基于有限元的汽車后備箱外板冷沖壓成形分析

黃 棉

(廈門華天涉外職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,福建 廈門 361100)

0 前言

汽車覆蓋件具有尺寸大、形狀復(fù)雜和厚度薄等特點(diǎn),在沖壓成形過程中容易出現(xiàn)減薄、起皺、回彈等質(zhì)量缺陷,這些缺陷會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)汽車產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及生產(chǎn)周期[1-3]。影響汽車覆蓋件沖壓成形質(zhì)量的因素有很多,涉及到模具結(jié)構(gòu)、板料型號(hào)、沖壓設(shè)備、沖壓工藝參數(shù)等,其中前3者不易調(diào)整,沖壓工藝參數(shù)在生產(chǎn)過程中可以根據(jù)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,其調(diào)整結(jié)果可以優(yōu)化沖壓過程形成的外觀質(zhì)量[3-5]。沖壓工藝參數(shù)主要包括壓邊力、沖壓速度、模具間隙和摩擦因數(shù)等4個(gè)因素,各個(gè)因素都有可能對汽車覆蓋件造成外觀質(zhì)量影響。因此,如何調(diào)整工藝參數(shù),以獲得成形最優(yōu)工藝參數(shù)組合,是提高沖壓成形質(zhì)量的關(guān)鍵[6-9]。本文以汽車后備箱外板為研究對象,通過單因素分析法,獲得各因素的取值范圍,通過正交試驗(yàn)和極差分析,獲得各因素對零件成形質(zhì)量影響的主次關(guān)系,再進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解獲得零件綜合最優(yōu)工藝參數(shù),提高了零件的成形質(zhì)量。

1 沖壓成形工藝分析及有限元模型設(shè)計(jì)

1.1 沖壓成形工藝分析

圖1為某汽車后備箱外板的三維設(shè)計(jì)圖,呈“L”狀,外輪廓尺寸較大,拉深深度達(dá)205 mm,料厚1 mm,屬于大型深拉延零件,板料使用鋁合金AA6010,材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。由于零件是外覆蓋件,要求零件成形后表面不允許有起皺和開裂等影響安全性能的缺陷,同時(shí)也不允許有波紋和凹痕等影響美觀的缺陷,最終零件要求厚度范圍為0.9～1.1 mm,回彈量小于1.5 mm。由于零件拉深深度和外輪廓尺寸較大,在沖壓成形時(shí)更容易發(fā)生開裂和回彈現(xiàn)象,傳統(tǒng)成形工序一般設(shè)計(jì)為:拉延→修邊→整形等工序[10]。拉延工序是平面板料制作成零件主要形狀的過程,是沖壓成形最重要的工序;修邊工序是修剪掉零件成形后多余的材料;整形工序是對零件形狀進(jìn)行修整,此工序主要是將零件回彈量控制在允許范圍內(nèi),因此,如果在拉延或修邊工序能同時(shí)將回彈量控制在允許范圍內(nèi),則無需進(jìn)行整形工序,由此可以節(jié)省模具開發(fā)成本和提高生產(chǎn)效率。

表1 AA6010材料力學(xué)參數(shù)

圖1 后備箱外板設(shè)計(jì)圖

1.2 有限元模型設(shè)計(jì)

將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入有限元軟件中,通過模面工程模塊完成凹模設(shè)計(jì)。通過Auto Setup模塊,將凹模偏置出凸模和壓邊圈,對凹模、凸模、壓邊圈和板料的定位及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,完成有限元模型創(chuàng)建,如圖2所示。

圖2 有限元模型創(chuàng)建

2 工藝參數(shù)對后備箱外覆蓋件沖壓成形的影響

2.1 工藝參數(shù)初值選定

2.1.1壓邊力初值的選定

壓邊力是拉延成形的重要工藝參數(shù),通過調(diào)整壓邊力可以改善板料走料的平順性,進(jìn)而提高零件成形質(zhì)量。通常壓邊力越大,板料的變形程度越大,折皺現(xiàn)象越少,但如果壓邊力超過一定值,則零件容易發(fā)生開裂現(xiàn)象,同時(shí)還會(huì)增加模具與板料之間的磨損。壓邊力初值P可以通過式(1)計(jì)算, 經(jīng)計(jì)算,壓邊力初值為200 kN。

