林啟豪，陳其生，劉萍萍

汽車橫梁加強(qiáng)板成形工藝設(shè)計(jì)及成形優(yōu)化

林啟豪，陳其生，劉萍萍

（泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué) 中營(yíng)汽車學(xué)院，福建 晉江 362268）

為解決某品牌汽車的橫梁加強(qiáng)板成形質(zhì)量問(wèn)題，完成沖壓工序、沖壓方向、工藝補(bǔ)充面和拉延筋等關(guān)鍵工藝的設(shè)計(jì)，通過(guò)Dynaform軟件完成變壓邊力、模具間隙、沖壓速度和摩擦系數(shù)等4個(gè)工藝參數(shù)的正交實(shí)驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)組合并進(jìn)行仿真分析和試模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：試模件的最大厚度為1.28mm、最小厚度為1.05mm、最大回彈量為1.31mm，試模件與仿真結(jié)果的最大厚度、最小厚度和最大回彈量誤差分別為1.6%、3.8%和6.1%，結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求。

汽車橫梁；沖壓成形；工藝參數(shù)；成形優(yōu)化

汽車數(shù)量的日益增多以及其使用的日益普及，導(dǎo)致汽車尾氣對(duì)環(huán)境的污染越來(lái)越嚴(yán)重，石油能源也越來(lái)越短缺。通過(guò)減輕車身重量可以降低油耗和減少二氧化碳的排放，因此，如何實(shí)現(xiàn)汽車輕量化受到各大汽車產(chǎn)商的關(guān)注，成為汽車企業(yè)的研究重點(diǎn)[1–2]。汽車輕量化的主要方法有結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化，其中材料優(yōu)化主要是利用高性能材料替換傳統(tǒng)材料以達(dá)到減輕車身重量目的。高強(qiáng)鋼是一種高性能材料，具有較高的安全性，能在汽車輕量化中得到廣泛應(yīng)用[3–4]。但高強(qiáng)鋼在成形過(guò)程中常常會(huì)有開裂、拆皺和回彈等缺陷，開裂會(huì)影響零件的安全性，拆皺會(huì)影響零件的美觀，回彈會(huì)影響到零件后續(xù)的裝配精度，因此，如何排除這些缺陷是汽車零件成形研究的重點(diǎn)[5–6]。影響汽車零件成形質(zhì)量的因素有很多，如果僅靠現(xiàn)場(chǎng)工程師通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)來(lái)消除缺陷，則需要消耗大量時(shí)間成本和物質(zhì)成本，影響汽車生產(chǎn)周期。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，可以通過(guò)仿真軟件對(duì)零件成形工藝和成形參數(shù)進(jìn)行分析，使其達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。本文以某品牌汽車的橫梁加強(qiáng)板為實(shí)例，通過(guò)工藝分析完成成形工序的設(shè)計(jì)，利用正交實(shí)驗(yàn)法完成變壓邊力、沖壓速度、摩擦系數(shù)和模具間隙等4個(gè)成形工藝參數(shù)優(yōu)化。

1 汽車橫梁加強(qiáng)板成形工藝設(shè)計(jì)

1.1 沖壓成形工序設(shè)計(jì)

圖1為某品牌汽車的橫梁加強(qiáng)板三維設(shè)計(jì)圖，零件在橫梁上起著加強(qiáng)穩(wěn)固作用。零件設(shè)計(jì)厚度為1.2mm，要求零件成形后厚度在0.96～1.32mm之間，最大回彈量要求要小于1.5mm。從圖1可以看出，零件左右不完全對(duì)稱，中間區(qū)域深度較深，左右兩側(cè)與中間區(qū)域過(guò)渡角比較容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，根據(jù)零件特點(diǎn)和模具設(shè)計(jì)要求，零件成形工序擬設(shè)為拉延–修邊沖孔–翻邊–整形。

圖1 汽車橫梁加強(qiáng)板

1.2 沖壓成形工藝設(shè)計(jì)

1.2.1 沖壓方向選擇

沖壓方向是沖壓成形工藝設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵一步，適當(dāng)?shù)臎_壓方向能讓模具上模順利進(jìn)入下模，同時(shí)也可使板料受力均勻使板料塑性變形更充分，提高成形質(zhì)量[7]。汽車橫梁加強(qiáng)板的成形采用凸模在下凹模在上的加載方式，成形時(shí)要確保上下模的工作面都接觸，一次性完成成形；同時(shí)壓料面要保持進(jìn)料阻力均勻，如果進(jìn)料阻力不均勻，則會(huì)引起材料在模具中竄動(dòng)，從而降低零件的成形質(zhì)量，因此，選擇零件左右兩側(cè)平面的法線作為沖壓方向，如圖2所示。

圖2 汽車橫梁加強(qiáng)板沖壓方向

1.2.2 工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)

