汽車(chē)左右后輪罩里板沖壓工藝優(yōu)化

何應(yīng)威，朱興元

（武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

汽車(chē)左右后輪罩里板沖壓工藝優(yōu)化

何應(yīng)威，朱興元

（武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430070）

以某車(chē)型左右后輪罩里板為研究對(duì)象，利用AutoForm軟件建立有限元模型。首先確定板料形狀，運(yùn)用正交試驗(yàn)方法研究壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力對(duì)零件成形結(jié)果的影響，由正交試驗(yàn)的結(jié)果，得出了各因素對(duì)左右后輪罩里板成形結(jié)果影響大小依次為：壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力；最優(yōu)參數(shù)組合為：壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15，拉延阻力45N/mm。

沖壓成形；仿真；正交試驗(yàn)；優(yōu)化；汽車(chē)輪罩內(nèi)板

汽車(chē)覆蓋件作為車(chē)身重要組成部分，在新車(chē)型開(kāi)發(fā)中占有重要地位。由于大多數(shù)覆蓋件尺寸大、材料薄、曲面復(fù)雜，導(dǎo)致覆蓋件從造型到成功投產(chǎn)中會(huì)遇到很多困難[1-3]。覆蓋件的開(kāi)發(fā)是通過(guò)CAE仿真模擬覆蓋件沖壓成形過(guò)程，針對(duì)成形過(guò)程中出現(xiàn)的拉裂、起皺等缺陷問(wèn)題，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)，通過(guò)再模擬再更改的方法，使模具結(jié)構(gòu)在生產(chǎn)前實(shí)現(xiàn)最優(yōu)，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期[4-5]。影響覆蓋件成形結(jié)果的因素很多，如何快速尋找最優(yōu)參數(shù)是研究的重點(diǎn)。本文針對(duì)汽車(chē)左右后輪罩里板的沖壓工藝，利用正交設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)據(jù)，為汽車(chē)覆蓋件沖壓工藝優(yōu)化研究奠定基礎(chǔ)。

1 有限元模型建立

汽車(chē)左右后輪罩里板呈圓盆形，型面曲率較大，空間曲面結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，拉延成形過(guò)程中各部分深度變化較大。由于左右兩部分基本對(duì)稱(chēng)，將左右兩件合并在一起采用雙件成形，再經(jīng)過(guò)整形、修邊、沖孔、翻邊、沖側(cè)孔、剖切等工序，最后將左右兩輪罩剖開(kāi)，既節(jié)省材料，又有利于拉伸成形，成形效果良好，最終獲得合格制件[6]。零件圖如圖1所示，零件長(zhǎng)900mm，寬895mm，沖壓深度最大值180mm，選用沖壓材料DC05（特深沖用鋼）。

圖1 零件圖和有限元模型

2 零件成形問(wèn)題的研究

影響覆蓋件成形性能的因素很多，要消除成形過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷可以通過(guò)以下手段：（1）材料方面，根據(jù)成形缺陷重新選擇毛坯材料來(lái)改變零件的成形性；（2）幾何方面，調(diào)整模具幾何參數(shù)，如改變模具間隙或模具圓角半徑等；（3）工藝方面，改變坯料形狀，調(diào)整壓邊力，調(diào)節(jié)拉深筋形狀參數(shù)或改變摩擦等[7]。

2.1 板料形狀確定

根據(jù)零件形狀初步選擇1060mm×1065mm× 0.8mm的矩形板料，在矩形板料的基礎(chǔ)上根據(jù)零件形狀又設(shè)計(jì)出2號(hào)和3號(hào)兩種板料，板料形狀及其成形模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖可知，1號(hào)板料為方形，在沖壓成形過(guò)程中四周板料會(huì)向中間移動(dòng)，但是由于板料為方形，四個(gè)角落存在多余板料，這些多余板料會(huì)限制周?chē)陌辶舷虬寄？诹鲃?dòng)，隨著拉延的繼續(xù)，由于材料流動(dòng)不充分，輪罩底部材料出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，超過(guò)材料變形極限，出現(xiàn)破裂缺陷。2號(hào)板料是在1號(hào)板料的基礎(chǔ)上切除4個(gè)邊角，多余板料切除后成形結(jié)果有明顯好轉(zhuǎn)，但仍然存在拉裂區(qū)域。3號(hào)板料在2號(hào)板料的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，板料形狀更接近于零件形狀，消除了拉裂缺陷。但由于沒(méi)有設(shè)置拉延筋，零件邊緣存在大量起皺。從成形結(jié)果和節(jié)約材料兩方面考慮選擇3號(hào)板料。

圖2 板料形狀及成形模擬圖

2.1 壓邊力對(duì)成形質(zhì)量的影響

壓邊力是影響工件成形的一個(gè)重要參數(shù)。由于壓邊力的存在，板料在模具和壓料板之間流動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力。這些摩擦力會(huì)通過(guò)影響材料流動(dòng)的速度和方向從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料流動(dòng)的控制。壓邊力過(guò)小，無(wú)法有效控制材料的流動(dòng)，從而導(dǎo)致工件起皺；壓邊力過(guò)大，又容易導(dǎo)致工件被拉裂。針對(duì)初步模擬的壓邊力為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整，分別設(shè)定壓邊力為600kN、700kN、800kN、9000kN、1000kN五種工藝水平進(jìn)行模擬。各水平下左右后輪罩里板拉延成形后的板料的最大增厚率和最大減薄率如表1所示。

表1 不同壓邊力下零件最大減薄率與最大增厚率

由表1可以看出，左右后輪罩里板成形時(shí)壓邊力應(yīng)控制在600kN～800kN之間，在此區(qū)間板料成形過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生缺陷。但僅依靠壓邊力的大小來(lái)改善拉延成形質(zhì)量并不能得到非常理想的效果。

