王 碩,吳 艷,馬炎漫,曾如鐵,熊錦林

基于有限元的農用拖拉機擋泥板彎曲成形分析及優(yōu)化

王 碩,吳 艷*,馬炎漫,曾如鐵,熊錦林

武漢輕工大學機械工程學院, 湖北 武漢 430048

借助DYNAFORM有限元軟件建立農用拖拉機擋泥板彎曲成形的有限元模型，分析厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和凹凸模間隙對其彎曲回彈的影響規(guī)律，研究6061鋁合金農用拖拉機擋泥板的回彈問題。在數(shù)值模擬的基礎上，通過正交優(yōu)化分析得出：在一定范圍內，農用拖拉機擋泥板的回彈量與厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)呈現(xiàn)負相關關系，與凸凹模間隙呈現(xiàn)先負后正相關關系；影響回彈量的因素排列次序為壓邊力、凹凸模間隙、厚度、摩擦系數(shù)、沖壓速度；最優(yōu)參數(shù)組合為厚度2 mm，壓邊力300 kN，沖壓速度5000 mm?s-1，摩擦系數(shù)0.65及凹凸模間隙1.65 mm。同時，基于工藝參數(shù)優(yōu)化，采用等效拉延筋和回彈補償策略共同控制該制件的回彈，結果分析表明：等效拉延筋起到降低回彈程度的作用；回彈補償策略能夠有效地減小回彈量。本項研究表明，采用工藝參數(shù)控制法、等效拉延筋法和回彈補償策略能夠有效地控制農用拖拉機擋泥板的彎曲回彈程度，為擋泥板實際生產加工過程提供堅實的理論基礎與可靠的數(shù)值依據(jù)。

農用拖拉機擋泥板;數(shù)值模擬;正交試驗;回彈優(yōu)化及補償

隨著汽車輕量化進程的不斷推進，沖壓成形工藝在汽車零件生產中得到了廣泛應用。近年來，材料輕量化問題備受關注，研究表明，通過減輕汽車質量10%，可實現(xiàn)油耗降低6%～7%[1]。實現(xiàn)汽車質量減輕的主要途徑之一是采用輕量化材料替代傳統(tǒng)鋼板，而鋁合金因其低密度、輕重量、高比強度、高比剛度、強耐腐蝕性以及高回收率等優(yōu)點，被公認為是最具研究價值的輕量化材料之一[2]。因此，鋁合金在汽車輕量化技術中逐漸替代汽車鋼板并得到廣泛應用[3]。同時，農用拖拉機作為農業(yè)中不可或缺的設備，其擋泥板作為必要零件，其成形過程存在著起皺、破裂及回彈等問題，這些缺陷在一定程度上制約了農用拖拉機在汽車輕量化進程中的發(fā)展與推廣。在這些缺陷中，回彈被認定為彎曲成形過程中最難控制的缺陷之一[4]。

汽車零件的回彈優(yōu)化與補償問題一直都是學者研究的熱點。例如，艾鋒[5]以某汽車擋泥板為研究對象，基于Design-exper軟件建立摩擦系數(shù)、壓邊力、拉延筋阻力系數(shù)與板料拉裂、起皺之間關系的數(shù)學模型，以解決板料成形中起皺、破裂及回彈的問題；王大鵬[6]等人為解決某汽車縱梁沖壓成形過程中存在的破裂、起皺和回彈等缺陷，采用基于正交試驗設計、數(shù)值模擬、克里金模型和遺傳算法相結合的優(yōu)化策略，并使用DYNAFORM有限元軟件對某汽車縱梁進行了工藝優(yōu)化和回彈補償；茍春梅[7]等人研究了某汽車后地板零件的回彈控制問題，采用AutoForm軟件對某汽車后地板零件進行工藝優(yōu)化和回彈補償。這些研究都屬于采用數(shù)值模擬技術模擬金屬板料成形過程，并進行缺陷預測與改善的領域。實際研究表明，不同結構的制件成形過程存在著截然不同的變化規(guī)律，各工藝參數(shù)對于制件成形質量有著不同的影響[1]。農用拖拉機擋泥板在彎曲成形過程中容易出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，該難題嚴重影響著農用拖拉機擋泥板的成形質量、尺寸精度與使用壽命等。

