汽車左后支柱里板拉延成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

朱興元，王幫貴，尹士東，劉鵬翔

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司沖焊工廠，湖北武漢430056）

汽車左后支柱里板拉延成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化

朱興元1，王幫貴1，尹士東2，劉鵬翔1

（1.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070；2.東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司沖焊工廠，湖北武漢430056）

以某車型左后支柱里板為研究對(duì)象，首先對(duì)零件進(jìn)行了工藝分析和拉延成形有限元模擬設(shè)計(jì)。結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)零件拉延成形進(jìn)行數(shù)值模擬，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合：壓邊力F=700kN，各段拉延筋阻力系數(shù)分別為X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。極差分析結(jié)果表明，對(duì)最大減薄率來說影響順序?yàn)椋篎＞X1＞X3＞X4＞X2，對(duì)起皺參數(shù)來說影響順序?yàn)椋篎＞X1＞X4＞X2＞X3。使用優(yōu)化的參數(shù)組合進(jìn)行試沖試驗(yàn)，試制件無破裂、起皺等缺陷，成形質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求。

后支柱里板；拉延成形；正交試驗(yàn)；多目標(biāo)優(yōu)化

影響板料沖壓成形質(zhì)量的工藝參數(shù)眾多，以質(zhì)量目標(biāo)為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化一直備受關(guān)注。戚鵬等[1]在約束變薄量的條件下，基于遺傳算法建立了板料成形回彈控制的優(yōu)化模型和優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的優(yōu)化。近年來，艾鋒[2]基于Design-Expert軟件對(duì)壓邊力、拉延筋阻力系數(shù)和摩擦因素3因子進(jìn)行了中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)值模擬和Design-expert軟件建立了拉裂、起皺之間的數(shù)學(xué)模型，獲取了汽車擋泥板最優(yōu)參數(shù)組合。周杰等[3]在研究封頭沖壓成形時(shí)，結(jié)合Matlab和Design-Expert軟件建立了參數(shù)變量和目標(biāo)量之間的二階響應(yīng)面模型，實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。肖存云等[4]研究高強(qiáng)縱梁內(nèi)板拉深成形時(shí)，利用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)獲取樣本點(diǎn)，構(gòu)建工藝參數(shù)和目標(biāo)量之間的響應(yīng)面模型，并采用NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法獲得了合理的工藝參數(shù)組合。夏江梅等[5]在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用Design-Expert軟件優(yōu)化了前隔板沖壓成形工藝參數(shù)?？梢?，試驗(yàn)設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化相結(jié)合可以方便、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)沖壓成形工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化。本文以某車型左后支柱里板為研究對(duì)象，針對(duì)零件拉延成形易出現(xiàn)破裂、起皺等缺陷，將數(shù)值模擬與正交試驗(yàn)相結(jié)合，研究了壓邊力和拉延筋阻力系數(shù)對(duì)零件拉延成形質(zhì)量的影響。然后利用Design-Ex-pert軟件實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化，獲取最優(yōu)參數(shù)組合，為試模和生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 工藝分析及有限元模擬設(shè)計(jì)

1.1 工藝分析

圖1是某車型左后支柱里板三維數(shù)模。后支柱里板位于車身側(cè)圍后半部，側(cè)圍總成的內(nèi)側(cè)。后支柱里板通常是一個(gè)大且復(fù)雜的零件，有較大的拉延深度，存在沖壓負(fù)角，在沖壓工藝上容易發(fā)生破裂[6]。圖1所示是后支柱里板左件，右件和左件基本對(duì)稱，但不完全相同。材料為DC05，厚度為0.7mm。通過分析，擬定后支柱里板沖壓工藝方案為OP10落料，OP20拉延，OP30修邊沖孔，OP40修邊沖孔，OP50翻邊整形5道工序。

圖1 左后支柱里板三維數(shù)模

左后支柱里板尺寸約為1005mm×620mm×60mm。零件形狀極不規(guī)則，上下有兩個(gè)尺寸較大的異形孔，而且零件內(nèi)部還有許多小孔。零件周邊修邊輪廓也不規(guī)則，同時(shí)曲面深度變化也較明顯。零件要求不允許有拉裂、起皺等缺陷。工程上解決這種對(duì)稱件常以左右件合二為一拉延成形，然后剖切得到左右件。由于零件尺寸大，且加工工序復(fù)雜，合二為一不利于提高材料利用率和工程生產(chǎn)應(yīng)用，所以零件拉延成形采用雙槽結(jié)構(gòu)模具，左右件一起生產(chǎn)。

