高強(qiáng)鋼控制臂件沖壓工藝優(yōu)化及穩(wěn)健性分析

賀亞芳，吳會(huì)平，李細(xì)鋒，毛祺棟

(1.上海匯眾汽車制造有限公司，上海 201805;2.上海交通大學(xué) 塑性成形技術(shù)與裝備研究院，上海 200030)

板料沖壓成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、兵器等眾多領(lǐng)域.沖壓成形過程中，工藝參數(shù)如壓邊力、拉延筋系數(shù)、模具工作部分尺寸等設(shè)計(jì)不合理會(huì)引起起皺、破裂等缺陷.材料性能及厚度波動(dòng)、模具狀況及潤滑條件等變化，會(huì)對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性造成影響.傳統(tǒng)的工藝優(yōu)化主要依靠經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，消除沖壓件缺陷，但無法分析材料性能波動(dòng)等對(duì)大批量生產(chǎn)的穩(wěn)定性的影響.因此，設(shè)計(jì)階段考慮材料性能及厚度等波動(dòng)的影響，制定穩(wěn)健的工藝方案，降低廢品率，提高沖壓件質(zhì)量的穩(wěn)定性很有必要.

已有很多學(xué)者對(duì)沖壓工藝穩(wěn)健優(yōu)化進(jìn)行了研究.湯禹成等［1］提出了基于支持向量機(jī)和重要度抽樣的板料成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，量化噪聲因素對(duì)成形質(zhì)量的影響，同時(shí)結(jié)合優(yōu)化算法求解既滿足質(zhì)量可靠性又保證質(zhì)量目標(biāo)最優(yōu)的工藝條件，且用高強(qiáng)度鋼板沖壓實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性.李玉強(qiáng)等［2］將質(zhì)量工程中的6σ理念與雙響應(yīng)面法［3］相結(jié)合，提出基于雙響應(yīng)面模型的6σ穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.潘爾順等［4］提出一種將有限元法和田口法［5-6］相結(jié)合進(jìn)行穩(wěn)健設(shè)計(jì)的簡單實(shí)用方法，進(jìn)行了V形件沖壓加工建模參數(shù)的穩(wěn)健性設(shè)計(jì)分析，并用實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.林忠欽等［7］利用有限元仿真技術(shù)，采用復(fù)合設(shè)計(jì)方法，得到?jīng)_壓件質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及其影響因素的回歸公式，實(shí)現(xiàn)了沖壓成形過程的穩(wěn)健設(shè)計(jì)，并用試驗(yàn)證明了回歸公式的正確性和沖壓穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法的可行性.謝延敏［8］提出基于動(dòng)態(tài) king 模型［9］的沖壓成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)方法，并應(yīng)用到Numisheet93盒形件成形中進(jìn)行穩(wěn)健優(yōu)化，取得了較好的效果.張?bào)K超等［10］通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲取影響零件成形質(zhì)量敏感設(shè)計(jì)變量，并在質(zhì)量指標(biāo)與設(shè)計(jì)變量間建立響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，通過蒙特卡洛方法評(píng)估質(zhì)量指標(biāo)波動(dòng)特性，建立優(yōu)化模型并獲得穩(wěn)健最優(yōu)工藝解.

本文研究對(duì)象為高強(qiáng)度鋼控制臂零件，如圖1所示.高強(qiáng)度鋼控制臂零件拐角處拉深深度大于35 mm，成形難度較大，同時(shí)，控制臂零件有裝配關(guān)系，還必須考慮剛度要求［11］.控制臂零件的主要工序?yàn)槁淞?、預(yù)成形、拐角處切邊、成形及拐角處局部翻邊、修邊側(cè)修、翻邊、沖孔、整形.模擬發(fā)現(xiàn):拐角處局部翻邊時(shí)料厚減薄量大，切邊線以外有開裂風(fēng)險(xiǎn).材料波動(dòng)與工藝因素會(huì)增加廢品率，將材料性能參數(shù)等作為噪聲變量輸入，分析檢查沖壓工藝的穩(wěn)定性，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整工藝條件，從而達(dá)到期望的穩(wěn)健性目標(biāo)［12］.

