蔣磊，趙磊，廖敏，冉奧陽，陳俊偉，張雄飛

（東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心，湖北 武漢430056）

0 引 言

沖模是汽車生產(chǎn)的重要裝備之一，其開發(fā)周期長，制造成本高，在新車型開發(fā)過程中，沖模的開發(fā)約占整個(gè)開發(fā)周期的2/3[1]，其中車身覆蓋件沖模的開發(fā)周期最長。車身覆蓋件沖模開發(fā)過程主要包括成形仿真、工藝設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、實(shí)型鑄造、機(jī)加工拼裝、研配調(diào)試、批量生產(chǎn)等階段，所需周期通常為12～16個(gè)月[2]。其中，研配調(diào)試耗時(shí)最長，而決定研配調(diào)試工時(shí)長短最關(guān)鍵因素是工藝設(shè)計(jì)的合理與否[3,4]。因此，在沖模開發(fā)早期階段，運(yùn)用科學(xué)方式使工藝設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)水平，對(duì)于縮短沖模開發(fā)周期，降低新車型開發(fā)成本有重要作用。

作為車身核心的外覆蓋件，側(cè)圍外板具有厚度薄、結(jié)構(gòu)尺寸大、造型落差大、特征棱線多、制造工藝復(fù)雜、表面質(zhì)量和尺寸精度要求高等特點(diǎn)[5]，其成形過程集幾何非線性、材料非線性以及接觸非線性于一體，材料在變形過程中易失穩(wěn)，導(dǎo)致零件發(fā)生開裂或面畸變[6]。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)于側(cè)圍外板沖模的開發(fā)都采用模面工程（die face engineering，DFE）技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合的方法，利用CAD/CAE協(xié)同響應(yīng)優(yōu)勢(shì)，快速優(yōu)化成形工藝，提高沖模穩(wěn)健性，以減少后期因工藝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的模具改修工作量。

在側(cè)圍外板成形工藝優(yōu)化方面，國內(nèi)學(xué)者開展了諸多研究。胡玉明等[7]應(yīng)用Dynaform對(duì)鋁合金側(cè)圍外板門洞內(nèi)圈拉深筋截面參數(shù)、坯料線預(yù)沖孔圓角、沖壓速度進(jìn)行了優(yōu)化，解決了側(cè)圍外板門洞開裂問題。肖敬偉[8]利用AutoForm對(duì)側(cè)圍外板成形過程進(jìn)行截面分析，求解得出側(cè)圍外板C柱立面最優(yōu)過拉深造型，以較低成本解決了側(cè)圍外板C柱立面起皺問題。姜雪燕[9]基于AutoForm建立了側(cè)圍外板成形工藝過程有限元模型，采用SIGMA模塊開展危險(xiǎn)區(qū)域穩(wěn)健分析，獲取了影響側(cè)圍外板成形開裂的主要因素，通過優(yōu)化材料參數(shù)，改善了側(cè)圍外板在量產(chǎn)中的開裂和縮頸缺陷。喬曉勇等[10]建立了適合覆蓋件沖壓回彈與面畸變CAE分析的設(shè)置規(guī)范，采用基于工程知識(shí)庫與CAE分析相結(jié)合的回彈與面畸變控制方法，消除了側(cè)圍外板C柱A面區(qū)域的面畸變?nèi)毕?。利曉林等[11]通過在工藝補(bǔ)充面增加凸包特征和調(diào)整拉深筋阻力，改善了側(cè)圍外板B柱區(qū)域外表面的面畸變?nèi)毕?。上述研究雖然都解決了開裂或面畸變?nèi)毕?，提高了?cè)圍外板的成形質(zhì)量，但仍然存在以下不足：①對(duì)于成形工藝參數(shù)的優(yōu)化基本局限于坯料線、拉深筋、補(bǔ)充面造型以及沖壓工況條件等易于實(shí)現(xiàn)的方面，而對(duì)于調(diào)整難度較大的拉深筋與工藝補(bǔ)充面同步優(yōu)化以及二者對(duì)成形過程的綜合影響的研究較少；②未考慮側(cè)圍外板成形時(shí)相鄰區(qū)域發(fā)生開裂和面畸變的情況，對(duì)于如何通過工藝參數(shù)優(yōu)化平衡2種缺陷，避免出現(xiàn)開裂和面畸變此消彼長的局面也未見有所研究。