本文主要從優(yōu)化工藝參數(shù)和改善鋁合金板料彎曲性能兩個角度出發(fā)，通過對6061鋁合金擋泥板彎曲成形進行數(shù)值模擬，考察厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和凹凸模間隙等工藝參數(shù)對其彎曲回彈的影響，結合優(yōu)化設計理念，從而達到改善農用拖拉機擋泥板成形質量的目的，為解決6061鋁合金板料回彈提供理論基礎與數(shù)值依據(jù)，這對于提高彎曲件的產品質量和生產效率具有重要意義。

1 材料及零件模型

1.1 材料參數(shù)和模型

在大多數(shù)情況下，農用拖拉機擋泥板主要采用鋼材等重質材料進行制造。6061鋁合金雖然不常作為生產擋泥板等關鍵零件的首選材料，但考慮到減輕整體重量的需求，選用其作為擋泥板材料。此外，6061鋁合金具備優(yōu)異的強度、耐腐蝕性和可加工性等特性，這些特性使其能夠滿足擋泥板在實際使用中的基本需求。采用6061鋁合金作為農用拖拉機擋泥板材料，其化學成分如表1所示[8]。通過6061鋁合金板料單向拉伸試驗獲得力學性能數(shù)據(jù)，擬合數(shù)據(jù)輸入至DYNAFORM軟件中的36號材料模型(3參數(shù)Barlat材料模型)。36號材料模型特別適合應用于任何金屬薄板沖壓成形分析中，能夠更好地反映出各向異性對沖壓成形的影響，從而獲得更可靠的分析結果[9,10]，故6061鋁合金材料須采用此模型進行分析。

表 1 6061鋁合金化學成分表

在DYNAFORM軟件中創(chuàng)建6061鋁合金材料模型，其力學性能參數(shù)如表2所示，應力-應變曲線及成形極限曲線如圖1所示[8]。

表 2 6061鋁合金力學性能參數(shù)表

圖 1 應力-應變曲線(a)及成形極限曲線(b)

1.2 成形工藝分析

本文研究的是400-12型號的農用拖拉機前輪擋泥板，該擋泥板適配時風和福田品牌的小型農用拖拉機，成形工藝為翻邊-彎曲。彎曲毛坯件的尺寸計算[11]：

圖 2 農用拖拉機擋泥板工件圖

1.3 有限元模型

運用CATIA軟件設計出農用拖拉機擋泥板的三維模型，并且將其進行相應處理后，導入DYNAFORM軟件中進行網格劃分。采用雙動成形技術，利用DYNAFORM模面工程(DFE)模塊，自動生成凸模、凹模和壓邊圈工具，并對相應的參數(shù)及成形工序進行了定義與設置。有限元分析中的網格質量是確保模擬準確性和計算效率的關鍵[9]。在DYNAFORM軟件中，殼元網格適用于薄壁結構成形模擬，能夠有效捕捉材料的厚度變化。結合自動、手動網格劃分及其局部細化，允許仿真初步驗證后逐步提高網格密集度，增強模擬仿真的精度，使設計驗證和性能預測更為精確。在板料彎曲沖壓過程中，凸模下行，壓邊圈與凹模首先貼合并壓緊板料，凸模繼續(xù)下行完成彎曲沖壓。模擬過程中不考慮板料與模具之間的熱交換問題，即將其視為等溫問題[8]。6061鋁合金農用拖拉機擋泥板彎曲成形有限元光照模型，如圖3所示。

圖 3 農用拖拉機擋泥板彎曲成形有限元光照模型

2 基于正交試驗的回彈分析

2.1 正交試驗

正交試驗具有優(yōu)良的均衡分散性和整齊可比性，能夠簡化數(shù)值模擬及計算的繁雜性，是研究多變量多水平問題的有效試驗方法[12,13]。在板料彎曲成形過程中，回彈量受到很多因素的影響，但材料確定后，其他主要影響因素就是工藝參數(shù)[14,15]，例如厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和凹凸模間隙等。這些工藝參數(shù)對彎曲件的成形質量起著至關重要的作用。

