車(chē)身內(nèi)板件拉延成形仿真與工藝參數(shù)優(yōu)化

李陶勝，王 利，王益平，凌中水，羅 林

(1.安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 安慶246003；2.馬鞍山市汽車(chē)沖壓模具先進(jìn)設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山243031；3.南京市公用事業(yè)技工學(xué)校教務(wù)科，南京21000)

影響拉延件拉延成形質(zhì)量的因素眾多，在數(shù)值模擬過(guò)程中，當(dāng)制件的材料、厚度和料片形狀確定后，制件的成形質(zhì)量主要取決于摩擦系數(shù)、沖壓速度、壓邊力、拉延筋約束力和拉延筋線位置尺寸等工藝參數(shù)[1-3]。由于各工藝參數(shù)對(duì)沖件質(zhì)量存在復(fù)雜的非線性耦合關(guān)系，故選擇研究參數(shù)及各參數(shù)間的合理匹配對(duì)降低模具開(kāi)發(fā)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期顯得尤為重要[4-6]。

目前，多數(shù)模具生產(chǎn)企業(yè)主要依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)來(lái)獲取沖壓成形工藝參數(shù)的匹配，有些企業(yè)利用CAE軟件進(jìn)行有限元仿真并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行工藝參數(shù)選擇，上述方法均為試錯(cuò)法的一種體現(xiàn)[7-9]。本文以CAE軟件AutoForm為平臺(tái)，以車(chē)身大型淺拉延內(nèi)板件為研究對(duì)象，建立拉延成形的三維有限元模型，以最大減薄率Tmax為優(yōu)化目標(biāo)，選擇4個(gè)關(guān)鍵拉延成形工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)數(shù)值模擬正交試驗(yàn)方案并結(jié)合極差分析，研究拉延筋線擴(kuò)大尺寸L、可變拉延筋約束力FR1與FR2和壓邊圈壓邊力Q對(duì)淺拉延件的最大減薄率Tmax[10-11]的主次影響，探索極差分析優(yōu)化正交仿真試驗(yàn)的方法，對(duì)拉延成形工藝參數(shù)組的優(yōu)化效果及對(duì)制件成形性的影響規(guī)律。

1 沖壓工藝設(shè)計(jì)

圖1為某型車(chē)身大型淺拉延內(nèi)板件，該數(shù)模的主視圖和俯視圖顯示該零件整體為一個(gè)弧形對(duì)稱(chēng)件，零件外邊界復(fù)雜，表面具有多處沖孔與多處成形，所用材料為DC04，板料厚度為1.2mm。在模具設(shè)計(jì)前，需應(yīng)用CAE軟件提前預(yù)知沖壓零件的風(fēng)險(xiǎn)警示及處理方案，解決項(xiàng)目前端產(chǎn)品風(fēng)險(xiǎn)可控性，達(dá)到零件保質(zhì)保期進(jìn)入良性生產(chǎn)階段。根據(jù)上述零件的特征，分析該零件的沖壓成形工序，包含落料、拉延、切邊、翻邊和整形。由于拉延對(duì)零件成形最為關(guān)鍵，故本文重點(diǎn)研究拉延工序中的破裂、起皺和成形不足等缺陷的工藝參數(shù)優(yōu)化控制。

圖1 某型車(chē)身大型淺拉延內(nèi)板件數(shù)模

導(dǎo)入U(xiǎn)G文件，將網(wǎng)格劃分參數(shù)容錯(cuò)公差和最大邊長(zhǎng)分別設(shè)置成0.05mm和30mm，以此作為AutoForm的拉延模擬設(shè)計(jì)網(wǎng)格文件。應(yīng)用網(wǎng)格文件進(jìn)行零件準(zhǔn)備與零件邊界填補(bǔ)光順，然后用光順好的零件進(jìn)行壓料面與工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)好優(yōu)化前的拉延模面，如圖2a所示。后續(xù)可應(yīng)用此拉延模面進(jìn)行試算，用于反饋零件或初步設(shè)計(jì)的模面是否需要做局部修改優(yōu)化。為增加仿真成功率，在試算前對(duì)拉延模面進(jìn)行優(yōu)化，著重優(yōu)化凹模入口線、補(bǔ)充面高度線、填充邊界和壓料面大小等模面要素[11]，優(yōu)化后的拉延模面，如圖2b所示。

圖2 優(yōu)化前后的拉延模面模型

2 有限元建模與數(shù)值模擬

2.1 有限元建模

為有限元建模提供試算料片，調(diào)出AutoForm軟件料片生成器設(shè)計(jì)模塊，選擇圖2b作為料片的試算對(duì)象，設(shè)置成擴(kuò)大凹模入口線40mm的無(wú)壓料面自由成形料片形式，再調(diào)用一步法求解器求解最小料片輪廓，最后應(yīng)用料片生成器進(jìn)行料片處理和計(jì)算，獲取既滿足排樣要求又可用于拉延成形有限元模擬的料片。圖3為最終試算料片模型[12-13]，料片尺寸為1809mm×548mm。

