賈星鵬 ，龔紅英 ，尤 晉 ，劉尚保 ，王 斌

（1. 上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院，上海 201620；2. 迪艾工程技術(shù)軟件（上海）有限公司，上海 200030）

汽車覆蓋件是一類典型沖壓零件，具有表面質(zhì)量要求高、結(jié)構(gòu)尺寸大、造型復(fù)雜的特點[1]，從理論上講，其成形過程同時包含了幾何非線性、材料非線性和邊界非線性等，是一個復(fù)雜的力學(xué)過程[2]. 在早期，傳統(tǒng)的車身覆蓋件的模具設(shè)計主要通過試模法逐步修改完成，完全依賴于設(shè)計人員的工作經(jīng)驗，其生產(chǎn)周期長、效率低、消耗大量人力和物力. 隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的試模法正被有限元法逐步代替. 汽車覆蓋件常用的板料成形模擬軟件包括PAM?STAMP、DYNAFORM、AUTOFORM等[3]. 其中DYNAFORM作為廣泛使用的模擬分析軟件，具有方便的CAD接口，豐富的材料模型及先進的接觸處理方法等功能，可以求解多種板料成形問題，預(yù)測復(fù)雜的成形缺陷，分析各類工藝參數(shù)的影響，極大地減少了設(shè)計時間，提高了生產(chǎn)效率[4]. 李兵等[5]借助DYNAFORM軟件，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對油箱端蓋的拉深成形過程進行數(shù)值模擬，考察板料最大減薄率與最大增厚率的試驗值與模擬值之間的相對誤差，驗證有限元模型的正確性；Wang等[6]對汽車前地板沖壓成形過程進行模擬和分析，通過調(diào)整壓邊力、板料形狀和拉延筋設(shè)置，得到最優(yōu)工藝方案；陳澤中等[7]建立SUV汽車B柱熱—力—相耦合模型，研究B柱典型U形截面受力情況和溫度場分布，同時分析B柱厚度、減薄率、屈服應(yīng)力、硬度變化情況；田國富等[8]對6016鋁合金汽車機艙蓋模面進行優(yōu)化，通過正交試驗研究多種工藝參數(shù)對成形質(zhì)量的影響，再結(jié)合模面補償技術(shù)，研究回彈量隨補償因子的變化趨勢.

本研究對某汽車電機蓋板進行沖壓成形數(shù)值模擬分析研究，借助DYNAFORM軟件建立有限元模型，通過確定考察目標，研究拉深成形過程中主要工藝參數(shù)對板料成形質(zhì)量影響的規(guī)律，采用正交設(shè)計加綜合分析法，從中選出最優(yōu)工藝參數(shù)組合，改善成形效果.

1 電機蓋板成形仿真數(shù)值模擬

1.1 電機蓋板成形工藝分析

零件為某重型機械車輛中電機部分所用覆蓋件，如圖1所示. 該零件具有尺寸大、拉深淺的特點，尺寸精度及使用剛性要求高，需要拉延、修邊兩步工序，最終的零件質(zhì)量由回彈結(jié)果來描述. 其中拉延工序決定產(chǎn)品的表面質(zhì)量，同時也最容易產(chǎn)生各類缺陷，因此，本研究主要研究該電機蓋板的拉延成形過程.

圖1 零件三維圖Fig. 1 3D drawing of part

該零件材質(zhì)為DC05，厚度1 mm，板料尺寸1 312 mm×576 mm，DC05抗拉強度高，韌性好，適用于汽車零部件生產(chǎn)，材料性能參數(shù)見表1.

表1 材料性能參數(shù)Table 1 Material property parameters

1.2 電機蓋板有限元模型建立

首先將電機蓋板的三維數(shù)模導(dǎo)入DYNAFORM中，設(shè)置為單動拉延，上模基準. 對板料片體進行網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，通過接觸偏置方法從凹模網(wǎng)格中偏置生成凸模和壓邊圈網(wǎng)格，調(diào)整工模具位置，得到的有限元模型如圖2所示.

