轎車后圍板成形過程數(shù)值模擬及參數(shù)優(yōu)化

吳華英，郭 成，王永信，張 露，王伊卿

(西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院，西安710049)

傳統(tǒng)采用經(jīng)驗方式進行覆蓋件成形工藝設(shè)計，存在著試模周期長，成本高，模具壽命短等問題［1-2］.采用塑性有限元方法，對覆蓋件的成形過程進行數(shù)值模擬，可以全面直觀地了解覆蓋件的整個成形過程，在設(shè)計前期就充分的考慮試模過程中可能會遇到的各類問題，進行模具結(jié)構(gòu)的改進，得到合格的覆蓋件零件.這是一種提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效途徑［3-6］.

為幫助企業(yè)生產(chǎn)出合格的零件，提高其生產(chǎn)效率，本文對某型號轎車后圍板成形工藝設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化進行研究.主要研究內(nèi)容有:對該零件所用材料B170P1進行單向拉伸試驗，得到材料的力學(xué)性能參數(shù);基于試驗測定的材料參數(shù)，應(yīng)用Dynaform軟件對零件的成形過程進行模擬，優(yōu)化拉延筋的受力及成形過程中的工藝參數(shù);對成形之后的零件進行回彈分析及補償.通過試模來驗證研究所得成果.

1 板料力學(xué)性能參數(shù)的測定

1.1 單向拉伸試驗

按GB/T3076-1982選取圖1所示的尺寸進行板料的切割.根據(jù)標準要求，分別選取與軋制方向成0°、45°、90°的三個方向(圖 2)，每個方向上制備三個試樣在拉伸機上進行單向拉伸，測量板料硬化指數(shù)n、厚向異性指數(shù)r，取測量平均值，最終得到表1所示的結(jié)果.對比發(fā)現(xiàn)，測得的參數(shù)和軟件材料庫中的參數(shù)有較大偏差.

圖1 標準樣件尺寸

圖2 試樣截取方向

表1 測得的材料參數(shù)

1.2 板料力學(xué)性能參數(shù)測定的有效性

為了檢驗所測參數(shù)的有效性，分別利用Dynaform材料庫和實際測量材料參數(shù)進行后圍板(圖3)的成形模擬，坯料尺寸為2 060 mm×1 260 mm矩形板料，與實際的拉延成形結(jié)果進行比較.

圖3 后圍板零件圖

1.2.1 邊界處的厚度變化趨勢比較

如圖4所示，取零件的四條邊，在每條邊上均勻的取12個點，測量其在采用軟件材料庫中參數(shù)、實際測量參數(shù)下的仿真厚度和實際試模產(chǎn)品厚度.測量結(jié)果見圖5.

圖4 測量厚度變化位置分布

從圖5可見，采用實際測量的參數(shù)時，模擬的結(jié)果更接近實際試模的結(jié)果，邊2上兩者的結(jié)果基本一致.

1.2.2 整體成形效果的比較

圖6是分別采用材料庫中的材料參數(shù)、實際測量的材料參數(shù)和實際試模結(jié)果的比較.從圖6(a)可以看出，采用材料庫中的材料進行模擬的時候，板件大部分區(qū)域都處于安全區(qū)，沒有出現(xiàn)破裂的區(qū)域.但是采用實際所測參數(shù)進行模擬的時候，零件在右上角的區(qū)域出現(xiàn)了破裂(見圖6(b))，這與實際試模的結(jié)果一致(圖6(c)).

從比較結(jié)果可知，采用實際測量板料力學(xué)參數(shù)進行的數(shù)值模擬更接近于實際試模結(jié)果.因此可以得出，在數(shù)值模擬之前，對材料的力學(xué)性能進行測定是非常有必要的，它可以有效的提高數(shù)值模擬的精度，解決實際試模中的成形問題，進而提高設(shè)計效率.

2 成形過程數(shù)值模擬與參數(shù)優(yōu)化

2.1 成形過程的數(shù)值模擬及優(yōu)化

針對后圍板零件進行工藝補充面的設(shè)計，如圖7所示(初步設(shè)計模型并未包含拉延筋)，進行無拉延筋時板料成形模擬，結(jié)果如圖8所示，零件的周圍出現(xiàn)了大面積的起皺，頂部出現(xiàn)未充分變形拉延區(qū)域.因此，需要設(shè)計拉延筋，以控制材料的流動，實現(xiàn)零件的順利成形.

為了縮短計算時間，在Dynaform中根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計的等效拉延筋布置見圖9，同時，為了便于優(yōu)化各處的拉延筋鎖模力，把拉延筋分為5段，初步設(shè)計的拉延筋的截面圖見圖10.

圖5 不同位置的厚度變化趨勢比較

將各拉延筋鎖模力均設(shè)置成100%，模擬結(jié)果見圖11:零件大部分的區(qū)域都得到了很好的拉延，但在其四周出現(xiàn)了大面積的拉裂現(xiàn)象，未設(shè)置拉延筋時(圖8)，零件頂部已經(jīng)有大面積變形充分區(qū)域.綜合比較以上兩個模擬結(jié)果，對不同位置的拉延筋設(shè)置不同的鎖模力(圖12)，將破裂比較嚴重的上側(cè)和側(cè)邊部分的四條拉延筋設(shè)置成40%，下側(cè)拉延筋設(shè)置成50%.