本文正交試驗考察了以上5個影響因素，其主要目的是研究各影響因素對彎曲回彈量的影響程度并探討其影響規(guī)律。正交試驗能否取得實質性效果的關鍵是，確定影響因素的水平[16]。在本試驗中，根據(jù)板料成形數(shù)值模擬經驗，可將厚度分別設定為1.0 mm、1.5 mm和2.0 mm三個水平；結合實際生產經驗和文獻[2]，綜合考慮取100 kN、200 kN和300 kN作為壓邊力的三個水平[2]；在板料成形數(shù)值模擬時，通常將實際拉深速度放大若干倍作為沖壓速度(即虛擬沖壓速度)，依據(jù)文獻[2]作為參考，故取1000 mm?s-1、3000 mm?s-1和5000 mm?s-1作為沖壓速度的三個水平[2]；在數(shù)值模擬中，可以認為擋泥板制件各處的摩擦系數(shù)是一致的[17]，取6061鋁合金板料在1427潤滑劑、3959潤滑劑以及無潤滑劑（干摩擦）三種潤滑條件下的摩擦系數(shù)，分別為0.10、0.14和0.65，并將其設定為摩擦系數(shù)的三個水平；在實際生產過程中，通常根據(jù)經驗公式=(0.9～1.3)來確定凹凸模間隙，故將凹凸模間隙設定為0.9、1.1和1.3三個水平（值指厚度大?。?/p>

采用上述5個因素作為研究因素，針對每個因素設置3個不同的水平值，并且制定出正交試驗因素水平表，具體內容詳見表3。

表 3 正交試驗因素水平表

基于上述因素水平表，則相應地選擇18(37)標準正交試驗表，正交表中會有2個空白列，且在試驗中不起作用，但可以用于其他分析。回彈問題是直接影響農用拖拉機擋泥板成形質量的最大問題，需要對回彈量(彎曲角回彈量)進行綜合性研究，故將其設置為評價指標。在板料彎曲成形數(shù)值模擬過程中，根據(jù)公式(4)[2]能夠計算出彎曲變形區(qū)在卸載過程中的彎曲角回彈量大小。

(4)

式中[2]：0—加載時的中性層曲率半徑；0—加載時的彎曲角；′0—卸載后的中性層曲率半徑；?—卸載后的彎曲角回彈量。正交試驗表列于表4。

表 4 正交試驗表

2.2 極差與方差分析

極差分析結果如表5所示，從此表中可以看出厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和凹凸模間隙5個因素均為有效影響因素。從極差分析結果來看，因素的極差值愈大，則說明回彈量受到該因素的影響愈顯著。由表5可知，影響回彈量的因素排列次序為(壓邊力)>(凹凸模間隙)>(厚度)>(摩擦系數(shù))>(沖壓速度)。

回彈量越小，即各因素水平對應的k值也越小[7]。因素3較小，故3較好；因素3較小，故3較好；因素3較小，故3較好；因素3較小，故3較好；因素2較小，故2較好。根據(jù)各因素水平的值，得到最優(yōu)參數(shù)組合為33332，即厚度為2.0 mm，壓邊力為300 kN，沖壓速度為5000 mm?s-1，摩擦系數(shù)為0.65及凹凸模間隙為1.65 mm。

表 5 極差分析結果

注: 其中k為同一因素下第個水平的回彈量平均值(=1、2、3)，為因素的極差。

Note: In this context,krepresents the average rebound quantity at theth level under the same factor (=1,2,3), anddenotes the range of the factor.