P=S×a

(1)

式中:S為壓邊圈的面積(mm2);a為單位壓力(kN/mm2)。

2.1.2沖壓速度初值的選定

沖壓速度既會(huì)影響沖壓效率,也會(huì)影響模具與板料接觸時(shí)的瞬時(shí)成形應(yīng)變。當(dāng)沖壓速度過小時(shí),會(huì)導(dǎo)致沖壓效率下降,增加生產(chǎn)成本;當(dāng)沖壓速度過大時(shí),會(huì)增加板料瞬時(shí)成形應(yīng)變,當(dāng)瞬時(shí)成形應(yīng)變達(dá)到極限值時(shí),易發(fā)生開裂現(xiàn)象。根據(jù)鋁合金AA6010瞬時(shí)成形應(yīng)變極限,沖壓速度初值選為80 mm/s。

2.1.3模具間隙初值的選定

模具間隙是指拉延行程結(jié)束后,凸凹模之間的間隙值,合理的間隙可以提升板料與模具的貼模性,進(jìn)而提升零件的成形質(zhì)量。當(dāng)模具間隙過小時(shí),會(huì)導(dǎo)致模具間的摩擦增大,易造成零件減薄和開裂;當(dāng)模具間隙過大時(shí),易導(dǎo)致零件起皺和成形不足現(xiàn)象。相關(guān)研究表明,鋁合金板料拉延時(shí),最佳模具間隙為板料厚度的1.15倍[11],即本次試驗(yàn)?zāi)＞唛g隙初值為1.15 mm。

2.1.4摩擦因數(shù)初值的選定

摩擦因數(shù)的大小會(huì)影響板料與模具之間的摩擦力,同時(shí)也影響模具的磨損。當(dāng)摩擦因數(shù)過小時(shí),板料與模具之間的摩擦力減小,會(huì)使板料的流動(dòng)性增大,導(dǎo)致零件拉延不足;當(dāng)摩擦因數(shù)過大時(shí),會(huì)使板料流動(dòng)困難,板料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致零件局部開裂現(xiàn)象。在其他條件不變的情況下,可以通過在板料表面涂抹相應(yīng)類型潤滑劑調(diào)整摩擦因數(shù),本次試驗(yàn)選用礦物油潤滑劑進(jìn)行潤滑,其摩擦因數(shù)為0.17,即本試驗(yàn)?zāi)Σ烈驍?shù)初值取0.17。

2.2 壓邊力對零件沖壓成形的影響

由于受模具、材料及設(shè)備等因素的影響,在沖壓過程中壓邊力與理論計(jì)算值存在差異,因此,本試驗(yàn)以壓邊力理論計(jì)算值200 kN為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出壓邊力分別為155 kN,170 kN,185 kN,200 kN,215 kN,230 kN,245 kN,其余工藝參數(shù)均取各自的初值(即沖壓速度80 mm/s、模具間隙1.15 mm、摩擦因數(shù)0.17),完成7組方案的仿真分析,結(jié)果如表2所示。由表2可知,當(dāng)壓邊力小于170 kN時(shí),零件會(huì)發(fā)生起皺現(xiàn)象,當(dāng)壓邊力大于230 kN時(shí),零件會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象,零件的最小厚度和最大厚度隨壓邊力的增大而減小,說明壓邊力是影響該零件最小厚度和最大厚度的重要因素之一。