汽車橫梁加強(qiáng)板需要多個(gè)工序成形，為保證拉延工序順利進(jìn)行，需要將零件孔、槽以及邊緣進(jìn)行填充和增補(bǔ)設(shè)計(jì)，工藝補(bǔ)充要滿足拉深、壓料等要求，完成工藝補(bǔ)充面和壓料面如圖3所示。

圖3 工藝補(bǔ)充面

1.2.3 拉延筋設(shè)計(jì)

拉延筋在拉延中起著控制板料流動(dòng)的作用，其設(shè)計(jì)是否合理直接影響到成形質(zhì)量[8]。拉延筯有圓形筋、矩形筋、三角筋和階梯形筋等4種，其中圓形筋使用最為廣泛[9]。

圖4 拉延筋設(shè)計(jì)

圖4為汽車橫梁加強(qiáng)板圓形筋拉延筋分布，零件中間區(qū)域拉延較深，在拉延時(shí)四周的材料會(huì)快速向中間流動(dòng)，造成起皺或成形不足夠現(xiàn)象，零件的左右兩側(cè)凸圓角在成形時(shí)材料流動(dòng)性差容易發(fā)生開裂現(xiàn)象，為防止上述問(wèn)題對(duì)拉延筋進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。

1.2.4 有限元模型設(shè)計(jì)

將上述設(shè)計(jì)好的凹模型面導(dǎo)入有限元Dynaform軟件，完成凹模、凸模、壓邊圈和板料以及材料參數(shù)等設(shè)置，如圖5所示。板料牌號(hào)為B530L，參數(shù)見表1。

表1 板料參數(shù)

圖5 有限元模型

2 汽車橫梁加強(qiáng)板成形優(yōu)化研究

2.1 正交實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

影響零件成形的因素除了模具設(shè)計(jì)因素外還有成形工藝參數(shù)，例如壓邊力、沖壓速度、模具間隙和摩擦系數(shù)等參數(shù)，其中壓邊力最關(guān)鍵[10]。壓邊力是指成形過(guò)程中施加于壓邊圈上的作用力，壓邊力分為恒定壓邊力和變壓邊力，恒定壓邊力是指在成形中壓邊力大小一直是一個(gè)恒定值，變壓邊力是指在成形中壓邊力的大小隨壓邊圈行程或時(shí)間的變化而變化的一種形式，變壓邊力與恒定壓邊力相比能夠更有效控制成形中板料的流動(dòng)性，從而更好減少零件出現(xiàn)開裂和折皺等缺陷。

選取變壓邊力、模具間隙、沖壓速度和摩擦系數(shù)作為正交試驗(yàn)因素，以最大厚度和最小厚度為評(píng)價(jià)目標(biāo)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化。變壓邊力形式有遞增型、遞減型、Λ型和V型等形式，根據(jù)壓邊力計(jì)算公式（式1）計(jì)算得變壓邊力的最高值為3500kN、最低值為2500kN，完成三種加載形式設(shè)計(jì)如圖6所示；根據(jù)沖壓成形模具間隙的推薦取值為板料厚度的1.0～1.2倍之間，本實(shí)驗(yàn)?zāi)＞唛g隙選取1.2mm、1.32mm和1.44mm；沖壓速度的大小會(huì)影響生產(chǎn)效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常為3000～6000mm/s，考慮到實(shí)際機(jī)床的狀況本實(shí)驗(yàn)沖壓速度選取3000mm/s、4000mm/s和5000mm/s；影響摩擦的因素有很多，為了能符合真實(shí)生產(chǎn)情況，摩擦系數(shù)通常在0.1～0.3之間，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)選取0.15、0.20和0.25，各因素各水平取值表見表2。

=×（1）

式中：為壓邊力（kN）；為壓邊圈的面積（mm2）；為單位壓邊力（MPa）。

表2 各因素各水平取值

圖6 變壓邊力加載形式

2.2 正交結(jié)果及優(yōu)化

將正交實(shí)驗(yàn)的各工藝參數(shù)組合通過(guò)有限元Dynaform軟件進(jìn)行仿真成形分析，獲得各工藝參數(shù)組合的最大厚度和最小厚度的結(jié)果，如表3所示。從表3分析結(jié)果可以看出，9組實(shí)驗(yàn)零件的最大厚度在1.08～1.23mm之間均無(wú)超過(guò)零件允許值（最大厚度小于1.32mm），最小厚度在0.93～1.17mm之間，第1和7組實(shí)驗(yàn)的最小厚度超過(guò)零件允許值（最小厚度大于0.96mm），9組實(shí)驗(yàn)最大回彈量在1.97～2.59mm之間，均超過(guò)允許值（回彈小于1.5mm）。