由于極差分析無法估計試驗誤差的大小，也不能進行顯著性測量[18]。通過方差分析，可進一步了解各因素對回彈量影響的量化估計[19]。根據(jù)各因素的試驗數(shù)據(jù)進行定量分析，得出各因素的顯著性結果。各因素對回彈量影響的方差分析結果，如表6所示。

表 6 方差分析結果

注:1.離差平方和；自由度；-均方；-分布統(tǒng)計量；0.05-顯著性水平=0.05時查表獲得的臨界值，0.05=5.14；因素對試驗結果無顯著影響的概率；-該因素的影響性顯著；-該因素對試驗結果有影響，但不顯著。

2.均方計算完成后，若某個因素的均方比誤差的均方小或者相等，則應該將這些因素歸為誤差[5]，從而構成一個新誤差e。在方差分析中得到MS＜MS，這表明了因素對試驗結果的影響較小，將其歸入誤差，從而形成新誤差e，新誤差e的離差平方和、自由度和均方都發(fā)生變化。

Note: 1.-Sum of Squares for Deviation;-Degrees of Freedom;-Mean Square;-distribution statistic;0.05-the critical-value at the significance level=0.05, where0.05=5.14;-value-the probability that the factor has no significant impact on the experimental results;-indicates that the effect of the factor is significant;-indicates that the factor has an effect on the experimental results, but it is not significant.

2. After calculating the mean square, if the mean square of a factor is less than or equal to that of the error, these factors should be attributed to the error[11], thus forming a new errore. In the analysis of variance, ifMS<MS, it indicates that the influence of factoron the experimental results is minor, and it should be included in the error, forming a new errore. The sum of squares for deviation, degrees of freedom, and mean square for the new erroreall undergo changes.

方差分析結果顯示，雖然各因素的值均小于0.05，但是壓邊力依舊是影響最大的因素，其次是凹凸模間隙、厚度以及摩擦系數(shù)，沖壓速度的離差平方和很小，其影響可以忽略不計。

綜合考慮極差與方差分析結果，故6061鋁合金板料彎曲成形時應著重考慮壓邊力和凹凸模間隙的合理取值，這樣容易獲得回彈量較小的制件，提高制件的成形質量和生產效率。

2.3 正交試驗結果分析

根據(jù)極差分析結果，繪制出各研究因素與回彈量的關系圖，以便從圖形上直接看出回彈量隨各研究因素水平變化的大體關系。其中，橫坐標為各研究因素的水平值，縱坐標為回彈量，各因素水平趨勢圖分別如圖4、圖5、圖6、圖7及圖8所示。

6061鋁合金板料彎曲成形時，其厚度會對板料的彎曲回彈量產生影響，圖4中曲線表示厚度水平變化對回彈量的影響。

圖 4 厚度水平趨勢圖

板料的厚度越大，其所承受的彎曲應力也越大，其能量分布在板料的縱深方向上也越均勻[13]。當該制件板料厚度增大時，其所承受的彎曲應力也相應增大，且位于靠近板料表面的塑性變形層的尺寸也會增加，使得板料所承受的彎曲應變分布更加均勻，進而減小回彈量。因此，在一定范圍內板料厚度越大，其彎曲回彈量越小。但是，若板料厚度過大，則會產生更大的彎曲應力，可能導致板料斷裂或過度變形。因此，在實際生產過程中，應根據(jù)具體要求選擇合適厚度的板料彎曲成形。

壓邊力作為板料彎曲成形中的重要工藝參數(shù)之一，其大小能夠控制材料在板料內部的流動，并且能夠改善其內部應力的分布狀況[20]。圖5中曲線表示壓邊力水平變化對回彈量的影響。

圖 5 壓邊力水平趨勢圖

壓邊力越大，板料在彎曲處的應變越均勻，從而減小回彈量。因此，在一定范圍內壓邊力越大，回彈量越小?？傮w來說，如果合理地控制壓邊力大小，則能夠最大程度地減小回彈程度，從而保證制件成形質量。

沖壓速度的快慢會影響板料的形變速率和形變歷程[21]，進而影響回彈量，圖6中曲線表示沖壓速度水平變化對回彈量的影響。

圖 6 沖壓速度水平趨勢圖

從圖6中的曲線可以看出，雖然回彈量隨著沖壓速度增加而減小，由于沖壓速度對回彈量的影響較小，故回彈量的變化范圍也較小。因此，在一定范圍內沖壓速度越大，回彈量越小。

在板料彎曲成形過程中，摩擦系數(shù)能夠影響板料的形變過程、能量分布和形變均勻性[10]，從而影響回彈量。圖7中曲線表示摩擦系數(shù)水平變化對回彈量的影響。