鑒于以上分析，現(xiàn)以某SUV車型側(cè)圍外板為研究載體，依托AutoForm R8仿真平臺(tái)，構(gòu)建側(cè)圍外板成形仿真有限元模型，對(duì)B柱區(qū)域外表面易產(chǎn)生面畸變和內(nèi)表面易產(chǎn)生開裂的問題進(jìn)行綜合分析，篩選影響側(cè)圍外板成形開裂和面畸變的關(guān)鍵工藝參數(shù)，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，運(yùn)用極差分析和綜合評(píng)分法確定能同步解決開裂和面畸變的最優(yōu)成形工藝參數(shù)組合。最后，將最優(yōu)工藝參數(shù)組合用于側(cè)圍外板成形仿真、工藝設(shè)計(jì)以及試模驗(yàn)證，獲得了無開裂及面畸變的成形零件。

1 側(cè)圍外板工藝分析

圖1所示為某SUV車型側(cè)圍外板數(shù)模，其在車身坐標(biāo)系X、Y、Z軸3個(gè)方向的投影尺寸為2 973 mm×316 mm×1 286 mm，料厚t=0.65 mm，材質(zhì)為JAC270D-45/45，力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

對(duì)于SUV車型，側(cè)圍外板與翼子板、前風(fēng)擋、頂蓋、前門、后門、后三角窗、加油口蓋、尾門、尾燈、后保險(xiǎn)杠、裙邊飾板、輪眉護(hù)板等零件存在搭接或配合關(guān)系，成形后的零件不僅要具備足夠的強(qiáng)度、剛度和曲率連續(xù)的外表面，還要具有良好的尺寸精度[12]。通過圖1所示的截面分析可知，側(cè)圍外板前風(fēng)擋搭接區(qū)域、頂蓋搭接區(qū)域、尾門搭接區(qū)域、后保險(xiǎn)杠配合區(qū)域均存在負(fù)角結(jié)構(gòu)，A、B、C柱區(qū)域內(nèi)側(cè)圓角較多且半徑較小，這些區(qū)域不能一次拉深成形，需要先過拉深后再整形才能得到所需的零件形狀。綜合分析各區(qū)域結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形工序內(nèi)容，設(shè)計(jì)了4道工序的側(cè)圍外板沖壓工藝方案：①拉深；②修邊、整形；③翻邊、整形、沖孔；④修邊、翻邊、沖孔。其中，拉深工序是決定側(cè)圍外板成形質(zhì)量的關(guān)鍵工序，因此重點(diǎn)對(duì)拉深工序進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究。

圖1 某SUV車型側(cè)圍外板數(shù)模

2 有限元模型構(gòu)建

2.1 模面設(shè)計(jì)

AutoForm R8擁有強(qiáng)大的曲面快速構(gòu)建功能，其“Die Face”模塊可以快速實(shí)現(xiàn)基于用戶控制的壓料面和工藝補(bǔ)充面的參數(shù)化設(shè)計(jì)和修改。首先根據(jù)成形深度均勻一致、凸模最高點(diǎn)兩側(cè)型面夾角差異最小化、后工序垂直修邊范圍最大化、一次拉深成形區(qū)域無負(fù)角等原則確定側(cè)圍外板沖壓中心（X：1 930 mm，Y：-750 mm，Z：700 mm），沖壓角度為繞車身坐標(biāo)系X軸旋轉(zhuǎn)16°。其次，對(duì)除前、后門洞以外的所有孔洞特征進(jìn)行填充，參照側(cè)圍外板輪廓在車身坐標(biāo)系X、Y軸方向上的走勢(shì)，利用光順連接、大曲率半徑的線條生成壓料面，其中X軸方向的曲率半徑要求R3 000 mm以上，Y軸方向上的曲率半徑要求R600 mm以上，壓料面沿軸輪廓與車身坐標(biāo)系XOY平面夾角控制在15°以內(nèi)。最后，對(duì)外輪廓沿周、前門洞、后門洞分別添加工藝補(bǔ)充面，通過輸入凸模圓角半徑Rp、凹模圓角半徑Rd、拔模角度θ的數(shù)值自動(dòng)生成工藝補(bǔ)充面，得到如圖2所示的側(cè)圍外板拉深工序工藝模面。