圖3 最終試算料片模型

拉延模面和料片設(shè)計(jì)好后，采用增量法、單動(dòng)拉延類(lèi)型、參考圖2b凹模側(cè)、輸入試算厚度為1.2mm，并在材料庫(kù)導(dǎo)入材料為DC04的料片，試算DC04材料力學(xué)性能參數(shù)，如表1所示。采用缺省參數(shù)凸凹模間隙為1.2mm、摩擦系數(shù)為0.15、壓邊力為3MPa等完成拉延數(shù)值模擬的邊界條件設(shè)計(jì)。單動(dòng)拉延模具運(yùn)動(dòng)關(guān)系包含重力、閉合、拉延三個(gè)工步。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程為：首先凹模帶動(dòng)重力狀態(tài)下的料片向下運(yùn)動(dòng)500mm與壓邊圈閉合；然后料片在凹模與壓邊圈夾持下繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)500mm與凸模閉合，此時(shí)壓邊力為3MPa；最后凹模與壓邊圈夾持下的料片貼合靜止不動(dòng)，凸模向下運(yùn)動(dòng)直至拉延完成；圖4為車(chē)身內(nèi)板件拉延工序有限元模型。

表1 DC04材料力學(xué)性能參數(shù)

圖4 拉延工序的有限元模型

2.2 數(shù)值模擬

通過(guò)上述設(shè)計(jì)所獲得的初次數(shù)值模擬結(jié)果如圖5a所示。圖5a顯示與凹模入口接觸處的成形環(huán)帶區(qū)域帶有起皺趨勢(shì)且該起皺趨勢(shì)向外逐漸加大，導(dǎo)致拉延過(guò)程中材料難以通過(guò)凹模入口線流入零件區(qū)域，從而使零件區(qū)域發(fā)生大面積成形不足；同時(shí)零件區(qū)域帶有的少量起皺，也說(shuō)明初次模擬發(fā)生了失穩(wěn)?？紤]到該車(chē)身內(nèi)板件拉延模面為淺拉延件，為防止成形制件產(chǎn)生起皺、成形不足等問(wèn)題，需增設(shè)拉延筋用于改善材料流入量。圖5b為關(guān)聯(lián)凹模入口線并擴(kuò)大18mm，應(yīng)用缺省參數(shù)所增設(shè)單圓筋的二次數(shù)值模擬結(jié)果。單圓筋參數(shù)包括肩部半徑r1=3.5mm、筋高h(yuǎn)=6.5mm、筋半徑r2=5mm、間隙c=1.3mm、槽寬w=15mm，單圓筋形狀所對(duì)應(yīng)的拉延筋約束力為FR=0.35kN。

圖5 拉延成形數(shù)值模擬結(jié)果

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)因子與水平

針對(duì)二次模擬結(jié)果，應(yīng)用可變拉延筋消除零件區(qū)域下端局部成形不足的方法來(lái)設(shè)計(jì)正交仿真試驗(yàn)，期待改善其成形性并獲得較好的成形減薄率，為此設(shè)計(jì)出的可變拉延筋結(jié)構(gòu)如圖6所示。在實(shí)際試驗(yàn)中影響淺拉延件成形質(zhì)量的因素有很多，其中拉延筋線擴(kuò)大尺寸L、可變拉延筋約束力FR1(P1點(diǎn)、P4點(diǎn)、P5點(diǎn)和P8點(diǎn))、FR2(P2點(diǎn)、P3點(diǎn)、P6點(diǎn)和P7點(diǎn))和壓邊圈壓邊力Q，對(duì)淺拉延件拉延成形可控性較強(qiáng)，故選為試驗(yàn)因子并分別設(shè)為A、B、C和D。參考二次模擬結(jié)果，可以減小因子A并加大因子B、因子C和因子D來(lái)設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，可起到在低耗料下消除拉延成形性問(wèn)題的作用，為此設(shè)計(jì)出正交表L9(34)，如表2所示。

圖6 可變拉延筋結(jié)構(gòu)

