等質(zhì)量問題，滿足設(shè)定的目標要求，可以用于指導后續(xù)模具設(shè)計。