1.2 有限元模型

以零件三維數(shù)模為基礎(chǔ)，在UG中完成工藝補(bǔ)充和壓料面的設(shè)計(jì)獲得零件三維片體拉延造型。AutoForm軟件專注于金屬板料沖壓成形，通過其對(duì)板料的CAE模擬調(diào)試，可以達(dá)到預(yù)見性的質(zhì)量控制[7]。將左后支柱里板拉延造型轉(zhuǎn)換成IGS格式后導(dǎo)入到AutoForm中，模擬采用Incremental增量算法，模擬類型為單動(dòng)拉延。定義材料為DC05，料厚0.7mm。板料采用onestep（一步成形法）估算后經(jīng)過圓整獲得，已固定在最佳水平。壓邊力按照公式估算約為550～650kN。初次模擬采用較小值500kN。其他按缺省設(shè)置。分別定義凹模、凸模和壓邊圈的屬性，得到零件拉延有限元模型如圖2所示。

圖2 拉延有限元模型

1.3 拉延筋設(shè)計(jì)

拉延筋在調(diào)節(jié)進(jìn)料速度、改善板料流動(dòng)阻力、防止起皺等方面有著明顯效果。有限元模擬常采用等效拉延筋模型，它是用一系列編號(hào)連續(xù)的節(jié)點(diǎn)所組成的線表示拉延筋，保證模擬精度的同時(shí)，也大大節(jié)省仿真計(jì)算時(shí)間[8]。根據(jù)零件特點(diǎn)布置拉延筋形式及大小分布可以獲得滿意的結(jié)果[9]。初步沿凹?？谠O(shè)置一圈環(huán)形變拉延筋，各點(diǎn)的位置及阻力系數(shù)值如圖3所示。為了方便后續(xù)優(yōu)化，P1P2、P3P4、P5P6和P7P8段的阻力系數(shù)分別用X1、X2、X3和X4來表示。

1.4 工藝切口添加

模擬分析發(fā)現(xiàn)，在較小的壓邊力條件下，拉延型面左邊凸起窗口下方側(cè)壁已發(fā)生破裂，型面內(nèi)出現(xiàn)較多的起皺和拉深不足。針對(duì)零件局部反拉深深度較大的凸起窗口發(fā)生的破裂，且這時(shí)不能通過調(diào)節(jié)過渡圓角和傾斜側(cè)壁的方式解決，可以從材料內(nèi)部得到補(bǔ)充材料改善破裂區(qū)材料的流動(dòng)，考慮在左邊凸起窗口邊緣添加工藝切口。如圖3所示，工藝切口布置在易破裂的凸起邊緣。模擬設(shè)置拉延結(jié)束前10mm刺破。工藝切口的時(shí)間、位置和大小要在試沖試驗(yàn)后決定[10]。

圖3 拉延筋布置和工藝切口位置

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

板料成形過程中，許多因素會(huì)影響零件的最終成形質(zhì)量。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從眾多因素中挑選一些具有代表性、典型性的因素，應(yīng)用正交表安排多因素試驗(yàn)，可極大減少試驗(yàn)次數(shù)，提高模擬分析效率[11]。壓邊力和拉延筋阻力系數(shù)是研究比較多的工藝參數(shù)，且對(duì)后支柱里板拉延成形質(zhì)量影響顯著。本文選取壓邊力和P1P2、P3P4、P5P6和P7P8段阻力系數(shù)為試驗(yàn)因素，因素的水平范圍由單因素試驗(yàn)和最陡爬坡試驗(yàn)確定。然后利用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法獲取最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用5因素4水平正交試驗(yàn)方案，正交試驗(yàn)的因素和水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)的因素和水平

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

模擬發(fā)現(xiàn)，后支柱里板成形缺陷主要為破裂、起皺和拉深不足。對(duì)于內(nèi)板件拉深不足要求相對(duì)低一些，可不作為重點(diǎn)考察。破裂一般可以由最大減薄率判斷，起皺參數(shù)可以準(zhǔn)確地判斷零件的起皺趨勢。因此，以最大減薄率和起皺參數(shù)為成形質(zhì)量評(píng)價(jià)目標(biāo)。按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別進(jìn)行了16次模擬試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果記錄于表2。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

2.3 極差分析

極差分析可獲得壓邊力和各段拉延筋阻力系數(shù)對(duì)最大減薄率和起皺參數(shù)影響的敏感程度。表3是極差分析結(jié)果，由表可知：對(duì)最大減薄率來說影響順序?yàn)椋篎＞X1＞X3＞X4＞X2，對(duì)起皺參數(shù)來說影響順序：F＞X1＞X4＞X2＞X3。

表3 極差分析結(jié)果

2.4 多目標(biāo)優(yōu)化

為獲得合格的拉延件，采用多目標(biāo)優(yōu)化來獲取最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。對(duì)于普通板，最大減薄率應(yīng)控制在25％以內(nèi)。此外，內(nèi)板件起皺參數(shù)不應(yīng)超過0.005[12]。為了控制最大減薄率和起皺參數(shù)在合理的范圍，使兩者同時(shí)達(dá)到最優(yōu)化，多目標(biāo)優(yōu)化的質(zhì)量目標(biāo)和約束為：