圖2 拉深工序工藝模面與工藝補(bǔ)充面截面

2.2 有限元模型

利用AutoForm自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將最大網(wǎng)格單元邊長設(shè)置為10 mm、網(wǎng)格間隙設(shè)置為0.05 mm、最大半徑穿透設(shè)置為0.16 mm、最大單元夾角為22.5°、板料單元大小設(shè)置為12 mm、最大迭代次數(shù)設(shè)置為60次、單元類型選擇EPS-11[13]，拉深筋類型選擇“自適應(yīng)實(shí)體筋（Profile Based 3D &Adaptive Line Bead）”，并通過輸入拉深筋半徑Rb、拉深筋彎曲圓角半徑Rw數(shù)值自動(dòng)生成3D實(shí)體拉深筋。獲得的側(cè)圍外板拉深工序有限元模型與拉深筋截面如圖3所示。

圖3 拉深工序有限元模型與拉深筋截面

2.3 工藝預(yù)分析

結(jié)合沖壓車間工藝條件與同類零件實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將摩擦系數(shù)設(shè)置為0.13[14]、沖壓速度設(shè)置為300 mm/s；壓邊力通過公式FB.H.=PS[15]（其中，F(xiàn)B.H.為壓邊力，P為單位面積壓強(qiáng)，一般取值3 MPa，S為壓料區(qū)域面積）計(jì)算得出為2 200 kN；壓邊圈行程按照略大于拉深成形深度取整數(shù)設(shè)定，通過AutoForm軟件中“Drawing Depth”命令測(cè)量側(cè)圍外板最大拉深成形深度為253 mm，故可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整十?dāng)?shù)圓整，將壓邊圈行程設(shè)置為260 mm。上述參數(shù)設(shè)置完成后提交求解計(jì)算，得到的工藝預(yù)分析結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，側(cè)圍外板B柱立壁過度減薄趨勢(shì)明顯，最大減薄率達(dá)到28.7%，超出拉深減薄率應(yīng)小于20%的成形開裂判斷標(biāo)準(zhǔn)，表明該區(qū)域存在較高的拉深開裂風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)B柱A面區(qū)域最小主應(yīng)變僅2.8%，不滿足A面主應(yīng)變必須大于3%的面畸變判斷標(biāo)準(zhǔn)，表明該區(qū)域存在一定面畸變風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 側(cè)圍外板工藝預(yù)分析結(jié)果

3 成形工藝參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在工藝設(shè)計(jì)階段，解決拉深開裂需要增大凸模圓角半徑Rp、凹模圓角半徑Rd、拔模角度θ、拉深筋半徑Rb和拉深筋彎曲圓角半徑Rw，而對(duì)于解決因主應(yīng)變不足所導(dǎo)致的面畸變則需要對(duì)上述工藝參數(shù)的取值適當(dāng)減小。因此，對(duì)于解決同一區(qū)域開裂和面畸變，在對(duì)策方向上存在相悖的情況，傳統(tǒng)的做法是對(duì)這些工藝參數(shù)在一定取值區(qū)間內(nèi)反復(fù)調(diào)整和試錯(cuò)，當(dāng)工藝參數(shù)較少時(shí)利用該方法可以較快獲取最佳取值[16]；當(dāng)工藝參數(shù)較多時(shí)，各參數(shù)之間的排列組合多達(dá)上百個(gè)，仿真驗(yàn)證的工作量會(huì)呈指數(shù)增長，短期內(nèi)無法獲得工藝參數(shù)的最佳取值，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)和模具開發(fā)周期冗長。

為了快速同步解決側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變問題，現(xiàn)對(duì)凸模圓角半徑Rp（A）、凹模圓角半徑Rd（B）、拔模角度θ（C）、拉深筋半徑Rb（D）和拉深筋彎曲圓角半徑Rw（E）進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。先利用單因素試驗(yàn)確定各工藝參數(shù)的大致取值范圍，再利用正交試驗(yàn)法確定各工藝參數(shù)影響側(cè)圍外板B柱區(qū)域成形質(zhì)量的主次順序及最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