表2 不同壓邊力對零件沖壓質(zhì)量的影響

2.3 沖壓速度對零件沖壓成形的影響

由于沖壓機(jī)床的沖壓速度有一定范圍的誤差,且模具的接觸摩擦狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化,所以,實(shí)際生產(chǎn)時(shí),沖壓速度與選取的初值存在一定的差異。本試驗(yàn)以沖壓速度初值80 mm/s為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出沖壓速度分別為50 mm/s,60 mm/s,70 mm/s,80 mm/s,90 mm/s,100 mm/s,110 mm/s,其余工藝參數(shù)均取各自的初值(即壓邊力200 kN、模具間隙1.15 mm、摩擦因數(shù)0.17),完成7組方案的仿真分析,結(jié)果如表3所示。由表3可知,沖壓速度與零件最小厚度和最大厚度的變化無明顯的規(guī)律,方案2、方案3和方案4的零件成形極限較好,無起皺和開裂現(xiàn)象。

表3 沖壓速度對零件沖壓質(zhì)量的影響

2.4 模具間隙對零件沖壓成形的影響

受沖壓機(jī)床行程機(jī)構(gòu)等因素的影響,模具間隙與初值存在一定的差異。本試驗(yàn)以模具間隙初值1.15 mm為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出模具間隙分別為1.04 mm,1.08 mm,1.12 mm,1.16 mm,1.20 mm,1.24 mm,1.28 mm,其余工藝參數(shù)均取各自的初值(即壓邊力200 kN、沖壓速度80 mm/s、摩擦因數(shù)0.17),完成7組方案的仿真分析,結(jié)果如表4所示。由表4可知,當(dāng)模具間隙小于1.08 mm時(shí),零件會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,當(dāng)模具間隙大于或等于1.24 mm時(shí),零件會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象,這是由于模具間隙過小時(shí),板料流動(dòng)性差,導(dǎo)致材料局部開裂;模具間隙過大時(shí),板料流動(dòng)性好,板料模具腔體內(nèi)形成起皺現(xiàn)象。

表4 模具間隙對零件沖壓質(zhì)量的影響

2.5 摩擦因數(shù)對零件沖壓成形的影響

受板料出廠狀態(tài)和涂抹潤滑劑均勻性的影響,摩擦因數(shù)與初值存在一定的差異。本試驗(yàn)以摩擦因數(shù)初值0.17為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)出摩擦因數(shù)分別為0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,其余工藝參數(shù)均取各自的初值(即壓邊力200 kN、沖壓速度80 mm/s、模具間隙1.15 mm),完成7組方案的仿真分析,結(jié)果如表5所示。由表5可知,方案1—方案3的成形極限較好,且零件最小厚度和最大厚度隨摩擦因數(shù)的增加而減小;方案4—方案7的成形極限均有開裂風(fēng)險(xiǎn),且零件最小厚度和最大厚度與摩擦因數(shù)變化無明顯規(guī)律。

表5 摩擦因數(shù)對零件沖壓質(zhì)量的影響

3 后備箱外板沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上節(jié)分析可知,后備箱外成形質(zhì)量潛在的成形風(fēng)險(xiǎn)主要是最小厚度和最大厚度及成形極限無法同時(shí)滿足零件的設(shè)計(jì)要求,并且,零件對最大回彈量也有相應(yīng)要求,因此,無法直接確定合理的工藝參數(shù)。由于該零件屬于外覆蓋件,零件的外觀是優(yōu)化的基礎(chǔ),所以,只保留零件成形充分的工藝參數(shù)取值,完成4因素3水平的正交方案,如表6所示。