圖 7 摩擦系數(shù)水平趨勢圖

從實質上分析，板料彎曲成形時兩側邊緣部分發(fā)生折彎變形，而中間部分則發(fā)生拉伸變形，當摩擦系數(shù)較小，則凹凸模表面與板料表面間的摩擦力較小，板料形變時可能會出現(xiàn)滑動和相對錯位的情況，從而增加板料的彎曲不一致性，進而造成回彈量增加。板料發(fā)生塑性變形時，摩擦系數(shù)愈大，變形抗力愈大。隨著摩擦系數(shù)的增大，板料變形區(qū)的內外層所承受的壓拉應力狀態(tài)呈現(xiàn)出一致的趨勢，導致回彈量的減少。因此，在一定范圍內摩擦系數(shù)越大，回彈量越小。在板料彎曲成形過程中，需要合理控制摩擦系數(shù)大小，通過涂抹潤滑劑以及調整模具表面的處理方式、材質等方法，以減小回彈量，從而保證制件成形質量。

凹凸模間隙水平變化對回彈量的影響，如圖8中曲線所示。

圖 8 凹凸模間隙水平趨勢圖

從圖8中的曲線可以看出，隨著凹凸模間隙的增加，回彈量大小呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，故應該合理地選擇凹凸模間隙，既不能太大，也不能太小，要使得板料塑性能力充分發(fā)揮，盡量得到最佳的彎曲回彈量。若凹凸模間隙較大，則板料受力分布不均，增加板料變形難度，會導致彎曲回彈量增大。同時，凹凸模間隙較大，還會容易導致板料發(fā)生材料堆積，出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。反之，若凹凸模間隙較小，則在板料形變時難以應對應變的壓力，引起塑性發(fā)揮不夠，從而造成彎曲不均勻、變形不一致的問題，導致彎曲回彈量增加。

3 回彈優(yōu)化及補償

3.1 最優(yōu)組合的數(shù)值模擬

通過基于正交試驗的回彈分析得到最優(yōu)參數(shù)組合33332，將其進行數(shù)值模擬驗證，得到回彈模型，如圖9所示。

圖 9 回彈模型圖

3.2 回彈優(yōu)化

采用等效拉延筋方法，對最優(yōu)參數(shù)組合的回彈模型進行優(yōu)化，觀察是否能夠得到回彈效果更好的模型。等效拉延筋布局，如圖10所示。采用等效拉延筋的回彈模型，如圖11所示。

圖 10 等效拉延筋布局圖

圖 11 采用等效拉延筋方法的回彈模型圖

3.3 回彈補償

雖然采用工藝參數(shù)控制法和等效拉延筋方法降低了零件的回彈程度，但是不能完全控制零件的回彈量[7]。因此，采用回彈補償策略對加入等效拉延筋的回彈模型進一步控制回彈。補償后的回彈模型圖12所示。

圖 12 補償后的回彈模型

4 模擬研究的結果驗證

根據(jù)文獻[2]中的結論表明，在一定范圍內，農用拖拉機擋泥板的彎曲回彈量與厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)呈現(xiàn)負相關關系，與凸凹模間隙呈現(xiàn)先負后正相關關系，符合6061鋁合金板料的沖壓成形規(guī)律。

通過一些關于DYNAFORM模擬研究(Jstamp/NV)的驗證結果表明[23,24]，適當?shù)夭捎霉に噮?shù)控制法、等效拉延筋法、回彈補償策略能夠降低回彈程度，解決回彈問題，這也與實際生產中的經驗規(guī)律相符合。

由于本文研究的零件與參考文獻中的零件存在差異，因此參考文獻中的結果與本文的結論可能存在些許差異。例如，針對沖壓速度因素，本文只得出“隨著沖壓速度增加，回彈量減小”的結論，但未得到“回彈較大的區(qū)域面積增加”現(xiàn)象。這種差異可能是由于不同零件的幾何形狀、材料特性或模擬參數(shù)等因素引起的。目前的研究正在積極解決這些驗證問題，也在進行物理試驗，以確保結果的可靠性和一致性。這一系統(tǒng)的努力有助于提升對回彈行為的全面理解，為未來的研究和應用提供更為可靠的基礎。

