轎車行李箱蓋外板成型工藝參數(shù)優(yōu)化

游曉紅管艷杰

（太原科技大學(xué)）

轎車行李箱蓋外板成型工藝參數(shù)優(yōu)化

游曉紅管艷杰

（太原科技大學(xué)）

利用Dynaform軟件對(duì)某轎車行李箱蓋外板成型過程進(jìn)行了模擬研究，通過正交試驗(yàn)對(duì)影響沖壓成型的壓邊力、摩擦因數(shù)、凸凹模間隙、拉延筋高度等工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化組合，對(duì)4個(gè)參數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響程度進(jìn)行了分析，從而可知影響程度最大的參數(shù)為壓邊力和摩擦因數(shù)。結(jié)合回歸分析方法探討了壓邊力和摩擦因數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響規(guī)律，并將仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)零件進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，模擬得到的最佳工藝參數(shù)與實(shí)際生產(chǎn)中所用工藝參數(shù)基本相同，成型部分仿真結(jié)果與實(shí)體零件的數(shù)據(jù)非常接近，變化趨勢(shì)相同。

1 前言

車身覆蓋件與一般沖壓件相比具有材料薄、形狀復(fù)雜、結(jié)構(gòu)尺寸大、表面質(zhì)量要求高、曲面多為空間曲面、配合協(xié)調(diào)性高等特點(diǎn)[1，2]，但影響其成型質(zhì)量的因素較多且各因素相互制約、相互轉(zhuǎn)化[3，4]。傳統(tǒng)的成型方法主要憑借技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次試沖、修模來(lái)得到一個(gè)合理的工藝參數(shù)組合，這樣不僅生產(chǎn)及調(diào)試周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且也無(wú)法保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種CAE軟件不斷用于實(shí)際生產(chǎn)。CAE技術(shù)不僅可預(yù)測(cè)成型件在某工藝下可能出現(xiàn)的缺陷，而且還可根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)成型工藝及模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而縮短模具生產(chǎn)和試模周期，降低生產(chǎn)成本，提高覆蓋件的質(zhì)量穩(wěn)定性。為此，以某轎車行李箱蓋外板為例，基于Dynaform有限元模擬軟件，采用正交試驗(yàn)的方法分析影響該零件沖壓成型性能的因素及成型質(zhì)量隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，以得到最優(yōu)化的沖壓工藝參數(shù)。

2 有限元模型的建立

在UG中建立行李箱蓋外板三維模型，見圖1。為滿足拉延工藝要求，需要對(duì)行李箱蓋外板的形狀、輪廓和深度進(jìn)行工藝補(bǔ)充，工藝補(bǔ)充后的拉延件三維模型如圖2所示。

將圖2所示的三維模型轉(zhuǎn)換成igs格式并導(dǎo)入Dynaform中，利用有限元模擬軟件的毛坯反求功能反求出毛坯，通過在原凹模的基礎(chǔ)上進(jìn)行單元復(fù)制并偏置來(lái)獲得凸模，最終得到成型過程仿真分析有限元模型，如圖3所示。

3 正交試驗(yàn)

在覆蓋件成型過程中，當(dāng)材料、設(shè)備、模具結(jié)構(gòu)一定時(shí)，影響其成型過程的主要因素為壓邊力B、摩擦因數(shù)C、模具間隙A和拉延筋高度D等4個(gè)參數(shù)，為此采用正交試驗(yàn)方法分析4個(gè)參數(shù)對(duì)成型結(jié)果的影響程度。

模擬采用的材料為St14，料厚為1 mm，其主要參數(shù)見表1。

表1 St14主要性能參數(shù)

3.1 正交試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 壓邊力

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)及壓邊力計(jì)算公式（1），在模擬時(shí)壓邊力B分別選取300 kN、400 kN和500 kN等3個(gè)水平。

式中，G為壓邊面積；q為單位面積的壓邊力。

3.1.2 摩擦因數(shù)