圖6 整體成形效果的比較

圖7 初始拉延的CAD模型

對改進之后的模型再次進行分析，分析結(jié)果如圖13所示:零件絕大部分區(qū)域都得到了充分的拉延，且都處于安全區(qū)域以內(nèi)，沒有破裂和起皺缺陷出現(xiàn).但在零件的上側(cè)，有一小部分區(qū)域仍具有破裂趨勢，測得此處最大變薄率為22.84%，大于拉延成形中零件所允許的最大變薄率(20%).綜合考慮，此處破裂趨勢的產(chǎn)生可能還受到其他因素的影響，無法通過單獨調(diào)節(jié)拉延筋的鎖模力來完全消除.為得到滿足要求的工藝方案設(shè)計，需研究分析影響成形結(jié)果的其他因素敏感性，獲得主要影響因素進行調(diào)節(jié)，以消除此處的破裂趨勢.

圖8 無拉延筋的模擬結(jié)果

圖9 拉延筋的分布圖

圖10 拉延筋截面

圖11 100%鎖模力下的模擬結(jié)果

2.2 正交試驗優(yōu)化成形過程中的參數(shù)

以正交試驗［7］分析成形過程參數(shù)敏感性，選取零件在A區(qū)域(圖13)最大變薄率作為評定指標，試驗?zāi)康氖前汛颂幾畲笞儽÷蕛?yōu)化至20%以下.選取壓邊力，摩擦系數(shù)，拉延筋深度，凸凹模圓角半徑四個經(jīng)常調(diào)節(jié)的參數(shù)作為正交試驗因子，各因子及其水平見表2.選取L9(34)標準正交試驗表進行試驗，結(jié)果見表3.

圖12 優(yōu)化之后的拉延筋力分布

圖13 拉延筋優(yōu)化之后模擬結(jié)果

表2 正交試驗各因子及其水平

對正交試驗的結(jié)果進行分析可知，對最大變薄率影響最大因素先后次序為:摩擦系數(shù)、拉延筋高度、凸凹模圓角半徑和壓邊力，影響參數(shù)最優(yōu)組合為A2B1C1D3，即為:摩擦系數(shù)=0.1、拉延筋高度=4 mm、凸凹模圓角半徑=10 mm、壓邊力=500 KN.利用該優(yōu)化參數(shù)組合進行數(shù)值模擬，測得零件A區(qū)在此時的最大變薄率為17.8%(圖14)，滿足小于20%的要求，可見優(yōu)化方案是合理的.

表3 正交試驗的結(jié)果

圖14 優(yōu)化之后的模擬結(jié)果

3 回彈分析與補償

3.1 回彈分析

回彈是實際工藝中很難有效克服的成形缺陷之一，它的精確預(yù)示是技術(shù)工程人員非常關(guān)心的問題.本文對成形零件進行回彈分析，并進行回彈補償.圖15是零件整體卸載之后的回彈變形.可以看出，零件最大回彈量達到4.71 mm，不過此處位于壓料面上，在后邊的切邊步驟中，這部分的材料要被切除，因此不做過多的研究.分析最終零件的有效部分可知，回彈量分布主要集中在A、B、C三個區(qū)域，其中，A處最大變形量為1.58 mm，變形方向向上;B區(qū)最大變形量2.17 mm，變形方向向上;C區(qū)最大變形量2.35 mm，變形方向向下.

對零件進行切邊，同時進行切邊回彈分析(圖16)，切邊回彈的最大變形集中在A區(qū)和B區(qū)，其中A區(qū)最大變形量達到2.37 mm，變形方向向上，與前邊整體回彈的結(jié)果相疊加，可以得到此處的最大變形量為3.95 mm.B處在切邊回彈過程中最大變形量為4.99 mm，變形方向同樣是向上，因此整個回彈過程之后，B處的最大變形量為7.16 mm.而C區(qū)域在切邊回彈中的最大變形量是0.63 mm，變形方向向上，疊加之后，C區(qū)域的最大變形量為1.72 mm.

圖15 整體回彈變形

圖16 切邊回彈變形

在實際的生產(chǎn)中，企業(yè)所允許的回彈誤差是3 mm，因此必須對這兩處進行回彈補償，以保證產(chǎn)品質(zhì)量.

3.2 回彈補償

本文采用補償法［8］對零件的回彈變形進行補償.將標準零件模型和最終回彈之后的模型同時導(dǎo)入到軟件中，做截面線(如圖17所示)，共得到20(回彈前后的零件各有十條)條截面線，再將其導(dǎo)入到UG中，對每對相對應(yīng)的截面線分別進行比較，得到零件在不同截面邊界處翹曲角度，如表4所示.

