李 毅，張火土，李延平，胡志超，王沁峰

(1．集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門361021;2．廈門華電開關(guān)有限公司，福建廈門361006)

汽車覆蓋件沖壓成形性能分析與工藝優(yōu)化

李 毅1，張火土2，李延平1，胡志超1，王沁峰1

(1．集美大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，福建廈門361021;2．廈門華電開關(guān)有限公司，福建廈門361006)

基于CAE技術(shù)和試驗(yàn)方法分析了車用側(cè)墻板沖壓成形過程中的成形性，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合正交試驗(yàn)法研究了不同工藝參數(shù)對該側(cè)墻板成形性能的影響．結(jié)果表明:側(cè)墻板零件局部區(qū)域處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并且存在較嚴(yán)重的局部減薄，這兩者使側(cè)墻板零件局部區(qū)域接近破裂狀態(tài);其中壓邊力對側(cè)墻板零件減薄率的影響最為顯著．通過正交試驗(yàn)法進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，使零件的最大減薄率明顯降低，平面應(yīng)變狀態(tài)也得到改善，且試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果相吻合．

汽車覆蓋件;沖壓成形;eta/DYNAFORM;正交試驗(yàn)法;工藝參數(shù)優(yōu)化

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車的外觀要求越來越高．車身覆蓋件沖壓質(zhì)量對汽車外觀有著重要的影響，而車身覆蓋件主要由自由曲面組成，具有尺寸大、形狀復(fù)雜的特點(diǎn)，這些增加了覆蓋件的成形難度．覆蓋件沖壓成形過程中可能出現(xiàn)的問題也只能在模具加工之后的試模中暴露出來，因此增加了模具調(diào)試的難度和周期，從而影響車型開發(fā)進(jìn)度．而CAE技術(shù)有助于解決此問題，它能預(yù)見不同工藝參數(shù)條件下測覆蓋件的成形性［1－2］，適合于求解汽車覆蓋件這類大型復(fù)雜件的成形問題．由于影響覆蓋件成形質(zhì)量的因素較多 (如壓邊力、潤滑劑、拉深筋等)［3－4］，因此優(yōu)化工藝參數(shù)對于獲得最佳成形質(zhì)量的汽車覆蓋件來說至關(guān)重要．工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響數(shù)據(jù)通常需要花費(fèi)大量時間才能獲得，而采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)可以以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)［5－7］，適合于多因素分析．本文采用eta/Dynaform軟件結(jié)合試驗(yàn)方法分析某汽車側(cè)墻板覆蓋件沖壓成形過程中的成形性，并采用正交試驗(yàn)法對該側(cè)墻板的成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．

1 側(cè)墻板初始成形試驗(yàn)分析

本文所研究的某型號汽車側(cè)墻板形狀如圖1所示，該零件的縱、橫向尺寸相差較大，而且深度相對較深，形狀復(fù)雜，需要一次拉深成形．在零件實(shí)際生產(chǎn)過程中，該零件局部區(qū)域的壁厚減薄率過大問題比較突出，其左端容易產(chǎn)生局部緊縮．因此，筆者采用Argus應(yīng)變測量系統(tǒng)，對零件的變形情況進(jìn)行初步研究．應(yīng)變測量前通過電化腐蝕技術(shù)在板材表面印制圓形網(wǎng)格，然后在液壓機(jī)上進(jìn)行剛模拉深成形，壓邊力大小為58 t，最后采用Argus系統(tǒng)測量側(cè)墻板零件的應(yīng)變分布，所得零件的減薄率分布如圖2所示．從圖2中可以看出側(cè)墻板的左端局部區(qū)域特別是圓角交匯處的減薄較嚴(yán)重，最大減薄率為32.5%，接近破裂．圖3為左端部的主、次應(yīng)變分布，拐角處的主應(yīng)變處于30%～45%之間，而次應(yīng)變較小僅為0～4%，近似地處于平面應(yīng)變狀態(tài)，該處也是破裂危險區(qū)域．