起皺參數(shù)＜0.005

表4是使用Design-Expert軟件，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果獲得的部分多目標(biāo)優(yōu)化工藝方案。

其中期望度最高的即可作為最優(yōu)的參數(shù)組合，所以多目標(biāo)優(yōu)化后的最佳工藝參數(shù)組合為：F= 700kN，X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。在這組參數(shù)下重新模擬運(yùn)算，模擬結(jié)果最大減薄率為24.1％，起皺參數(shù)為0.00291。模擬結(jié)果和多目標(biāo)優(yōu)化期望結(jié)果相對(duì)誤差小于3％，多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果可信度較高。圖4是多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)組合下的模擬結(jié)果和成形極限圖，由圖可知，拉延件產(chǎn)品面內(nèi)無破裂、起皺缺陷，發(fā)生起皺的區(qū)域位于修邊線以外。存在少量的拉深不足不會(huì)對(duì)零件造成很大的影響。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用多目標(biāo)優(yōu)化的工藝參數(shù)組合對(duì)后支柱里板進(jìn)行試沖試驗(yàn)。由于雙件沖壓，壓邊力此時(shí)用單件的兩倍，為1400kN。左右件拉延筋根據(jù)零件特點(diǎn)對(duì)稱布置，實(shí)際拉延筋是由虛擬拉延筋轉(zhuǎn)化獲得，板料采用武鋼DC05。汽車左后支柱里板拉延成形試沖件如圖5所示，由圖可知，零件產(chǎn)品面成形質(zhì)量良好，不存在破裂/起皺缺陷，同時(shí)修邊線內(nèi)拉深不足區(qū)域拉延較為充分。經(jīng)試沖件實(shí)測厚度計(jì)算，產(chǎn)品面減薄率均在合格范圍之內(nèi)，滿足生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)左后支柱里板拉延成形進(jìn)行數(shù)值模擬，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合：壓邊力F=700kN，各段拉延筋阻力系數(shù)分別為X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。

（2）通過極差分析得到壓邊力和各段拉延筋阻力系數(shù)對(duì)最大減薄率和起皺參數(shù)影響的敏感程度。對(duì)最大減薄率來說影響順序?yàn)椋篎＞X1＞X4＞X3＞X2，對(duì)起皺參數(shù)來說影響順序：F＞X1＞X4＞X2＞X3。

（3）在多目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)組合下模擬結(jié)果最大減薄率為24.1％，起皺參數(shù)為0.00291。模擬結(jié)果和多目標(biāo)優(yōu)化期望結(jié)果相對(duì)誤差小于3％，多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果可信度較高。試沖試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)化模擬結(jié)果基本一致，滿足生產(chǎn)要求。表明基于正交試驗(yàn)的多目標(biāo)優(yōu)化方法可用于沖壓成形工藝參數(shù)的優(yōu)化。

表4 工藝優(yōu)化方案

圖4 優(yōu)化參數(shù)組合的成形極限圖

圖5 左后支柱里板拉延成形產(chǎn)品圖

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M ulti-objective optim ization on draw ing process parameters of left HOOD OTR for automobile

ZHU Xingyuan1,WANG Banggui1,YIN Shidong2,LIU Pengxiang1
（1.School of Materials Science＆amp;Engineering，Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China; 2.Stamping＆amp;Welding Factory,Dongfeng Die＆amp;Stamping Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430056,Hubei China）

Taking the left HOOD OTR of some model of car as research object,the finite element simulation design has been conducted to the process analysis and drawing process of the part.The numerical simulation has been established to the drawing process of the part by combining with orthogonal test.The multi-objective optimization method has been adopted to obtain the optimum process parameter combination.The blank holder force F is 700kN while each draw-bead resistance coefficient X1is 0.30，X2is 0.80，X3is 0.45 and X4is 0.75 respectively.The results by extreme difference analysis indicate that the influence order for maximum thinning rate is：F＞X1＞X3＞X4＞X2and for wrinkle parameter is：F＞X1＞X4＞X2＞X3.The stamping test has been carried out by use of the optimal parameters.It shows that the part is free of cracking and wrinkling defects,etc.The forming quality can meet the standards of production.

HOOD OTR;Drawing;Orthogonal experiment;Multi-objective optimization

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.025

1672-0121（2016）05-0085-04

2016-04-27；

2016-06-15

朱興元（1964-），男，副教授，博士，從事材料成形計(jì)算機(jī)模擬。E-mail：zhu.xingyuan@hotmail.com