汽車后風(fēng)擋橫梁沖壓工藝仿真分析與優(yōu)化設(shè)計

劉斐然 縱榮榮 李樂樂 李夢薇 鹿榮貴 李海鵬

摘要 以某汽車后風(fēng)擋橫梁為研究對象，通過UG軟件建立產(chǎn)品的三維數(shù)模，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及沖壓工藝分析，擬定其沖壓方案為拉延、修邊沖孔和翻邊沖孔?；贒ynaform有限元分析平臺，對其拉延成型過程進行有限元數(shù)值仿真，獲得了潤滑條件、拉延速度、拉延筋、模具間隙對拉延成型質(zhì)量的影響，并采用正交實驗方法對各工藝參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，確定了最優(yōu)的工藝參數(shù)組合：拉延速度為1 000 mm/s，壓邊力為420 kN，坯料與凸模間摩擦系數(shù)為0.075（半干摩擦），坯料與凹模間摩擦系數(shù)為0.05（邊界摩擦），模具間隙為1.2 mm。模擬結(jié)果表明，采用優(yōu)化后的沖壓工藝參數(shù)可以有效預(yù)防零件的起皺、開裂等缺陷。

關(guān) 鍵 詞 后風(fēng)擋橫梁;冷沖壓;工藝設(shè)計;數(shù)值模擬;正交實驗

中圖分類號 TG386.1 ? ? 文獻標志碼 A

Stamping process simulation analysis and optimization design for a car-rear-windshield-cross beam

LIU Feiran1， ZONG Rongrong2， LI Lele2， LI Mengwei1， LU Ronggui1， LI Haipeng1，2

（1. School of Materials Science and Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China; 2. Tianjin Jinliyan Automobile Engineering and Technology Co.， Ltd.， Tianjin 300392， China ）

Abstract The car-rear-windshield-cross beam was adopted as the research object. With its 3D digital model established by UG software and considering the structural features and technical analysis of the product， the stamping process plan was determined as drawing， trimming & piecing and flanging & piecing. The finite element numerical simulation of the drawing process was performed by the Dynaform finite element analysis platform. The influence of blank-holder force， lubrication condition， drawing speed， drawbead and die clearance on the forming quality were obtained. Then orthogonal experimental method was applied to optimize its process parameters and determine the optimal combination of process parameters， that is， draw speed of 1 000 mm/s， blank-holder force of 420 kN， friction coefficient between blank and punch of 0.075 （semi-dry lubrication）， friction coefficient between the blank and the die of 0.05 （boundary lubrication）， and die clearance of 1.2 mm. The simulation results indicate that the optimized stamping process parameters can effectively avoid the defects of the part such as wrinkling and cracking .

Key words rear-windshield-cross beam; cold stamping; process design; numerical simulation; orthogonal experiment

0 引言

目前，在冷沖壓模具設(shè)計與制造產(chǎn)業(yè)中，用于汽車制造領(lǐng)域的沖壓模具約占總模具數(shù)量的三分之一左右[1]。汽車覆蓋件模具是汽車模具的重要組成部分，汽車的制造成本、開發(fā)周期和整車性能都與模具設(shè)計與制造水平密切相關(guān)。然而，區(qū)別于常規(guī)沖壓件，汽車覆蓋件具有復(fù)雜曲面形狀、零件尺寸大、材料厚度薄、成型難度大等特點，導(dǎo)致汽車覆蓋件模具設(shè)計與制造難度大、成本高、周期長、質(zhì)量難以控制等問題[2]。隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，為提高市場競爭力，汽車制造商在提高汽車質(zhì)量的同時，要求大幅縮減模具研發(fā)和制造周期，這對汽車模具設(shè)計與制造水平提出了更高要求。因此，縮減汽車模具研發(fā)周期、提高汽車覆蓋件成型質(zhì)量、降低模具成本已成為汽車模具行業(yè)的發(fā)展目標。