改變潤(rùn)滑條件將會(huì)改變模具與板料間的摩擦因數(shù)。在板料拉深成型過程中，當(dāng)板料厚度大于0.5 mm時(shí)，摩擦因數(shù)取0.10～0.15。因試驗(yàn)用板料厚為1 mm，所以設(shè)置摩擦因數(shù)C為0.1、0.125和0.15等3個(gè)水平。

3.1.3 模具間隙

模具間隙的大小對(duì)模擬結(jié)果有很大影響，如果模具間隙太小，則材料流動(dòng)的阻力就會(huì)增大，致使材料內(nèi)應(yīng)力增大，導(dǎo)致拉延件的壁厚變薄而發(fā)生破裂。為此，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取模具間隙為板厚的1.1倍。因試驗(yàn)用板料厚為1 mm，所以模具間隙A的3個(gè)水平取為1.0、1.1和1.2。

3.1.4 拉延筋高度

拉延筋的合理取值及合理布置是控制金屬流動(dòng)、防止出現(xiàn)起皺和破裂的重要手段之一。該試驗(yàn)采用等效拉延筋來(lái)代替真實(shí)拉延筋，在Dynaform中建立4個(gè)半圓形拉延筋[4]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取拉延筋高度D的3個(gè)水平分別為6 mm、7 mm和8 mm。

表2為正交試驗(yàn)的水平和因子，表3為正交試驗(yàn)方案及結(jié)果。

表2 正交試驗(yàn)的水平和因子

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在覆蓋件沖壓成型過程中，一般用壁厚減薄率來(lái)描述材料的拉深程度，壁厚減薄率越大則拉裂的危險(xiǎn)性越大，所以在同等材料條件下存在1個(gè)最大減薄率，其值越小拉深件拉裂的可能性就越小，產(chǎn)品成型效果就越好。S型信噪比函數(shù)用于質(zhì)量性能目標(biāo)值為越小越好情況下的試驗(yàn)結(jié)果的分析和優(yōu)選[6]，該試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)選定為最大減薄率，因此選用S型信噪比函數(shù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，以得到最大減薄率狀態(tài)下的最佳工藝參數(shù)。

S型信噪比S/N函數(shù)式為：

式中，yi為工藝組合下的最大減薄率；n為試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)；η為最小化損失函數(shù)。

最大化信噪比等效于最小化損失函數(shù)，這里試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)n=1，因此式（2）轉(zhuǎn)化為：

將表3中模擬數(shù)據(jù)代入式（3）可得出各組試驗(yàn)的信噪比，如表4所列。

表4 各組試驗(yàn)的信噪比值

將以上各影響參數(shù)下不同的信噪比用圖的形式表示出來(lái)，如圖4所示。

由圖4可看出，各工藝參數(shù)下的最大信噪比分別為A2、B1、C1、D1，即最佳工藝參數(shù)組合為A2B1C1D1。其中壓邊力對(duì)最大減薄率影響最大，其次是摩擦因數(shù)和拉延阻力，影響最小的是模具間隙。由此可知，最佳工藝參數(shù)組合為：壓邊力為300 kN，摩擦因數(shù)為0.1，拉延筋高度為6mm，模具間隙為1.1 mm。由于最佳的拉深工藝參數(shù)組合并不在表3的試驗(yàn)方案中，所以可間接預(yù)測(cè)最佳工藝組合下的局部最小厚度。假設(shè)各工藝因素之間相互不耦合，預(yù)測(cè)的最優(yōu)信噪比水平ηA1B1C3D1計(jì)算式為：

料厚為1mm時(shí)的最大減薄率為16.09%，可得出拉伸后的最小壁厚為[1×（1-0.1 609）]=0.8 391 mm。

將工藝參數(shù)組合A2B1C1D1用軟件Dynaform進(jìn)行模擬，得出其成型極限圖和厚度分布，如圖5和圖6所示。

由圖5可看出，A2B1C1D1工藝組合條件下制件沒有出現(xiàn)拉裂，只是局部有起皺的趨勢(shì)；由圖6可看出，材料厚度變化不大，也沒有局部過薄現(xiàn)象。這說(shuō)明按照A2B1C1D1最佳工藝組合得到的試件整體成型質(zhì)量良好，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