圖2 有限元模型Fig. 2 Finite element model

模擬研究中主要沖壓工藝參數(shù)設(shè)置如下：合模速度5 000 mm/s，拉深速度2 000 mm/s，壓邊力經(jīng)過計算取800 kN，凸凹模間隙1.1t （t為板料厚度），摩擦因數(shù)0.125. 調(diào)整最小時間步長和最小網(wǎng)格尺寸為系統(tǒng)推薦值，提交求解器運算后得到成形極限圖如圖3所示. 由圖可見，零件拉延成形后出現(xiàn)大面積成形不足現(xiàn)象，并且在凸臺邊緣處有部分起皺，厚度云圖如圖4所示. 該零件在凸臺頂角處減薄率最大，同時凸臺邊緣多處存在增厚現(xiàn)象. 根據(jù)一般汽車覆蓋件技術(shù)要求認為板料最大減薄率大于30%時存在破裂風(fēng)險，最大增厚率大于3%時存在起皺風(fēng)險. 由圖3和圖4可知，零件凸臺頂角處為整體變形最大、厚度變化最大的部分，其次為凸臺邊緣部分，與平坦的零件臺面相比，凸臺頂角及邊緣處更易產(chǎn)生破裂和起皺缺陷，下面將主要針對此處進行優(yōu)化分析.

圖3 成形極限圖Fig. 3 Forming limit diagram

圖4 厚度云圖Fig. 4 Thickness diagram

2 汽車電機蓋板工藝及參數(shù)優(yōu)化

2.1 各工藝參數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響

針對初次模擬結(jié)果中出現(xiàn)的成形缺陷，在初次模擬設(shè)置基礎(chǔ)上，結(jié)合成形極限圖與零件最大減薄率及最大增厚率，研究在成形過程中壓邊力、摩擦因數(shù)、沖壓速度及凸凹模間隙各工藝參數(shù)對拉延成形質(zhì)量的影響規(guī)律，分析缺陷產(chǎn)生的原因，確 定工藝參數(shù)的選取范圍.

2.1.1 壓邊力優(yōu)化

壓邊力是影響拉延成形質(zhì)量的主要參數(shù)之一.通過改變壓邊力的大小，可以控制板料的流動阻力，從而調(diào)節(jié)零件的變形情況，當(dāng)壓邊力過大時，易導(dǎo)致零件的破裂缺陷，同時加劇模具磨損，影響模具壽命；當(dāng)壓邊力數(shù)值過小時，易導(dǎo)致成形不足或起皺現(xiàn)象. 為研究不同壓邊力對該零件拉延成形質(zhì)量的影響，在初次模擬中，保持其余參數(shù)不變，分別設(shè)置壓邊力F數(shù)值為：500、600、700、800、900、1 000、1 100、1 200、1 300 kN，進行數(shù)值模擬. 模擬結(jié)果最大減薄率與最大增厚率隨壓邊力的變化趨勢，如圖5所示.

圖5 最大減薄率與最大增厚率隨壓邊力的變化趨勢Fig. 5 Trends of the maximum thinning rate and the maximum thickening rate with binder force

由圖5可知，壓邊力逐漸增大時，最大增厚率逐漸減小，而最大減薄率在壓邊力較大時變化不明顯. 由圖6可知，當(dāng)壓邊力小于800 kN時，零件凸臺邊緣處存在部分嚴重起皺區(qū)域，壓邊力大于800 kN時，起皺現(xiàn)象得到明顯改善. 經(jīng)綜合考慮，壓邊力取值800～1 200 kN.