經(jīng)驗類比法是傳統(tǒng)汽車覆蓋件模具設(shè)計過程中普遍采用的方法，但其存在工藝過程繁瑣、周期長、成本高、準確性差等弊端，制約了汽車模具行業(yè)的發(fā)展，提高汽車覆蓋件模具的設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期已成為當(dāng)前汽車模具行業(yè)生存和發(fā)展的要務(wù)[3-5]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助工程（CAE）技術(shù)及相關(guān)軟件在汽車模具領(lǐng)域的應(yīng)用已成為必然趨勢。在汽車覆蓋件產(chǎn)品設(shè)計和模具設(shè)計階段，采用數(shù)值模擬技術(shù)分析汽車覆蓋件可能出現(xiàn)的成型缺陷（例如：回彈、起皺、拉裂、劃傷、成型不足等），并對產(chǎn)品設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)和沖壓成型工藝參數(shù)進行優(yōu)化，已成為汽車模具研發(fā)過程中的必要環(huán)節(jié)[6-10]，科研人員也開展了該領(lǐng)域的相關(guān)研究。例如，為使汽車行李箱門獲得良好的沖壓成型效果，王守峰等[11]利用數(shù)值模擬軟件Dynaform對其成型過程進行了模擬研究，預(yù)測了該產(chǎn)品可能出現(xiàn)的裂紋、起皺等成型缺陷并進行了工藝優(yōu)化;陳吉清等[12]分析了汽車翼子板的沖壓工藝參數(shù)，將正交實驗設(shè)計方法與沖壓數(shù)值模擬相結(jié)合，獲得了最佳的工藝參數(shù)。實踐證明，數(shù)值模擬技術(shù)是高效開發(fā)合理模具結(jié)構(gòu)的有效途徑之一。

本文以某汽車后風(fēng)擋橫梁為研究對象，首先，利用UG軟件進行產(chǎn)品三維建模，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及工藝分析，初步擬定產(chǎn)品的沖壓工藝方案;其次，利用有限元分析軟件Dynaform，重點針對易出現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的拉延成型過程進行仿真模擬，采用控制變量法（即控制其他工藝參數(shù)不變，只改變單一變量）分析了壓邊力、潤滑條件、拉延速度、拉延筋、模具間隙對拉延成型質(zhì)量的影響;再次，基于上述分析結(jié)果，對拉延成型質(zhì)量有較大影響的工藝參數(shù)，進一步采用正交實驗方法對其進行優(yōu)化設(shè)計，確定最佳的工藝參數(shù)組合;最后，通過生產(chǎn)實踐驗證的方式，檢驗上述方法的可行性和準確性，從而保證該產(chǎn)品的成型質(zhì)量，為該產(chǎn)品的沖壓工藝設(shè)計和生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)，同時也為同類產(chǎn)品的冷沖壓工藝設(shè)計與分析提供參考。

1 建立三維數(shù)模

圖1所示為采用UG軟件構(gòu)建的某汽車后風(fēng)擋橫梁三維數(shù)模，外形尺寸約為920 mm×180 mm，厚度為1.0 mm。該產(chǎn)品材料牌號為B170P1，具有較好的綜合力學(xué)性能和成型性能，被廣泛應(yīng)用于汽車零部件。其主要性能指標為：密度為7.85 g/cm3、屈服強度為170～260 MPa、抗拉強度為340 MPa、泊松比為0.28、斷后伸長率為38%、硬化指數(shù)為0.231、板料厚向指數(shù)為2.110。將圖1所示的產(chǎn)品三維數(shù)模導(dǎo)入Dynaform軟件后，采用Dynaform軟件中的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能、belytschko-tsay（BT）殼單元對三維數(shù)模進行有限元網(wǎng)格劃分（網(wǎng)格尺寸10 mm），得到用于該產(chǎn)品成型模擬分析的有限元網(wǎng)格模型。

2 沖壓工藝性分析及工序確定

該款后風(fēng)擋橫梁產(chǎn)品屬于汽車外覆蓋件，具有如下特點：該零件呈狹長形狀，整體尺寸較大，并且兩端與中間存在明顯高度差，拉延深度較大;形狀比較復(fù)雜，具有多處臺階、凸臺、凹槽;具有6個安裝孔和4個異形孔;產(chǎn)品精度要求較高。對于這類產(chǎn)品，在沖壓成型過程中容易出現(xiàn)變形不均勻、部分區(qū)域減薄量過大、局部變形不足等成型質(zhì)量問題[13]。從板料成型規(guī)律角度分析，該產(chǎn)品的成型屬于拉延和彎曲的復(fù)合成型。因此，為滿足產(chǎn)品的成型要求并保證成型質(zhì)量，需要對該產(chǎn)品進行必要的工藝補充，并通過添加壓料面調(diào)控材料的塑性流動趨勢，提供一定的變形抗力。工藝補充后的產(chǎn)品數(shù)模如圖2所示。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特征分析，結(jié)合實際生產(chǎn)情況，擬定該產(chǎn)品的沖壓工藝方案為：拉延→修邊、沖孔→翻邊、沖孔。其中，拉延工序是該產(chǎn)品成型過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，對于產(chǎn)品的成型質(zhì)量有較大影響[14]。因此，本文將重點討論該產(chǎn)品拉延工序的工藝設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化。