2.2 摩擦系數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響

摩擦系數(shù)是影響板料成形結(jié)果的又一重要參數(shù)。板料和模具相互接觸，當(dāng)板料在沖壓過(guò)程中流動(dòng)時(shí)會(huì)與模具之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，由于壓邊力的作用，在接觸表面必然會(huì)產(chǎn)生摩擦，影響板料的流動(dòng)。摩擦系數(shù)過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中模具表面溫度升高加快，降低凸凹模的使用壽命；摩擦系數(shù)過(guò)小引起進(jìn)料速度過(guò)快，易產(chǎn)生有起皺等缺陷的工件。將摩擦系數(shù)大小分別設(shè)置為0.13、0.15、0.17、0.19、0.21來(lái)觀察摩擦系數(shù)對(duì)左右后輪罩里板成形結(jié)果的影響。其成形模擬結(jié)果如表2所示。

表2 不同摩擦系數(shù)下零件最大減薄率與最大增厚率

由表2結(jié)果可知，在板料成形時(shí)為了材料較好地流動(dòng)，又不引起起皺等缺陷，左右后輪罩里板成形時(shí)摩擦系數(shù)應(yīng)控制在0.15～0.19之間。

2.2 拉延筋對(duì)成形質(zhì)量的影響

拉延成形過(guò)程中，單一依靠壓邊力提供的阻力，模具和材料間的摩擦力很多時(shí)候還不夠，而板料成形時(shí)又需要一定大小沿周邊適當(dāng)分布的拉力，這時(shí)就需要設(shè)置拉延筋。拉延筋的這一特點(diǎn)，使得它能在較大范圍內(nèi)控制板料的變形情況，從而避免起皺、破裂等多重沖壓缺陷的產(chǎn)生[8]。這里通過(guò)五組不同的參數(shù)來(lái)考究拉延筋阻力對(duì)左右后輪罩里板成形結(jié)果的影響。模擬時(shí)保證材料的基本屬性參數(shù)不變，拉延筋阻力大小分別設(shè)置為0、45N/mm、95N/mm、145N/mm、195N/mm。其成形模擬結(jié)果如表3所示。

表3 不同拉延筋阻力下零件最大減薄率與最大增厚率

由表3結(jié)果可知，左右后輪罩里板成形時(shí)拉延筋阻力應(yīng)該控制在45N/mm～145N/mm之間，在此區(qū)間板料成形情況最理想，不易產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷。

3 成形仿真優(yōu)化

通過(guò)單因素分析可知壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力是影響板料成形最大增厚率和最大減薄率的主要因素[9]。選擇壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力作為主要影響因素，將Z=X（最大增厚率）+Y（最大減薄率）作為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，最優(yōu)化的成形模擬結(jié)果為Z值最小。每個(gè)因素設(shè)計(jì)3個(gè)水平，選用L9（34）正交表，正交試驗(yàn)安排見(jiàn)表4，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)因素水平

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖3 成形極限圖

由極差R分析可知：RA＞RB＞RC，各因素對(duì)沖壓成形結(jié)果的影響程度大小為A＞B＞C，壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力。根據(jù)Z值最小，成形結(jié)果最優(yōu)，因此左右后輪罩里板成形結(jié)果最優(yōu)的各因素最佳組合為A2B1C1，即壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15，拉延筋阻力45N/mm。最優(yōu)組合參數(shù)下的左右后輪罩里板成形極限圖和厚度變化圖如圖3、圖4所示。

圖4 厚度變化圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)分析模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋阻力對(duì)汽車(chē)左右后輪罩里板的成形結(jié)果都有較大影響。對(duì)汽車(chē)左右后輪罩里板成形最為有利的各因素取值范圍分別為：壓邊力大小取值范圍為600kN～800kN，摩擦系數(shù)大小取值為0.15～0.19，拉延筋阻力大小取值為45N/mm～145N/mm。

（2）通過(guò)正交試驗(yàn)挑選最優(yōu)參數(shù)組合，將最大增厚率與最大減薄率之和作為正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由正交試驗(yàn)結(jié)果，得出各因素對(duì)左右后輪罩里板成形結(jié)果影響大小依次為：壓邊力＞摩擦系數(shù)＞拉延筋阻力。最優(yōu)參數(shù)組合為：壓邊力700kN、摩擦系數(shù)0.15、拉延阻力45N/mm。最優(yōu)結(jié)果的最大增厚率為8.1％，最大減薄率為20.8％。此時(shí)零件基本都處于安全部分，沒(méi)有拉裂區(qū)域，有極少部分拉裂傾向區(qū)域和起皺區(qū)域，但不影響零件使用。

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HE Yingwei,ZHU Xingyuan
（School of Materials Science＆amp;Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China）

Taking the inner plate of the rear wheel of for some model of automobile as the research object, the finite element model has been established by use of AutoForm software.The blank shape has been firstly determined.The application of blank holder force,friction coefficient,drawbead resistance to the forming results has been studied through orthogonal test.From the orthogonal test results,the influence order of each factors to forming result is as follows：the blank holder force＞friction coefficient＞drawbead restraining force.The optimum parameter combination is with 700kN blank holder force,0.15 friction coefficient, 45N/mm draw bead restraining force.

Stamping;Simulation;Orthogonal test;Optimization

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.026

1672-0121（2016）05-0089-03

2016-05-13；

2016-07-05

何應(yīng)威（1991-），男，博士，從事金屬材料及成形技術(shù)研究。E-mail：497459864@qq.com