表3 各工藝參數(shù)組的正交試驗(yàn)分析結(jié)果

為進(jìn)一步分析各因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)影響的主次程度和優(yōu)化最佳工藝參數(shù)組合，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，如表4和表5所示。其中極差值大小是反應(yīng)因子的水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響主次程度。從表4可以看出影響零件最大厚度因素的主次順序?yàn)樽儔哼吜?、摩擦系?shù)、沖壓速度、模具間隙，從表5可以看出影響零件最小厚度因素的主次順序?yàn)樽儔哼吜Α⒛＞唛g隙、沖壓速度、摩擦系數(shù)。由于汽車橫梁加強(qiáng)板屬于內(nèi)部零件，不受外觀影響且9次實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大厚度都符合設(shè)計(jì)要求，而過(guò)小的厚度會(huì)使零件剛強(qiáng)不足影響零件的安全性，因此，將最小厚度作為主評(píng)價(jià)目標(biāo)，最大厚度作為次評(píng)價(jià)目標(biāo)，獲得最佳工藝參數(shù)為變壓邊力形式3、模具間隙1.44mm、沖壓速度4000mm/s、摩擦系數(shù)0.25。

表4 最大厚度的極差分析

表5 最小厚度的極差分析

2.3 最佳工藝參數(shù)模擬分析

將上述的最佳工藝參數(shù)在有限元Dynaform軟件進(jìn)行拉延仿真和切邊分析，得到優(yōu)化后零件的成形極限（圖7）、零件厚度分布結(jié)果（圖8）和切邊回彈分布結(jié)果（圖9）。

圖7 零件的成形極限

圖8 零件的厚度分布

圖9 零件的回彈分布

從圖7中可以看出，零件無(wú)開裂現(xiàn)象，整體成形質(zhì)量良好；從圖8可以看出零件最大厚度為1.26mm、最小厚度為1.01mm，均符合設(shè)計(jì)要求；從圖9可以看出零件回彈主要是發(fā)生在左側(cè)，最大回彈量為1.23mm符合設(shè)計(jì)要求，相比表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大回彈量有明顯降低。

3 試模驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)的模具型面通過(guò)CAD軟件完成拉延工序模具設(shè)計(jì)如圖10所示。將最佳工藝參數(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)中，完成零件試模并利用激光切割機(jī)切除試模件邊緣和孔區(qū)域的材料，如圖11所示。從圖11可以看出，零件成形充分，無(wú)開裂現(xiàn)象，中間區(qū)域有輕微起皺現(xiàn)象，整體質(zhì)量較好。通過(guò)厚度測(cè)量?jī)x和檢具測(cè)得試模件的最大厚度為1.28mm，最小厚度為1.05mm，最大回彈量為1.31mm，誤差均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)；試模件與仿真結(jié)果的最大厚度、最小厚度和最大回彈量誤差分別為1.6%、3.8%和6.1%，說(shuō)明了工藝設(shè)計(jì)和成形工藝參數(shù)優(yōu)化的有效性。

圖10 拉延工序模具設(shè)計(jì)

圖11 試模件

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的分析，完成了補(bǔ)充面和拉延筋設(shè)計(jì)以及有限元模型設(shè)計(jì)；采用有限元Dynaform軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，得出影響零件最大厚度因素的主次順序?yàn)樽儔哼吜?、摩擦系?shù)、沖壓速度、模具間隙，影響零件最小厚度因素的主次順序?yàn)樽儔哼吜?、模具間隙、沖壓速度、摩擦系數(shù)。確定最佳工藝參數(shù)為變壓邊力形式3、模具間隙1.44mm、沖壓速度4000mm/s、摩擦系數(shù)0.25，并進(jìn)行仿真分析和試模實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合成形質(zhì)量較好，最大厚度為1.28mm，最小厚度為1.05mm，最大回彈量為1.31mm，誤差均在零件設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

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Forming Process Design and Optimization of Automobile Beam Stiffener

LIN Qi-hao, CHEN Qi-sheng, LIU Ping-ping

(Zhongying Automobile College, Quanzhou Vocational and Technical University, Jinjiang Fujian 362268, China)

In order to solve the forming quality problem of beam stiffener of a brand of automobile, the design of key processes such as stamping process, stamping direction, process supplementary surface and drawing rib is completed. The orthogonal experiments of four process parameters such as variable blank holder force, die clearance, stamping speed and friction coefficient are completed through Dynaform software. The optimal combination of process parameters is determined, and the simulation analysis and mold test experiment are carried out. The experimental results show that the maximum thickness of the test mold is 1.28mm, the minimum thickness is 1.05mm and the maximum springback is 1.31mm. The errors of the maximum thickness, minimum thickness and maximum springback between the test mold and the simulation results are 1.6%, 3.8% and 6.1% respectively. The results meet the design requirements.

stamping forming; process parameters; forming optimization

2022-04-13

福建省教育廳中青年教師教育科研項(xiàng)目（JZ180975）

林啟豪（1987—），男，廣東信宜人，講師，碩士，研究方向：汽車輕量化、車輛工程、新能源汽車。

TG386.1

A

2095-9249（2022）03-0032-05

〔責(zé)任編校：吳侃民〕