3 拉延工序相關(guān)參數(shù)的設(shè)計與分析

3.1 初始拉延工藝參數(shù)的確定

影響拉延成型質(zhì)量的因素眾多，在工藝設(shè)計及其參數(shù)確定過程中，僅需考慮對成型質(zhì)量影響大的主要工藝參數(shù)，次要工藝參數(shù)通過模具調(diào)試過程中的修模進行調(diào)整即可。根據(jù)冷沖壓模具設(shè)計基本理論[15-16]和前期模具設(shè)計經(jīng)驗，選定壓邊力、潤滑條件、拉延速度、拉延筋、模具間隙5個對拉延成型質(zhì)量影響較大的工藝參數(shù)作為研究對象。根據(jù)理論計算[15-16]和前期設(shè)計經(jīng)驗，確定了上述工藝參數(shù)的初始值，作為后續(xù)采用控制變量法進行工藝參數(shù)研究的依據(jù)。

3.2 壓邊力的設(shè)計

壓邊力是影響板料塑性變形和材料流動均勻性的重要因素之一，合適的壓邊力有利于避免產(chǎn)品起皺和拉裂等主要成型缺陷。因此，首先就壓邊力對沖壓成型質(zhì)量的影響進行研究。在拉延速度V = 1 000 mm/s、模具間隙Z = 1.2 mm、摩擦系數(shù)k = 0.075（即使用液固混合物潤滑劑的半干潤滑狀態(tài)）條件下，壓邊力F分別為0，320，450，550 kN時，該產(chǎn)品拉延成型模擬的成型極限圖（FLD）如圖3所示。由圖3所示FLD可見，無壓邊力時（如圖3a）所示），產(chǎn)品中間部分出現(xiàn)較大區(qū)域的拉延不足;部分法蘭區(qū)域出現(xiàn)起皺現(xiàn)象;雖然在法蘭區(qū)域有拉延不足及起皺現(xiàn)象，但是這些區(qū)域位于外工藝補充面，后續(xù)修邊沖孔工序中將被切除，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是：無壓邊力時，該產(chǎn)品成型主要受拉延變形的控制，法蘭部分為拉延過程中的主變形區(qū)，其主要變形為切向壓縮，因切向壓應(yīng)力超過了板料的臨界壓應(yīng)力，導(dǎo)致法蘭處塑性失穩(wěn)而起皺;同時，由于板料中部材料的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變均較小，導(dǎo)致了拉延不足。如圖3b）、3c）和3d）所示，隨著壓邊力逐漸增大，產(chǎn)品中間拉延不足的情況得到明顯改善，成型不充分區(qū)域和起皺區(qū)域顯著減少且大都集中在壓料面部分。由圖3c）可見，當(dāng)壓邊力達到450 kN時，產(chǎn)品圓角頂部出現(xiàn)了破裂;如圖3d）所示，當(dāng)壓邊力達到550 kN時，破裂情況嚴重，零件的成型性能變差。其原因在于：拉延過程中，過大的壓邊力會使材料流動阻力增加，容易造成部分區(qū)域承載不足，局部的徑向拉應(yīng)力超過了板料的抗拉強度，導(dǎo)致材料嚴重變薄甚至拉裂，影響產(chǎn)品的成型質(zhì)量。根據(jù)上述模擬結(jié)果可知，壓邊力大小對于該產(chǎn)品的成型質(zhì)量有重要影響。為避免成型不足、起皺、拉裂缺陷出現(xiàn)，需要后續(xù)通過正交實驗法對該參數(shù)取值進行進一步研究，正交實驗研究過程中在避免拉裂的320～450 kN之間選取了3個壓邊力水平，即F = 320，370 ，420 kN。