2 側(cè)墻板沖壓成形的有限元分析

為進(jìn)一步分析側(cè)墻板的變形特點(diǎn)，將上述試驗(yàn)過程通過有限元軟件eta/DYNAFORM進(jìn)行有限元分析．用于有限元分析的幾何模型均由實(shí)際模具進(jìn)行三維掃描獲得，再對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型如圖4所示．材料為1.2mm厚DC04鋼板，其力學(xué)性能見表1所示，性能數(shù)據(jù)來至于軟件自帶數(shù)據(jù)庫．壓邊力大小為58 t，摩擦系數(shù)為0.125．模擬得到的側(cè)墻板的厚度減薄率分布如圖5所示，最大減薄處位于左端圓角交匯處，約為36.6%，接近實(shí)際測量值．左端部拐角處主、次應(yīng)變分布如圖6所示，主應(yīng)變約在28%左右，而在次應(yīng)變約為2%左右，可將此應(yīng)變狀態(tài)近似當(dāng)成平面應(yīng)變狀態(tài)，與試驗(yàn)測量結(jié)果趨于一致．可見有限元分析結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果吻合較好．由于板材處于平面應(yīng)變狀態(tài)時，材料易被拉裂，不利于材料拉延性能的充分發(fā)揮，為獲得較高質(zhì)量的覆蓋件有必要對實(shí)際生產(chǎn)模具和工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．

表1 DC04鋼板力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Material properties of DC04 steel sheet

3 工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)前述的試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，側(cè)墻板零件在成形過程中主要存在的成形質(zhì)量問題有:1)為左端圓角交匯處局部減薄嚴(yán)重;2)為左端拐角處于平面應(yīng)變狀態(tài)，塑性變形能力較差．實(shí)際模具在這兩處位置附近都設(shè)置拉深筋，從而加劇兩位置處板材的減薄率．因此，有必要根據(jù)零件的變形特點(diǎn)重新設(shè)計(jì)模具和進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化．由于數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果接近，具有一定可靠性，因此工藝參數(shù)優(yōu)化將基于數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行．

3.1 側(cè)墻板模面再設(shè)計(jì)

在初始模具中，型面周圍布置了整圈的拉深筋，根據(jù)試驗(yàn)和模擬結(jié)果，這種拉深筋設(shè)置不利于減薄嚴(yán)重區(qū)域的壁厚控制，因此在模面再設(shè)計(jì)過程中最主要的變化為將整圈筋改為間斷式布置，如圖7所示，圓角交匯處和左端拐角附件不再設(shè)置拉深筋，以便在成形過程中減小附件破裂危險點(diǎn)的減薄率．

3.2 工藝參數(shù)影響分析

在覆蓋件沖壓成形過程中主要通過調(diào)節(jié)壓邊力、摩擦條件和拉深筋等工藝參數(shù)來控制零件的成形質(zhì)量，根據(jù)這些工藝參數(shù)的特點(diǎn)，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)．正交試驗(yàn)中的分析因素分別為拉深筋高度 (因素A)、壓邊力 (因素B)與摩擦系數(shù) (因素C)．側(cè)墻板零件形狀復(fù)雜，因而在成形過程中坯料流動不均勻，一般可以通過調(diào)節(jié)拉深筋的高度來控制材料的流動，從而有利于降低局部區(qū)域材料的變形量，選擇拉深筋的高度作為一個因素進(jìn)行研究．而常用的圓形筋在工程實(shí)際中高度一般為6～10mm，在本試驗(yàn)中取6mm、7mm和8mm;最小壓邊力可以根據(jù)相應(yīng)的理論公式［8］計(jì)算，約為50 t，本試驗(yàn)選取了50 t、70 t和90 t;摩擦系數(shù)分別取0.08、0.11、0.13．利用正交表L9(33)安排的正交試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2．表中:分別為第i(i=A，B，C)個因素在1，2，3水平下最大減薄率的均值．

從表2中可以看出，由正交表安排試驗(yàn)方案獲得的最大減薄率處于18.9%～30.5%之間，不同方案獲得的結(jié)果相差較大，部分零件已接近破裂狀態(tài)．根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以得到三因素對最大減薄率影響能力 (根據(jù)極差或方差結(jié)果)的大小依次為壓邊力、拉深筋高度和摩擦系數(shù)．其中壓邊力對最大減薄率變化的貢獻(xiàn)率 (根據(jù)方差結(jié)果)約為51%，拉深筋高度約為29%，而摩擦系數(shù)約為20%．可見壓邊力的影響最為顯著，在實(shí)際生產(chǎn)中也是最需控制的工藝參數(shù)．