圖6 壓邊力1 000 kN下的成形極限圖Fig. 6 Forming limit diagram of 1 000 kN binder force

2.1.2 摩擦因數(shù)優(yōu)化

在拉延成形過程中，摩擦因數(shù)也對板料的流動有較大的影響. 摩擦因數(shù)增大導(dǎo)致板料的流動阻力增大，從而使得板料流動速度小于板料變形速度，零件變形區(qū)缺少板料流入補充，變形量增大使得成形更加充分，當(dāng)摩擦因數(shù)過大時，則會出現(xiàn)局部破裂現(xiàn)象. 取壓邊力F=1 000 kN，其他參數(shù)保持不變，分別修改摩擦因數(shù)μ為0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18進行數(shù)值模擬.模擬結(jié)果最大減薄率與最大增厚率隨摩擦因數(shù)的變化趨勢如圖7所示.

圖7 最大減薄率與最大增厚率隨摩擦因數(shù)的變化趨勢Fig. 7 Trends of the maximum thinning rate and the maximum thickening rate with friction coefficient

由圖7可知，摩擦因數(shù)逐漸增大時，最大增厚率逐漸減小，而最大減薄率無明顯變化. 由圖8可知，當(dāng)摩擦因數(shù)小于0.13時，零件凸臺邊緣處存在小范圍嚴重起皺區(qū)域，摩擦因數(shù)大于0.13時，消除了嚴重起皺現(xiàn)象，且成形效果隨著摩擦因數(shù)的不斷增大而逐漸改善. 經(jīng)綜合考慮，摩擦因數(shù)取值0 .13～0.17.

圖8 摩擦因數(shù)0.15下的成形極限圖Fig. 8 Forming limit diagram of 0.15 friction coefficient

2.1.3 沖壓速度優(yōu)化

沖壓速度是影響拉延成形質(zhì)量的一個重要因素. 沖壓速度的大小影響板料厚度變化的均勻性.取摩擦因數(shù)μ=0.15，其他參數(shù)保持不變，修改沖壓速度分別為1 000、2000、3 000、4 000、5 000、6 000、7 000、8 000、9 000 mm/s，進行數(shù)值模擬. 模擬結(jié)果最大減薄率與最大增厚率隨沖壓速度的變化趨勢如圖9所示.

圖9 最大減薄率與最大增厚率隨沖壓速度的變化趨勢Fig. 9 Trends of the maximum thinning rate and the maximum thickening rate with stamping speeds

由圖9可知，沖壓速度逐漸增大時，最大增厚率和最大減薄率無明顯變化. 當(dāng)沖壓速度小于4 000 mm/s時，零件凸臺特征處的成形效果無明顯改善，隨著速度不斷增加，安全區(qū)面積不斷擴大，當(dāng)沖壓速度大于8 000 mm/s時，由于板料流動過快，部分區(qū)域沒有及時充分成形，導(dǎo)致零件凸臺上存留起皺痕跡，如圖10所示. 綜合考慮，沖壓速度取值 4 000～8 000 mm/s.

圖10 沖壓速度6 000 mm/s下的成形極限圖Fig. 10 Forming limit diagram of 6 000 mm/s stamping speed

2.1.4 凸凹模間隙優(yōu)化

在拉延成形中，凸凹模間隙影響著板料的流動速度和零件的表面質(zhì)量，取沖壓速度v=6 000 mm/s，其他參數(shù)保持不變，分別修改凸凹模間隙值為1.05t、1.08t、1.10t、1.12t、1.15t、1.18t、1.20t、1.22t、1.25t進行數(shù)值模擬. 模擬結(jié)果顯示，凸凹模間隙逐漸增大時，最大增厚率和最大減薄率變化很小，且凸凹模間隙對該零件拉延成形質(zhì)量的影響很小，故凸凹模間隙取常用默認值1.10t.

通過對以上各工藝參數(shù)的分析可知，在無拉延筋條件下，調(diào)整工藝參數(shù)僅對零件局部成形質(zhì)量有影響，而不能從整體上控制板料的流動狀態(tài)，優(yōu)化零件的成形質(zhì)量.