4 壓邊力、摩擦因數(shù)對(duì)最大減薄率的影響

從圖4可看出，壓邊力對(duì)最大減薄率影響最大，其次是摩擦因數(shù)、拉延阻力和模具間隙，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)模具結(jié)構(gòu)一定時(shí)，可通過改變壓邊力和摩擦因數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)最大減薄率。

為探討壓邊力和摩擦因數(shù)對(duì)制件成型效果的影響規(guī)律，設(shè)

式中，x1、x2分別為壓邊力和摩擦因數(shù)的影響系數(shù)。

將表2中的數(shù)據(jù)代入式（5）和式（6）中，則回歸分析中各參數(shù)值如表5所列。

表5 回歸分析中各參數(shù)值

因此，式（7）即可反映出壓邊力和摩擦因數(shù)對(duì)最大減薄率的影響規(guī)律，根據(jù)二者的數(shù)值就可推算出最大減薄率。但實(shí)際生產(chǎn)中，壓邊力可調(diào)整，而摩擦因數(shù)不宜調(diào)整，所以式（7）只能進(jìn)行定性的分析。

由表5中各組數(shù)據(jù)可擬合得出：

5 實(shí)例驗(yàn)證

將仿真得到的最佳工藝參數(shù)組合用于某型行李箱蓋外板零件的生產(chǎn)中，得到了如圖7所示的零件。通過仿真結(jié)果與實(shí)際零件對(duì)比可知，除壓料面外，成型部分的仿真結(jié)果與實(shí)體零件的數(shù)據(jù)非常接近，工件各處材料流動(dòng)趨勢(shì)相同。這說(shuō)明仿真得到的最佳工藝參數(shù)組合方式合理，對(duì)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

以某轎車行李箱蓋外板為例，對(duì)影響沖壓成型的主要工藝參數(shù)壓邊力、摩擦因數(shù)、凸凹模間隙、拉延筋高度進(jìn)行了優(yōu)化組合，通過分析4個(gè)工藝參數(shù)對(duì)成型過程的影響程度，結(jié)合回歸分析方法探討了對(duì)沖壓成型影響最大的2個(gè)工藝參數(shù)的影響規(guī)律。將仿真結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)的零件進(jìn)行了對(duì)比分析，表明了仿真得到的最佳工藝參數(shù)組合方式的合理性。

1LiuZhifeng，ZhangQi，Yang Wentong，et al.Optimization for stamping Process Parameter of Front Fender based on Numerical Simulation Technology.Advanced Materials Research，2010，102-104:232-236.

2岳陸游，姜銀方，陳煒，等.DYNAFORM-PC軟件及其在鈑金沖壓中的應(yīng)用.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002（6）: 51～55.

3陳文亮.板料成型CAE分析教程.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

4Arimura M，Urai M，Iwaya J，et al.Effects of press-forming factors and flash plating on coating exfoliation of galvannealed steel sheets//Galvatech'95conference proceedings. 733～738.

5Phadke M S.Quality engineering Of Robust Design.New Jersey USA:AT&T Bell Laborator，1989.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年9月23日。

Optimization of Forming Process Parameters of Car Trunk Lid Panel

You Xiaohong，Guan Yanjie
（Taiyuan University of Science and Technology）

The forming process of a car trunk lid panel is simulated and researched with software Dynaform，the technique parameters of the stamping process，including blank holder force，friction coefficient，clearances of punch-die and draw bead height were optimized through orthogonal test.The different effects of these factors on the final forming quality were discussed.The results show that the blank holder force and friction coefficient have the greatest effect.The rule of influence of the above two factors affecting forming is investigated with the regression analysis method，and the results of simulation are compared with components in production.The results show that the optimal process parameters obtained with simulation are basically identical with the process parameters in actual production，and result of forming simulation is very close to component data.

Passenger car;Truck lid panel;Stamping;Process parameter

轎車行李箱外蓋板沖壓成型工藝參數(shù)

U463.83

：A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1000-3703（2014）02-0016-03