3.3 潤滑條件的設(shè)計

為確定適合該產(chǎn)品成形的最佳潤滑措施，根據(jù)坯料與模具工作零件（凸模、凹模和壓邊圈）之間的摩擦系數(shù)（k）設(shè)計了7種潤滑條件，如表1所示。其中，k = 0.05對應(yīng)使用液固混合物潤滑劑的邊界摩擦狀態(tài)，k = 0.125對應(yīng)使用液體潤滑劑的邊界摩擦狀態(tài)，k = 0.15對應(yīng)使用液體潤滑劑的半干摩擦狀態(tài)，k = 0.2對應(yīng)不使用潤滑劑的干摩擦狀態(tài)。在V = 1 000 mm/s、Z = 1.2 mm、F = 320 kN條件下，采用表1所示的7種潤滑條件進行成型模擬，獲得的拉延件FLD如圖4所示。由圖4可見，在不同潤滑條件下，產(chǎn)品的成型質(zhì)量均不理想，均出現(xiàn)嚴重的起皺或拉裂現(xiàn)象;隨著摩擦系數(shù)增大，起皺區(qū)域逐漸縮小，但拉裂風(fēng)險明顯增大，產(chǎn)品側(cè)壁和頂部圓角拉裂范圍進一步擴大，這是由于較高的摩擦系數(shù)導(dǎo)致板料塑性流動阻力增大，材料延展性不足，從而導(dǎo)致板料開裂。為便于后續(xù)進行控制變量法的模擬分析，將坯料與壓邊圈間摩擦系數(shù)設(shè)為k = 0.075，即使用液固混合物潤滑劑的半干摩擦狀態(tài)。在后續(xù)正交實驗中，將對坯料與凸模、坯料與凹模之間的潤滑狀態(tài)進行進一步討論，以優(yōu)化產(chǎn)品的沖壓成型質(zhì)量。

3.4 拉延速度的設(shè)計

在F = 320 kN、Z = 1.2 mm、坯料與凹模、凸模及壓邊圈摩擦系數(shù)均為k = 0.075條件下，采用不同拉延速度V = 1 000，2 000，3 000 mm/s所獲得的拉延件FLD如圖5所示。由圖5所示拉延速度對拉延成型效果影響的FLD可見，圖5a）和5b）所示產(chǎn)品成型效果良好，外工藝補充面出現(xiàn)局部起皺現(xiàn)象;圖5c）所示產(chǎn)品外工藝補充面出現(xiàn)局部起皺現(xiàn)象，產(chǎn)品圓角頂部出現(xiàn)較小區(qū)域開裂現(xiàn)象，產(chǎn)品側(cè)壁出現(xiàn)較大區(qū)域開裂現(xiàn)象。由此可見，過大的拉延速度容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)拉裂缺陷。合理的拉延速度有利于改善產(chǎn)品成型性能，所以應(yīng)當(dāng)將拉延速度作為后續(xù)正交實驗的因素之一。根據(jù)上述模擬結(jié)果，在正交實驗過程中采用較小的拉延速度以避免拉裂缺陷出現(xiàn)，即V = 600，800，1 000 mm/s。

3.5 拉延筋的設(shè)計

在拉延成型過程中，拉延筋能夠增大材料變形阻力，改變材料的不均勻流動狀況，控制變形區(qū)的毛坯變形程度和分布，減少板料起皺、裂紋、表面扭曲和回彈等成型缺陷，從而改善拉延成型效果[17]。在V = 1 000 mm/s、Z = 1.2 mm、k = 0.075、F = 320 kN條件下，不設(shè)置拉伸筋和設(shè)置拉延筋的拉延件FLD如圖6所示。由圖6所示模擬結(jié)果可知，在無拉延筋設(shè)置的情況下（如圖6a）所示），產(chǎn)品大部分區(qū)域出現(xiàn)變形不足現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的力學(xué)性能，且坯料法蘭處和工藝補充面邊緣均出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，產(chǎn)品圓角頂部也出現(xiàn)較小的開裂區(qū)域。這說明，在無拉延筋狀態(tài)下材料的塑性流動不均勻，導(dǎo)致多種拉延缺陷出現(xiàn)。比較而言，由圖6b）可見，設(shè)置拉延筋后拉延件的起皺和變形不足區(qū)域明顯減少，成型質(zhì)量得到明顯提高。這是因為，拉延筋增大了材料流向凹模的流動阻力，提高了板料所受的徑向拉應(yīng)力、減小了切向壓應(yīng)力，增大了板料變形過程中的脹形變形量，從而使板料各處具有較均勻的變形程度，提高了拉延件質(zhì)量。在模具調(diào)試過程中，可以通過改變拉延筋高度和圓角半徑來調(diào)控板料所受徑向拉應(yīng)力、改變材料的進料阻力、控制材料流動，獲得更好的拉延效果[18]。所以，在后續(xù)正交實驗中，未包括對拉延筋的幾何參數(shù)研究。

3.6 模具間隙的研究

在V = 1 000 mm/s、k = 0.075、F = 320 kN條件下，分別研究了模具間隙Z = 1.0，1.1，1.2，1.4 mm情況下拉延件的成型效果，所得FLD和厚度云圖如圖7所示。