本文采用AutoForm軟件的sigma功能模塊研究壓邊力大小、模具間隙、拐角處局部翻邊模圓角對(duì)減薄率的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，降低拐角處局部翻邊時(shí)的減薄率，從而提高產(chǎn)品的合格率.

采用靜力隱式有限元軟件AutoForm對(duì)控制臂零件進(jìn)行仿真計(jì)算，材料厚度為3.8 mm，材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示.計(jì)算時(shí)的工藝參數(shù)設(shè)置如下:壓邊力3 MPa，摩擦系數(shù)0.15.

1 成形性分析

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

圖2是拐角處局部翻邊后的成形性結(jié)果，圖3是控制臂翻邊后的成形性模擬結(jié)果，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，局部翻邊后拐角處有破裂風(fēng)險(xiǎn)，但是破裂風(fēng)險(xiǎn)位于修邊線外面.

圖2 拐角局部翻邊成形性圖

圖3 控制臂翻邊成形性云圖

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，影響拐角處材料減薄的因素主要有模具圓角半徑、凸凹模間隙、拐角處拉深深度大且本身拐角有阻力.經(jīng)過測量，拐角處底部與側(cè)壁間、拐角處兩側(cè)壁間的圓角半徑已經(jīng)足夠大，所以，利用AutoForm軟件的sigma功能模塊分析設(shè)計(jì)參數(shù)如凸凹模間隙、壓邊力、摩擦系數(shù)、板料尺寸等對(duì)拐角處減薄率的影響.

2 穩(wěn)健性分析

本文應(yīng)用 6σ［13-15］理論，進(jìn)行沖壓成形模擬的敏感度分析、優(yōu)化和穩(wěn)健性分析.σ為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，用于評(píng)價(jià)樣本的離散程度.6σ代表很高的質(zhì)量水平，它表達(dá)當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量均值與目標(biāo)之間存在不超過1.5σ的偏移時(shí)，報(bào)廢件不超過3.4×10-6.圖4為6σ條件下質(zhì)量分布示意圖.

圖4 6σ條件下質(zhì)量分布示意圖

2.1 敏感性分析

根據(jù)圖2基礎(chǔ)模擬結(jié)果，拐角處很小的黃色區(qū)域代表有破裂趨勢(shì)，需要利用RE:Performance Analysis Design分析模型分析對(duì)拐角處料的減薄率影響大的因素.首先，將預(yù)成形模具間隙T1(1.0t～1.3t，t代表料厚)、局部翻邊模間隙T2(1.0t～1.3t)、預(yù)成形壓邊力P1(2.5～4.0 MPa)、拐角處局部翻邊時(shí)壓邊力P2(2.5～4.0 MPa)、摩擦系數(shù) μ(0.13～0.17)、板料輪廓尺寸S(±1 mm)等作為設(shè)計(jì)變量，考察這些變量對(duì)拐角部位減薄率的影響.由圖5可知，預(yù)成形模具間隙(T1)、局部翻邊模間隙(T2)對(duì)拐角部分的減薄率有較大影響.

圖5 設(shè)計(jì)變量對(duì)減薄率影響餅圖

2.2 穩(wěn)健性分析

將坯料位置、料片厚度、摩擦系數(shù)、塑性應(yīng)變比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、板料尺寸等作為噪聲變量輸入，分析當(dāng)前工藝的穩(wěn)健性.觀察圖6成形性Cp值云圖，拐角處切邊線外有黃色風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，在給定的噪聲變量輸入條件下，每1 000件產(chǎn)品中有0.07～2.70件次品，成形結(jié)果不穩(wěn)定，需要控制.

圖6 成形性Cp值分布云圖

表2為拐角處風(fēng)險(xiǎn)區(qū)在不同的質(zhì)量水平下所允許的變薄率下限，結(jié)合圖7風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的減薄率下限云圖，可以得出滿足指定3σ質(zhì)量條件下，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域允許的變薄率下限為30.1%，對(duì)該控制臂件材料來說，變薄率過大.為了提高穩(wěn)健性及σ水平，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)變量.

2.3 穩(wěn)健性優(yōu)化

根據(jù)敏感性分析結(jié)果，選用局部翻邊模間隙、預(yù)成形模具間隙為變量，3σ水平設(shè)為目標(biāo)，成形過程能力Cp值1.0，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算.