表6 4因素3水平的正交方案

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,完成L9(34)標(biāo)準(zhǔn)正交表設(shè)計(jì),將9組工藝參數(shù)組合進(jìn)行仿真分析,獲得零件3個(gè)評價(jià)目標(biāo)值(零件的最小厚度、最大厚度及最大回彈量),并對3個(gè)評價(jià)目標(biāo)進(jìn)行極差分析,分析結(jié)果如表7所示。由表7可知,零件的最小厚度為0.80～0.97 mm,方案1至方案3、方案5及方案6的最小厚度符合設(shè)計(jì)要求,其余方案的最小厚度均超過設(shè)計(jì)要求;零件的最大厚度為0.99～1.18 mm,方案4、方案6、方案8及方案9的最大厚度符合設(shè)計(jì)要求,其余方案的最大厚度均超過設(shè)計(jì)要求;零件的最大回彈量為1.37～1.62 mm,方案2、方案5、方案8及方案9的最大回彈量符合設(shè)計(jì)要求,其余方案的最大回彈量均超過設(shè)計(jì)要求;表8為最小厚度、最大厚度和最大回彈量的極差分析結(jié)果,由最小厚度的極差分析結(jié)果可知,影響最小厚度的因素主次程度為壓邊力>摩擦因數(shù)>模具間隙>沖壓速度,最優(yōu)工藝參數(shù)為壓邊力215 kN、摩擦因數(shù)0.16、模具間隙1.16 mm、沖壓速度80 mm/s;由最大厚度的極差分析結(jié)果可知,影響最大厚度的因素主次程度為模具間隙>壓邊力>摩擦因數(shù)>沖壓速度,最優(yōu)工藝參數(shù)為模具間隙1.12 mm、壓邊力215 kN、摩擦因數(shù)0.15、沖壓速度80 mm/s;由最大回彈量的極差分析結(jié)果可知,影響最大回彈量的因素主次程度為沖壓速度>壓邊力>摩擦因數(shù)>模具間隙,最優(yōu)工藝參數(shù)為沖壓速度70 mm/s、壓邊力215 kN、摩擦因數(shù)0.14、模具間隙1.16 mm。

表7 分析結(jié)果

表8 極差分析

3.3 工藝參數(shù)最優(yōu)求解及仿真模擬

由上述分析可知,3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)(最小厚度、最大厚度、最大回彈量)的最優(yōu)工藝參數(shù)有3種,導(dǎo)致無法直接確定最優(yōu)工藝參數(shù),因此,需要對其進(jìn)行多目標(biāo)最優(yōu)求解。本試驗(yàn)采用Design-Expert軟件進(jìn)行最優(yōu)求解,以最小厚度取最大值、最大厚度和最大回彈取最小值為優(yōu)化目標(biāo),使3個(gè)目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最佳值進(jìn)行求解,經(jīng)求解后可得每組工藝參數(shù)組合的期望值,期望值最大的組合即為最優(yōu)工藝參數(shù),期望值前5組的結(jié)果如表9所示。由表9可以看出,工藝參數(shù)組合壓邊力215 kN、沖壓速度60 mm/s、模具間隙1.16 mm、摩擦因數(shù)0.14的期望值最大,即該組參數(shù)為最優(yōu)工藝參數(shù)。

表9 期望值前5組的結(jié)果

使用Dynaform軟件對最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行仿真分析,獲得零件成形極限、零件厚度分布和零件回彈分布分別如圖3、圖4和圖5所示。由圖3可以看出,零件成形極限較好,除左下角處存在折皺趨勢外,其余區(qū)域都處于安全狀態(tài);由圖4可以看出,零件的厚度為0.927～1.036 mm,零件整體厚度分布符合設(shè)計(jì)要求;由圖5可以看出零件回彈主要發(fā)生在左上角,最大回彈量為0.949 mm,符合設(shè)計(jì)要求。

圖3 零件成形極限

圖4 零件厚度分布

圖5 零件回彈分布

4 結(jié)論

本文以某汽車后備箱外板為研究對象,通過Dynaform軟件,對各工藝參數(shù)進(jìn)行單因素分析,獲得各工藝參數(shù)的優(yōu)化值范圍,采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,完成多參數(shù)組合試驗(yàn),極差分析獲得影響3個(gè)評價(jià)目標(biāo)的主次因素,并獲得3個(gè)評價(jià)目標(biāo)各自的最優(yōu)工藝參數(shù),采用Design-Expert軟件進(jìn)行多目標(biāo)最優(yōu)求解,并對其進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明,零件成形充分、無起皺現(xiàn)象,零件的厚度為0.927～1.036 mm,零件的最大回彈量為0.949 mm,零件的厚度和最大回彈量均符合設(shè)計(jì)要求。