由圖7所示各組的FLD可見，采用不同的模具間隙，各組拉延件成型質(zhì)量均較好，除外工藝補充面出現(xiàn)輕微起皺外，未出現(xiàn)明顯變形不足和開裂缺陷，即改變模具間隙并未明顯影響拉延件的成型質(zhì)量;從厚度云圖觀察產(chǎn)品的變薄率發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模具間隙最小（Z = 1.0 mm）時，如圖7a）所示，產(chǎn)品的變薄率最大（約23%），嚴重減薄出現(xiàn)在拉延件側(cè)壁區(qū)域;其余各組不同模具間隙成型的拉延件最大減薄率分布在20%～22%范圍內(nèi)。一般認為，板料成型部分的減薄率不超過30%，增厚不超過5%的情況都可以接受[19]，以上4組均滿足產(chǎn)品使用要求，故而在后續(xù)正交實驗中未對該參數(shù)進行進一步研究。綜合比較上述4組拉延件的成型效果，結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，確定模具間隙Z = 1.2 mm。

4 正交實驗設(shè)計及模擬結(jié)果分析

影響板料拉延成型效果的因素眾多，根據(jù)上述研究發(fā)現(xiàn)，壓邊力、潤滑條件和拉延速度對該產(chǎn)品成型效果有較大影響且在拉延過程中便于調(diào)整，所以采用正交實驗法對上述3個工藝參數(shù)進行優(yōu)化模擬，以獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合，保證產(chǎn)品較佳的成型效果[20]。所設(shè)計的正交實驗因素水平表如表2所示，正交實驗表如表3所示。根據(jù)正交實驗表3進行了9組正交實驗方案的模擬，由模擬結(jié)果可知，各組方案FLD的產(chǎn)品部分均成型充分;雖然法蘭處均出現(xiàn)了不同程度的起皺現(xiàn)象，但這些起皺均處于外工藝補充面上，可在后續(xù)修邊工序中去除，不影響產(chǎn)品使用。根據(jù)各組模擬結(jié)果的厚度云圖可知，拉延件的最大減薄率均在允許范圍內(nèi)，滿足產(chǎn)品的使用要求。綜合比較各組模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，表3中方案IV的成型效果最佳（FLD和厚度云圖如圖8所示），產(chǎn)品區(qū)域成型充分，起皺程度輕，側(cè)壁的最大減薄率小，是適合該產(chǎn)品的較佳成型工藝方案，即拉延速度1 000 mm/s，壓邊力420 kN，坯料與凸模間摩擦系數(shù)0.075，坯料與凹模間摩擦系數(shù)0.05。

5 生產(chǎn)實踐驗證

根據(jù)上述研究獲得的拉延工序相關(guān)參數(shù)設(shè)計方案，即通過拉延設(shè)備控制拉延速度為1 000 mm/s、壓邊力為420 kN，坯料與凸模間摩擦系數(shù)0.075（采用液固混合物潤滑劑的半干摩擦狀態(tài)），坯料與凹模間摩擦系數(shù)0.05（采用液固混合物潤滑劑的邊界摩擦狀態(tài)），模具間隙1.2 mm，采用合理的拉延筋，進行試模生產(chǎn)所得的拉延件半成品如圖9所示。由圖9可見，試模生產(chǎn)所得拉延件的實際成型效果與數(shù)值模擬結(jié)果吻合，制品表面質(zhì)量良好，無起皺、開裂和嚴重厚度減薄等缺陷，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準確性和可行性。

6 結(jié)束語

1） 本文以某汽車后風(fēng)擋橫梁為研究對象，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點及工藝分析，擬定其沖壓成型工藝方案為：拉延→修邊、沖孔→翻邊、沖孔。

2） 通過對該汽車后風(fēng)擋橫梁的沖壓成型模擬研究發(fā)現(xiàn)，壓邊力、潤滑條件和拉延速度對拉延半成品的成型效果影響較大。通過正交實驗方法，確定較佳的拉延工藝參數(shù)為：拉延速度1 000 mm/s，壓邊力420 kN，坯料與凸模間摩擦系數(shù)為0.075（采用液固混合物潤滑劑的半干摩擦狀態(tài)），坯料與凹模間摩擦系數(shù)為0.05（采用液固混合物潤滑劑的邊界摩擦狀態(tài)），模具間隙1.2 mm。

3） 基于正交實驗方法進行沖壓成型工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計切實可行，可為調(diào)整沖壓工藝參數(shù)提供理論指導(dǎo)，具有工程應(yīng)用價值。

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