表2 正交表L9(34)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)淺拉延件的特點(diǎn)和二次數(shù)值模擬結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注零件的成形減薄率。對(duì)于零件的減薄情況，一般選用減薄率指標(biāo)T，通過(guò)零件成形后的最大減薄率Tmax對(duì)其減薄進(jìn)行量化評(píng)價(jià)[14-16]。以可控性較強(qiáng)的邊界參數(shù)拉延筋線擴(kuò)大尺寸L、可變拉延筋約束力FR1與FR2和壓邊圈壓邊力Q作為研究因子，最大減薄率Tmax作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到如表3所示的9組不同的試驗(yàn)工藝參數(shù)組合，進(jìn)一步模擬計(jì)算后得出每組試驗(yàn)的最大減薄率Tmax。表3試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣水平依次為7、4、1、5、9、8、2、6、3。

表3 正交仿真試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3所列正交仿真試驗(yàn)結(jié)果，采用極差分析法分析正交試驗(yàn)均值[17]，通過(guò)其均值大小比較各因子對(duì)最大減薄率Tmax影響的主次關(guān)系，從而簡(jiǎn)便判斷試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果。

通過(guò)極差分析得到表4所列的正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)，由均值分析數(shù)據(jù)再計(jì)算出極差R。由表4可以看出RB>RC>RD>RA，即影響Tmax因素的主次關(guān)系是可變拉延筋約束力FR1最大，F(xiàn)R2影響次之，然后是壓邊圈壓邊力Q，拉延筋線擴(kuò)大尺寸L影響相對(duì)較小，用FR1>FR2>Q>L表示。正交試驗(yàn)所獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組：拉延筋線擴(kuò)大尺寸L為18mm、可變拉延筋約束力FR1為0.35kN、可變拉延筋約束力FR2為0.65kN和壓邊圈壓邊力Q為120t。

表4 正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)

為直觀表達(dá)各因素對(duì)最大減薄率Tmax的影響關(guān)系，應(yīng)用表4正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)繪制出各因素與最大減薄率Tmax的關(guān)系，如圖7所示。圖7中各因子變化的最大高度差為表4中的極差R值。

圖7 各因素與最大減薄率Tmax的關(guān)系圖

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證與分析

應(yīng)用正交試驗(yàn)所獲得的最優(yōu)工藝參數(shù)組(L=18mm、FR1=0.35kN、FR2=0.65kN、Q=120t)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖8a、圖8b所示。從減薄率分析圖8a中調(diào)取拉延模面的最大減薄率為-0.2198，該最大減薄率僅次于正交試驗(yàn)中的最優(yōu)水平7和次優(yōu)水平4，說(shuō)明正交試驗(yàn)對(duì)優(yōu)化制件拉延成形的Tmax起到了明顯的增益作用。從圖8b中可見(jiàn)零件區(qū)域存在幾處成形不充分，該現(xiàn)象說(shuō)明應(yīng)用最優(yōu)工藝參數(shù)組對(duì)Tmax優(yōu)化增益時(shí)，拉延模面零件區(qū)域進(jìn)料量增大，導(dǎo)致拉延制件對(duì)凸模的貼合張力減小。

應(yīng)用正交試驗(yàn)所獲得的最次工藝參數(shù)組(L=14mm、FR1=0.55kN、FR2=0.75kN、Q=125t)試驗(yàn)，從減薄率分析圖8c中調(diào)取拉延模面的最大減薄率為-0.2362，該最大減薄率在正交試驗(yàn)中僅次于最次水平3，反面說(shuō)明了極差分析的可靠性。從圖8d中可見(jiàn)零件區(qū)域成形不充分全部被消除，該現(xiàn)象說(shuō)明應(yīng)用最次工藝參數(shù)組對(duì)Tmax優(yōu)化減益時(shí)，拉延模面零件區(qū)域進(jìn)料量減小，導(dǎo)致拉延制件對(duì)凸模的貼合張力增大。

圖8 最優(yōu)與最次工藝參數(shù)組數(shù)值模擬結(jié)果

5 結(jié)論

采用極差分析優(yōu)化正交仿真試驗(yàn)的方法，可以通過(guò)拉延成形工藝參數(shù)拉延筋線擴(kuò)大尺寸L、可變拉延筋約束力FR1與FR2和壓邊圈壓邊力Q優(yōu)化最大減薄率Tmax。應(yīng)用所建立的4因素3水平正交表L9(34)，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)合極差分析可知：影響Tmax因素的主次關(guān)系為FR1>FR2>Q>L。

以極差分析優(yōu)化Tmax為目標(biāo)進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)，最優(yōu)工藝參數(shù)組對(duì)Tmax增益作用明顯；最次工藝參數(shù)組對(duì)Tmax減益作用明顯。應(yīng)用最優(yōu)工藝參數(shù)組對(duì)Tmax優(yōu)化增益時(shí)，成形不充分區(qū)域面積被增大；應(yīng)用最次工藝參數(shù)組對(duì)Tmax優(yōu)化減益時(shí)，成形不充分區(qū)域面積被消除。