通過單因素試驗(yàn)結(jié)果得出各因素的取值范圍，試驗(yàn)因素A取值R12～R20 mm，以2 mm為級(jí)差逐級(jí)遞進(jìn)；試驗(yàn)因素B取值R20～R28 mm，也以2 mm為級(jí)差逐級(jí)遞進(jìn)；試驗(yàn)因素C取值30°～50°，以5°為級(jí)差進(jìn)行遞進(jìn)；試驗(yàn)因素D取值R5～R9 mm，以1 mm為級(jí)差逐級(jí)遞進(jìn)；試驗(yàn)因素E取值R3～R7，也以1 mm為級(jí)差逐級(jí)遞進(jìn)。運(yùn)用正交試驗(yàn)法建立的5因素5水平正交試驗(yàn)如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

利用建立的5因素5水平正交試驗(yàn)表，得出25組不同因素和水平的試驗(yàn)組合，將上述工藝預(yù)分析仿真文件復(fù)制25份，并分別輸入25組試驗(yàn)組合的工藝參數(shù)取值進(jìn)行求解計(jì)算，以B柱立壁區(qū)域的最大減薄率和B柱A面區(qū)域的最小主應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并分別定義為α、β。通過逐一處理查看成形仿真結(jié)果，得到表3所示的正交試驗(yàn)結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.2 綜合評(píng)分

由表3可知，各因素對(duì)最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)戮休^大影響，且表現(xiàn)各異，無規(guī)律可循。因此，為了科學(xué)評(píng)價(jià)各因素對(duì)最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)碌木C合影響及各因素的主次關(guān)系，采用綜合評(píng)分法分析各因素最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)碌挠绊懀u(píng)分區(qū)間設(shè)置為1～10分。最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)轮械淖顑?yōu)組號(hào)定義為10分，最劣組號(hào)定義為1分，即將最大減薄率α中的最小值和最小主應(yīng)變?chǔ)轮械淖畲笾邓诮M號(hào)定義為10分，最大減薄率α中的最大值和最小主應(yīng)變?chǔ)轮械淖钚≈邓诮M號(hào)定義為1分，其他組號(hào)則按照試驗(yàn)數(shù)值與最優(yōu)值的插值比例賦分。綜合評(píng)分即為各組試驗(yàn)最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)碌脑u(píng)分之和。

表3中最大減薄率α的最優(yōu)值為第16組的12.7%，賦10分，最大減薄率α的最劣值為第1組的36.5%，賦1分；最小主應(yīng)變?chǔ)碌淖顑?yōu)值為第11組的0.087，賦10分，最小主應(yīng)變?chǔ)碌淖盍又禐榈?2組的0.017，賦1分。將其余組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與上述各指標(biāo)中最優(yōu)值按插值比例進(jìn)行賦分，即得到各組試驗(yàn)的最大減薄率α和最小主應(yīng)變?chǔ)碌木C合評(píng)分，綜合評(píng)分結(jié)果如表4所示。

表4 綜合評(píng)分結(jié)果

3.3 極差分析

極差分析可以直觀地展示正交試驗(yàn)中各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響程度，因此為了確定各工藝參數(shù)對(duì)側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變影響的主次順序，需要對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差處理。其中，K=ΣKij（i=1、2、3、4、5；j=A、B、C、D、E），k

=1/5ΣKij（i=1、2、3、4、5；j=A、B、C、D、E），Rj=kmax-kmin，以上述綜合評(píng)分為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析如表5所示。

由表5可知，各因素對(duì)側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變影響的主次順序?yàn)锳＞D＞E＞B＞C，其中，凸模圓角半徑Rp對(duì)B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變的影響最大，拔模角θ對(duì)B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變的影響最小。所得到的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A3D4E2B1C2，即凸模圓角半徑Rp=R16 mm，拉深筋半徑Rb=R8 mm，拉深筋彎曲圓角半徑Rw=R4 mm，凹模圓角半徑Rd=R20 mm，拔模角θ=35°。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