圖8為最優(yōu)結(jié)果的最大減薄率云圖，最大減薄率為25.7%;圖9為減薄率的中值結(jié)果，對(duì)應(yīng)的最大減薄率為25.9%.表3中，最優(yōu)結(jié)果對(duì)應(yīng)的局部翻邊模間隙為4.75 mm、預(yù)成形模具間隙為3.92 mm;中值結(jié)果對(duì)應(yīng)的局部翻邊模間隙為4.56 mm、預(yù)成形模具間隙為4.05 mm.

圖8 最優(yōu)結(jié)果減薄率云圖(最大減薄率25.7%)

圖9 減薄率中值結(jié)果(最大減薄率25.9%)

表3 最優(yōu)結(jié)果對(duì)應(yīng)的模具間隙與中值結(jié)果對(duì)應(yīng)的模具間隙

2.4 優(yōu)化后的穩(wěn)健性分析

采用優(yōu)化后的局部翻邊模間隙、預(yù)成形模具間隙值，其他噪音變量不變，再次進(jìn)行穩(wěn)健性分析.表4是穩(wěn)健優(yōu)化后拐角處變薄率下限與質(zhì)量水平對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖10為成形性Cp值分布云圖.從圖10可知，拐角部分修邊線外的黃色風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有很大改善，在給定的噪聲變量輸入條件下，每1 000件產(chǎn)品中次品數(shù)量不超過0.07件，成形結(jié)果可靠.

表4 穩(wěn)健優(yōu)化后拐角處變薄率下限與質(zhì)量水平對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖10 成形性Cp值分布云圖

對(duì)比表2優(yōu)化前拐角處變薄率下限與質(zhì)量水平對(duì)應(yīng)關(guān)系，再結(jié)合圖7與圖11，可以看出，3σ質(zhì)量水平下，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域允許的變薄量下限從30.1%提高到27.9%.

圖11 3σ水平下風(fēng)險(xiǎn)區(qū)變薄率下限云圖

3 試驗(yàn)對(duì)比

圖12為試模件.按照?qǐng)D13所示，在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)拐角部位取12個(gè)觀察點(diǎn)，測量各個(gè)點(diǎn)的厚度;按照優(yōu)化后的預(yù)成形模具間隙值4.05 mm、局部翻邊模間隙4.56 mm進(jìn)行模擬，從模擬結(jié)果中記錄與試模件上12個(gè)觀察點(diǎn)位置近似的點(diǎn)的厚度值;將實(shí)測值與模擬結(jié)果值進(jìn)行對(duì)比，列于表5中，可以得出結(jié)論:最大誤差小于6%，吻合度較好.

圖12 試模件

圖13 試模件上取點(diǎn)位置示意圖

表5 模擬結(jié)果與試模件厚度對(duì)比

4 結(jié)論

1)分析了控制臂零件的成形性，局部翻邊后拐角處有破裂風(fēng)險(xiǎn)，但是破裂風(fēng)險(xiǎn)位于修邊線外面.

2)研究了影響控制臂局部過度減薄甚至開裂的主要因素，發(fā)現(xiàn)局部翻邊模間隙、預(yù)成形模具間隙對(duì)拐角部分的減薄率有重大影響.經(jīng)過優(yōu)化，最優(yōu)結(jié)果對(duì)應(yīng)的局部翻邊模間隙為4.75 mm、預(yù)成形模具間隙為3.92 mm;中值結(jié)果對(duì)應(yīng)的局部翻邊模間隙為4.56 mm、預(yù)成形模具間隙為4.05 mm.

3)將坯料位置、料片厚度、摩擦系數(shù)、塑性應(yīng)變比、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、板料尺寸等做為噪聲變量進(jìn)行穩(wěn)健分析，分別采用優(yōu)化前后的局部翻邊模間隙、預(yù)成形模具間隙值，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后，3σ質(zhì)量水平下，風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域允許的變薄量下限從30.1%提高到27.9%;拐角部分修邊線外的黃色風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有很大改善.

4)對(duì)比模擬結(jié)果和試模件上12個(gè)點(diǎn)的厚度值，最大誤差小于6%，吻合度較好.

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