2.2 拉延筋優(yōu)化

拉延筋位于凹模壓料面與壓邊圈上，用于減小壓邊力、控制板料各部位的金屬流動，從而達到優(yōu)化零件成形結(jié)果的目的[9]. 通常有兩種拉延筋設(shè)置優(yōu)化方案：

1）設(shè)置分段拉延筋，在法蘭面直邊區(qū)設(shè)置強筋，圓角過渡區(qū)設(shè)置弱筋；

2）設(shè)置重筋，法蘭面內(nèi)部設(shè)阻力較強的拉延筋，外部設(shè)置弱筋[10].

在無拉延筋情況下，本研究中零件大部分區(qū)域都為不充分成形及嚴重起皺狀態(tài)，說明在無拉延筋情況下，板料流動不均勻、變形不充分，此時零件的剛度很差，需要添加拉延筋輔助成形. 由于本研究中零件板料在寬度方向的余量較小，如設(shè)置重筋，會導(dǎo)致外部筋不能全程壓住板料，不能起到控制板料流動的作用，故第2種方案不能滿足要求，本研究采用第1種方案. 由圖3可知，零件圓角處成形充分，故圓角處不設(shè)筋，僅在直邊處設(shè)置拉延筋，由于本零件造型簡單，結(jié)構(gòu)基本對稱，故采用相同的拉延筋設(shè)置，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗將筋沿凸臺圓角向外偏置20 mm分布于凹模上，采用等效拉延筋形式簡化網(wǎng)格劃分，提高計算效率，如圖11所示.

圖11 拉延筋設(shè)置Fig. 11 Drawbeads setting

在拉延筋設(shè)置中，DYNAFORM軟件根據(jù)材料參數(shù)計算得到拉延筋阻力的經(jīng)驗值，稱為完全鎖模力. 可通過調(diào)節(jié)某段筋的阻力系數(shù)來調(diào)整該段筋的阻力值，阻力值即為阻力系數(shù)與完全鎖模力相乘的結(jié)果. 本研究通過調(diào)整DYNAFORM中等效拉延筋的阻力系數(shù)，研究拉延筋的設(shè)置對拉深成形過程的影響. 在初次模擬中添加拉延筋，調(diào)整拉延筋阻力系數(shù) P 為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%進行數(shù)值模擬. 模擬結(jié)果最大減薄率與最大增厚率隨拉延筋阻力系數(shù)的變化趨勢如圖12所示[11].

圖12 最大減薄率與最大增厚率隨拉延筋阻力系數(shù)的變化趨勢Fig. 12 Trends of the maximum thinning rate and the maximum thickening rate with drawbead resistance coeffcients

拉延筋阻力系數(shù)50%下的成形極限圖如圖13所示. 由圖12和圖13可知，拉延筋阻力系數(shù)在40%～50%范圍調(diào)整時，最大增厚率和最大減薄率有明顯地轉(zhuǎn)折變化，當(dāng)阻力系數(shù)大于50%時，最大減薄率超過30%的工藝要求，增大至70%時，圓角處出現(xiàn)破裂風(fēng)險，且由于板料流動不均勻造成凸臺局部拉深不充分；當(dāng)阻力系數(shù)小于40%時，最大增厚率提高，圓角處表現(xiàn)為起皺缺陷，同時拉延筋不能有效限制板料流動，導(dǎo)致凸臺大面積拉深不充分. 經(jīng)綜合考慮，拉延筋阻力系數(shù)取50%.

圖13 拉延筋阻力系數(shù)50%下的成形極限圖Fig. 13 Forming limit diagram of 50%drawbead resistance coeffcient

本研究中零件設(shè)置拉延筋后，可以降低壓邊力的要求，增加模具壽命，取50%拉延筋阻力系數(shù)，對上節(jié)中取值的壓邊力進行重復(fù)試驗，模擬結(jié)果如圖14所示. 當(dāng)壓邊力小于500 kN時，圖凸臺上仍存在大面積拉深不充分現(xiàn)象，此時“拉延筋+低壓邊力”組合效果不明顯. 繼續(xù)增大壓邊力時，成形效果變好，當(dāng)壓邊力大于800 kN時，拉延成形質(zhì)量提升不顯著，且圓角處減薄率超過30%，存在破裂風(fēng)險，故將壓邊力取值范圍調(diào)整至500～800 kN.