表2 正交試驗(yàn)方案獲得的減薄率數(shù)據(jù)Tab.2 Thickness reduction data obtained by orthogonal arrays

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

由于側(cè)墻板局部區(qū)域的減薄率過大，因此優(yōu)化的工藝參數(shù)應(yīng)盡可能使零件最大減薄率降低．由表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，當(dāng)拉深筋高度為7 mm時減薄率最小;而壓邊力取50 t時，零件有效型面的最大減薄率最小;摩擦系數(shù)取0.08時，零件最大減薄相對其他水平來說較小，由此可知工藝參數(shù)優(yōu)化組合方案應(yīng)為A2B1C1，即當(dāng)拉深筋高度為7 mm，壓邊力大小為50 t，摩擦系數(shù)取0.08時，側(cè)墻板有效型面部位的最大減薄量獲得較佳的效果．將上述工藝參數(shù)輸入有限元模型中進(jìn)行數(shù)值模擬可得側(cè)墻板工藝參數(shù)優(yōu)化后的成形結(jié)果，如圖8所示．從圖8中可明顯看出最大減薄率為17.78%，該減薄率值小于正交試驗(yàn)表中各方案的減薄率值．與原始實(shí)際生產(chǎn)零件的最大減薄率 (32.5%)相比，優(yōu)化效果明顯．圖9為側(cè)墻板左端拐角處的主、次應(yīng)變分布，從圖9中可以看出，零件優(yōu)化后該處的最大主應(yīng)變約為12%，次應(yīng)變約為2%．應(yīng)變狀態(tài)雖然仍接近平面應(yīng)變狀態(tài)，但由于主應(yīng)變值相比于原始實(shí)際生產(chǎn)零件的主應(yīng)變值已有大幅的降低．與原始模擬方案相比，優(yōu)化方案在破裂危險處采取了間斷式拉深筋分布，并且采用了較小的壓邊力和較好的潤滑條件，這使得材料更有利于向危險區(qū)域流動，降低了減薄量．這些工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)使得優(yōu)化方案能有效降低零件的最大減薄率，并使平面應(yīng)變狀態(tài)得到改善．

4 結(jié)論

本文對車用側(cè)墻板零件進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析，并基于正交試驗(yàn)法進(jìn)行了工藝參數(shù)優(yōu)化，所得結(jié)論如下:1)試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果表明車用側(cè)墻板的缺陷主要為局部區(qū)域的減薄率過大和局部區(qū)域的應(yīng)變處于平面應(yīng)變狀態(tài)，并且試驗(yàn)與有限元分析結(jié)果相吻合;2)基于正交試驗(yàn)法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明影響側(cè)墻板最大減薄率主要工藝參數(shù)為壓邊力，其次為拉深筋高度以及摩擦系數(shù);3)通過工藝參數(shù)方案的優(yōu)化使零件的最大減薄率明顯降低，平面應(yīng)變狀態(tài)也得到改善．

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(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳扼西)

Study on Formability of Automotive Panel and Optimization of Stamping Process Parameters

LI Yi1，ZHANG Huo-tu2，LI Yan-ping1，HU Zhi-chao1，WANG Qin-feng1
(1．School of Mechanical Engineering，Jimei University，Xiamen 361021，China;2．Xiamen Huadian Switchgear Co．，Ltd，Xiamen 361006，China)

The formability of an automotive sidewall plat was investigated by CAE and experiment．The effects of stamping process parameters on the formability were analyzed by orthogonal experiment．The results showed that localized plane strain state and severe thinning in the sidewall plate caused the plate close to be fracture．The blank holder force had the most significant effect on the thickness reduction of the sidewall plate．The optimization of the process parameters obtained by the orthogonal experiment effectively mitigated the plane strain state as well as the maximum thickness reduction．The experimental results were in agreement with those from finite element analysis．

automotive panel;stamping;eta/DYNAFORM;orthogonal experiment;optimization of process parameters

TG 386

A

1007－7405(2012)04－0287－06

2011－12－31

2012－02－27

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2011J05136);集美大學(xué)科研預(yù)研基金項(xiàng)目 (ZQ2012001)

李毅 (1979—)，男，講師，博士，從事金屬板材成形與數(shù)值模擬研究．