3.4 工藝優(yōu)化分析

根據(jù)極差分析所得出的因素主次順序選取最優(yōu)方案水平，在AutoForm軟件對(duì)工藝預(yù)分析仿真文件進(jìn)行工藝參數(shù)修改，首先在“Die Face”模塊依次將凸模圓角半徑Rp設(shè)為R16 mm，凹模圓角半徑Rd設(shè)為R20 mm，拔模角θ設(shè)為35°，點(diǎn)擊應(yīng)用后自動(dòng)生成新的工藝補(bǔ)充面。然后在“Process”模塊依次將拉深筋半徑Rb設(shè)為R8 mm，拉深筋彎曲圓角半徑Rw設(shè)為R4 mm，最后再次提交求解計(jì)算，成形仿真結(jié)果如圖5所示。成形性云圖如圖5（a）所示，側(cè)圍外板變形充分，B柱立壁區(qū)域處于成形裕度范圍內(nèi)，無開裂風(fēng)險(xiǎn)；減薄率云圖如圖5（b）所示，側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域最大減薄率為14.8%，未超出20%的拉深減薄率極限，且存在較大的減薄裕度，說明工藝優(yōu)化后側(cè)圍外板不會(huì)發(fā)生過度減薄所導(dǎo)致的拉深開裂；主應(yīng)變?cè)茍D如圖5（c）所示，側(cè)圍外板B柱A面區(qū)域最小主應(yīng)變?yōu)?.038，滿足A面主應(yīng)變必須大于3%的面畸變判斷標(biāo)準(zhǔn)，表明該區(qū)域獲得了足夠的塑性變形，形狀凍結(jié)性較好，發(fā)生面畸變的風(fēng)險(xiǎn)較低。綜上所述，按照優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行側(cè)圍外板工藝模面設(shè)計(jì)與成形仿真，可獲得良好的成形質(zhì)量。

圖5 側(cè)圍外板工藝優(yōu)化分析結(jié)果

4 方案驗(yàn)證

將上述正交試驗(yàn)方案和優(yōu)化后的成形工藝參數(shù)應(yīng)用于側(cè)圍外板設(shè)計(jì)開發(fā)及加工制造，最終調(diào)試穩(wěn)定的側(cè)圍外板拉深模如圖6（a）所示。利用拉深模進(jìn)行側(cè)圍外板批量生產(chǎn)，得到圖6（b）所示的拉深成形件。通過實(shí)物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，零件成形質(zhì)量良好，無開裂、起皺以及面畸變等缺陷，實(shí)測(cè)板厚換算得出B柱立壁區(qū)域最大減薄率為15.6%，A面區(qū)域最小主應(yīng)變?yōu)?.042，與工藝優(yōu)化的成形仿真結(jié)果相符，驗(yàn)證了側(cè)圍外板成形工藝參數(shù)優(yōu)化方案的準(zhǔn)確性。

圖6 側(cè)圍外板拉深模與拉深成形件

5 結(jié)束語

（1）在AutoForm初步成形仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于正交試驗(yàn)的成形工藝參數(shù)優(yōu)化方案，利用綜合評(píng)分和極差分析相結(jié)合的方法，得到影響側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域最大減薄率和A面區(qū)域最小主應(yīng)變的因素主次順序：凸模圓角半徑Rp＞拉深筋半徑Rb＞拉深筋彎曲圓角半徑Rw＞凹模圓角半徑Rd＞拔模角θ。

（2）采用優(yōu)化后的成形工藝參數(shù)組合修正側(cè)圍外板拉深工藝模面，并進(jìn)行拉深成形仿真，同步解決了側(cè)圍外板B柱立壁區(qū)域拉深開裂和A面區(qū)域面畸變的問題?；趦?yōu)化后的工藝參數(shù)和有限元分析結(jié)果進(jìn)行模具設(shè)計(jì)開發(fā)及制造調(diào)試，得到成形性和表面質(zhì)量俱佳的零件，試模驗(yàn)證結(jié)果與成形仿真結(jié)果一致性較高，證明了將正交試驗(yàn)與AutoForm有限元分析融合應(yīng)用的有效性。

（3）研究結(jié)果表明，基于正交試驗(yàn)對(duì)AutoForm有限元分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，能快速獲取關(guān)鍵成形工藝參數(shù)的最優(yōu)組合，減少拉深工藝模面設(shè)計(jì)調(diào)整時(shí)間以及試錯(cuò)率，縮短了沖模開發(fā)周期，對(duì)于同類汽車覆蓋件沖模的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。