5 結 論

（1）基于有限元仿真分析，構建了農用拖拉機擋泥板及其模具有限元模型。同時，采用正交試驗研究了厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和凹凸模間隙5個影響因素對制件彎曲回彈的影響。根據(jù)極差與方差分析，得出影響回彈量的因素主次順序為：壓邊力>凹凸模間隙>厚度>摩擦系數(shù)>沖壓速度，并且得到了最優(yōu)參數(shù)組合33332，即厚度為2.0 mm，壓邊力為300 kN，沖壓速度為5000 mm?s-1，摩擦系數(shù)為0.65及凹凸模間隙為1.65 mm；

（2）根據(jù)正交試驗和各因素水平變化趨勢圖，分析得出：在一定范圍內，農用拖拉機擋泥板的彎曲回彈量與厚度、壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)呈現(xiàn)負相關關系，與凸凹模間隙呈現(xiàn)先負后正相關關系；

（3）在最優(yōu)參數(shù)組合的回彈模型上，采用等效拉延筋方法對6061鋁合金板料彎曲成形進一步優(yōu)化，以達到改變進料阻力分布、調節(jié)材料流動情況的目的，從而減小回彈量。同時，也驗證了拉延筋模型能夠有效地降低回彈程度；

（4）在使用等效拉延筋的回彈模型基礎上，采用回彈補償策略對制件進行回彈補償，其回彈量明顯減少；

（5）本項研究表明，采用工藝參數(shù)控制法、等效拉延筋法和回彈補償策略能夠有效地控制制件的回彈問題，縮短試模調試時間，降低模具成本。

致謝:感謝湖北省教育廳科學研究計劃，編號：D20221606資助。

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Finite Element-based Analysis and Optimization of Agricultural Tractor Fender Bending

WANG Shuo, WU Yan*, MA Yan-man, ZENG Ru-tie, XIONG Jin-lin

430048,

With the help of Dynaform finite element software to establish the finite element model of agricultural tractor fender bending and forming, we analyzed the thickness, crimping force, stamping speed, friction coefficient and concave and convex mode gap, and studied the resilience of 6061 aluminum alloy agricultural tractor fender. On the basis of numerical simulation, through orthogonal optimization analysis, it is concluded that, within a certain range, the rebound quantity ofagricultural tractor fender is negatively correlated with the thickness, crimping force, stamping speed and friction coefficient, and negatively correlated with the concave-convex mold gap; the factors affecting the rebound quantity are in the order of crimping force, concave-convex mold gap, thickness, friction coefficient, stamping speed, the optimal parameter combination of the thickness of 2 mm, crimping force of 300 kN, concave-convex mold gap, friction coefficient, stamping speed. The optimal parameter combination is thickness of 2 mm, crimping force of 300 kN, stamping speed of 5000 mm?s-1, friction coefficient of 0.65 and die clearance of 1.65 mm. Meanwhile, based on the optimization of process parameters, the rebound of the part is controlled by the equivalent stretching bar and the rebound compensation strategy, the results shows that: the equivalent stretching bar plays a role in reducing the degree of rebound; the rebound compensation strategy can effectively reduce the amount of rebound. This study shows that the process parameter control method, the equivalent stretching bar method and the rebound compensation strategy can effectively control the degree of bending rebound of the agricultural tractor fender, and provide a solid theoretical basis and a reliable numerical basis for the actual production process of the fender plate.

Agricultural tractor fender; numerical simulation; orthogonal testing; rebound optimization and compensation

TG389

A

1000-2324(2023)05-0782-10

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.05.019

2023-10-27

2023-11-11

混晶調控改善再結晶納米變形鎂合金熱穩(wěn)定性機制模型研究(D20221606)

王碩(2000-),男,碩士研究生,主要研究方向:金屬材料沖壓成形工藝.E-mail:ws17860245596@163.com

Author for correspondence. E-mail:wuy611@163.com