圖14 壓邊力700 kN下的成形極限圖Fig. 14 Forming limit diagram of 700 kN binder force

3 正交試驗優(yōu)化

3.1 正交試驗設(shè)計與結(jié)果分析

正交試驗是一種研究多因素多水平的設(shè)計方法，它通過從全部排列組合中選取具有代表性的組合進行試驗，極大地提高了工作效率. 本研究通過正交試驗對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，結(jié)合綜合分析法，尋求最優(yōu)組合.

以壓邊力（A）、摩擦因數(shù)（B）、沖壓速度（C）及凸凹模間隙（D）作為影響因素，以最大減薄率和最大增厚率作為考察目標，建立4因素3水平正交表L9（34），正交表及試驗?zāi)M結(jié)果見表2.

表2 正交試驗結(jié)果及分析表Table 2 Orthogonal experiment results and analysis table

3.2 綜合評分法與極差分析

綜合評分法是一種將多目標優(yōu)化轉(zhuǎn)化成單目標優(yōu)化的方法，先設(shè)立一個評分標準，對各試驗結(jié)果指標進行賦值，再依據(jù)各目標重要程度設(shè)置一個權(quán)數(shù)，然后將各試驗結(jié)果指標的加權(quán)分數(shù)求和作為試驗綜合分數(shù). 本文考察目標中最大減薄率和最大增厚率的權(quán)重設(shè)計以零件破裂和起皺為參考，選取破裂權(quán)重為ω1=0.7，起皺權(quán)重為ω2=0.3[12].最大減薄率和最大增厚率直接反映成形質(zhì)量，故將各試驗結(jié)果指標直接加權(quán)求和得到綜合分，減薄率和增厚率越小越好，故綜合分越小，代表成形質(zhì)量越高，見表3. 再利用極差分析排列出各指標影響強烈程度，尋找各指標最優(yōu)水平與最優(yōu)工藝參數(shù)組合，見表4.

表3 綜合分統(tǒng)計表Table 3 Comprehensive scoring summary table

表4 綜合評分法極差分析表Table 4 Range analysis table of comprehensive scoring method

3.3 最優(yōu)工藝參數(shù)組合模擬試驗

最優(yōu)工藝參數(shù)組合模擬結(jié)果如圖15至圖16所示. 零件基本成形充分，無起皺破裂缺陷，最大減薄率為29.77%，最大增厚率為1.22%，滿足汽車覆蓋件生產(chǎn)工藝要求.

圖15 最優(yōu)工藝參數(shù)組合成形極限圖Fig. 15 Forming limit diagram of the best combination of parameters

圖16 最優(yōu)工藝參數(shù)組合厚度云圖Fig. 16 Thickness diagram of the best combination of parameters

4 結(jié) 語

本研究通過DYNAFORM軟件對某電機蓋板零件進行了數(shù)值模擬分析及優(yōu)化，該零件拉深淺，特征簡單，主要缺陷為圓角處存在破裂風(fēng)險和凸臺處拉深不充分現(xiàn)象，這是由于該零件尺寸較大且缺少特征造型，造成板料流動阻力不足，變形不均勻充分[13]. 本研究以板料最大減薄率和最大增厚率作為考察目標，研究壓邊力、摩擦因數(shù)、沖壓速度、凸凹模間隙對拉延成形質(zhì)量的影響，最終確定各工藝參數(shù)的影響大小排序為：壓邊力、沖壓速度、摩擦因數(shù)、凸凹模間隙；得到的最佳工藝參數(shù)組合為：壓邊力600 kN、摩擦因數(shù)0.16、沖壓速度5 000 mm/s、凸凹模間隙1.10t，模擬結(jié)果表明該組合下的拉延成形質(zhì)量滿足生產(chǎn)工藝要求. 本研究的優(yōu)化方法可提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短生產(chǎn)研發(fā)周期，可為實際生產(chǎn)提供指導(dǎo).