圖17 截面線分布

圖18 補償區(qū)域分布

表4 截面線各處回彈角度值

由表4知零件變形主要集中在A、B、C、D、E五個區(qū)域，A區(qū)域?qū)?yīng)的是零件左側(cè)到截面“5”的上邊部分，補償3.94°;B區(qū)域?qū)?yīng)的是截面“8”到零件右側(cè)的上邊部分，補償1.65°;C區(qū)域集中在零件左側(cè)到截面“2”的下部，補償1.53°;D區(qū)域是截面“4”到截面“7”的下部，補償1.25°;E區(qū)域是截面“8”到零件右側(cè)的下部，由于回彈變形很小，不進行補償，而在A-B、C-D、D-E之間的區(qū)域，均采用過渡方式進行補償.補償之后的CAD模型如圖19所示.

圖19 補償之后的型面圖

對補償之后的模型再次進行成形模擬及回彈分析，測量模型左上角區(qū)域(也就是接近截面“1”上部的位置)的最大誤差(之所以在此處進行測量，是因為根據(jù)前文可以知道，板件的最大變形量集中在左側(cè)的上部，因整體的模型并沒有太大的改變，因此回彈的最大區(qū)域也不會發(fā)生變化).圖20顯示模型左上角最大誤差量(點1和點2之間的距離)為2.54 mm，小于企業(yè)要求的3 mm標準，因此利用補償法減小了成型件的誤差，滿足了設(shè)計要求.

圖20 補償之后的最大誤差

4 試模驗證

按照回彈補償之后的型面進行模具的設(shè)計及加工，并以優(yōu)化之后的參數(shù)進行試模，最終得到合格成形件如圖21所示.將最終的成型件安裝到檢具上，在零件的周圍均勻的取點，測量其誤差(如圖22)，零件的最大誤差為2.5 mm，滿足企業(yè)的要求.

5 結(jié)論

1)板料力學(xué)性能實測參數(shù)的仿真結(jié)果更接近于真實工程數(shù)據(jù)，有助于提高數(shù)值模擬在工程應(yīng)用中的仿真精度和指導(dǎo)價值.

2)仿真調(diào)整成形過程中拉延筋的受力分布，改進了板料流動均勻性，以此優(yōu)化拉延筋結(jié)構(gòu)形狀，優(yōu)化了模具成形工藝，提高了成形質(zhì)量.

圖21 最終成型件

圖22 零件驗收

3)應(yīng)用正交試驗對成形過程中的參數(shù)敏感性進行分析，明晰了對成形質(zhì)量影響較大的主要影響參數(shù)，并針對性加以優(yōu)化，提高了優(yōu)化質(zhì)量.

4)對零件進行仿真切邊回彈分析，比較零件在不同截面邊界處翹曲角度，通過補償法對回彈變形進行了補償，提高了模具成形質(zhì)量，降低了回彈修模帶來的風(fēng)險.

綜合以上結(jié)果可知，經(jīng)驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的優(yōu)化方法是提高產(chǎn)品質(zhì)量及工藝設(shè)計效率的有效途徑.

［1］張立文，陳磊，王富崗.板料超塑性拉延成形過程的數(shù)值模擬［J］.金屬成形工藝，2002，1000-8446:01-0029-03.ZHANG Liw-en，CHEN Lei，WANG Fu-gang.Numerical Simulation of Superplastic Drawing Process of Sheets［J］，Metal Forming Technology，2002，1000-8446:01-0029-03.

［2］李建心.汽車覆蓋件拉延工藝的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.濟南:山東大學(xué).2005.LI Jian-xin.Study on the key technology of auto-body panel forming process［D］.Jinan:Shandong University.2005

［3］NACEUR H，GUO Y.Q，BATOZ J.L，et al.Optimization of drawbead restraining forces and drawbead design in sheet metal forming process［J］.International Journal of Mechanical Science.2001，43:2407-2434.

［4］NACEUR H，GUO Y.Q.Response surface methodology for the design of sheet metal forming parameters to control springback effects［J］.Computers and Structures.2006，84:1651 ～1663.

［5］陳吉清，王蘭超，蘭鳳崇.基于正交試驗的汽車覆蓋件沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.計算機集成制造系統(tǒng).2007，12(12):2440-2446.CHEN Jie-qing，WANG Lan-chao，LAN Feng-chong.Optimization for stamping process parameters of automotive body parts based on orthogonal experiment［J］，Computer Integrated Manufacturing Systems.2007，12(12):2440-2446.

［6］趙茂俞，薛克敏，李萍.多目標質(zhì)量的覆蓋件成形工藝參數(shù)優(yōu)化［J］.機械工程學(xué)報.2009，45(8).ZHAO Mao-yu，XUE Ke-min，LI Ping.Auto panel forming process parameters optimization of multi-objective quality［J］.Journal of Mechanical Engineering.2009，45(8).

［7］劉小為.正交試驗設(shè)計及回歸分析方法［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1983.LIU Xiao-wei.Design of orthogonal test and regression analysis method［M］.Xi′an:Xi′an Jiaotong University Press，1983.

［8］黃 霖，萬 敏.鋁合金厚板時效成形回彈補償算法［J］.航空學(xué)報，2008，05:1406～1410.HUANG Lin，WAN Min.Compensation algorithm for springback in age forming for aluminum alloy thick plate［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2008，05:1406 ～1410.