基于正交試驗的鋁合金覆蓋件模面優(yōu)化?

程 鵬，金飛翔，邵晨曦，修 磊

(1.北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083； 2.合肥學(xué)院機(jī)械工程系，合肥 230601；3.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044)

前言

汽車車身板件沖壓成形工序中最重要的是模面的開發(fā)設(shè)計,國外大部分汽車模具公司,在汽車車身板件成形開發(fā)中模面設(shè)計優(yōu)化占整個產(chǎn)品開發(fā)周期的1/3,主要是因為優(yōu)化后的模面可為企業(yè)減少模具反復(fù)加工的頻率和調(diào)試時間,從而為企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)降低成本和縮短周期[1-2]。隨著汽車輕量化的要求不斷提高,鋁合金在汽車領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其中包括全鋁車身的應(yīng)用,如奧迪A8車型、捷豹路虎等。然而鋁合金板材的沖壓成形性能比鋼板差,容易產(chǎn)生局部破裂和起皺等缺陷,導(dǎo)致成形后汽車覆蓋件的精度很難控制[3-4]。汽車覆蓋件成形模面對產(chǎn)品的成形結(jié)果有重要影響,然而傳統(tǒng)汽車鋼板覆蓋件的成形理論已不適用汽車用鋁合金,文獻(xiàn)[5]中采用DYNAFORM軟件研究了3種典型的各向異性屈服準(zhǔn)則Hill48,Barlat89和YLD2000-2d對成形模擬結(jié)果的影響,并通過試驗對比得出YLD2000-2d屈服準(zhǔn)則的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合最好,數(shù)值模擬的精度最高。文獻(xiàn)[6]中基于正交試驗對7075鋁合金熱成形,利用LS-DYNA進(jìn)行成形工藝參數(shù)的優(yōu)化,獲得一組成形結(jié)果最優(yōu)的工藝參數(shù)。本文中采用Dynaform有限元軟件研究分析了成形模面結(jié)構(gòu)參數(shù)對AA6014-T4鋁合金汽車發(fā)動機(jī)艙蓋(下簡稱機(jī)艙蓋)成形結(jié)果的影響,并基于正交試驗設(shè)計進(jìn)行模面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,最后通過產(chǎn)品的成形試驗進(jìn)行對比分析,得到最優(yōu)的模面結(jié)構(gòu),為模具的設(shè)計制造提供一定的理論依據(jù)。

1 有限元模擬分析與試驗

1.1 有限元模型建立

汽車鋁合金機(jī)艙蓋外板幾何模型如圖1所示,產(chǎn)品尺寸沿對稱中線的最大長度為1 410mm,寬度為1 635mm,厚度為1mm,材料是AA6014-T4鋁合金板材,材料性能參數(shù)如表1所示。圖2為沿軋制方向0°,45°和90°的AA6014-T4鋁合金板材真實應(yīng)力應(yīng)變曲線。圖3為AA6014-T4鋁合金板材的成形極限曲線圖。

圖1 零件幾何模型

基于Dynaform軟件進(jìn)行模面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和產(chǎn)品的成形分析,模面初步設(shè)計的幾何模型如圖4所示,拉延筋幾何結(jié)構(gòu)如圖5所示,板料形狀如圖6所示,初步定義機(jī)艙蓋工藝補充面結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖7所示,修邊延長量為5mm,凸模圓角為25mm,凹模圓角為10mm,拔模斜度為20°。為節(jié)省計算時間,采用虛擬等效拉延筋。根據(jù)文獻(xiàn)確定工藝參數(shù),初步確定恒定壓邊力為55t,摩擦因數(shù)為0.17,虛擬成形速度為1 000mm/s(為提高計算效率,采用虛擬速度方法),模具間隙為1.1mm,接觸方式為Forming_One_Way Surface To Surface[7]。

表1 鋁合金力學(xué)性能參數(shù)

圖2 AA6014-T4鋁合金真實應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖3 AA6014-T4鋁合金成形極限曲線

圖4 模面幾何模型

圖5 拉延筋結(jié)構(gòu)

圖6 板料(mm)

圖7 工藝補充面結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 模擬結(jié)果

圖8 為材料減薄率分布。由圖可見,最大減薄率為26.5%位于后沿圓角過渡區(qū)。根據(jù)工程經(jīng)驗數(shù)據(jù),一般汽車鋁合金覆蓋件板料厚度減少4%～20%是可以接受的,但若減薄率大于20%,則認(rèn)為實際沖壓過程中零件有破裂的危險。圖9為材料流動量分布。從圖9看出,由于中間拉深變形較大,材料的流動比較多,因此需要進(jìn)行工藝面結(jié)構(gòu)調(diào)整,并在成形工藝參數(shù)一定時,分析模面結(jié)構(gòu)參數(shù)對產(chǎn)品成形結(jié)果的影響和優(yōu)化模面結(jié)構(gòu),從而提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量。

圖8 材料減薄率分布

圖9 材料流動量分布

2 模面的優(yōu)化設(shè)計

針對汽車機(jī)艙蓋初步成形模擬結(jié)果的分析表明,鋁合金機(jī)艙蓋局部材料的流動較多,為減緩局部區(qū)域材料的流動速度,進(jìn)行工藝面初步改進(jìn)設(shè)計,如圖10所示。成形模擬和試驗結(jié)果對比如圖11所示。由圖可見,產(chǎn)品成形的局部區(qū)域明顯開裂。因此當(dāng)成形工藝參數(shù)一定時,對產(chǎn)品成形的模面結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)與優(yōu)化。考慮到工藝補充面諸多參數(shù)中,凸模圓角、凹模圓角、側(cè)壁的脫模斜度和零件邊界延長量對產(chǎn)品成形的模面結(jié)構(gòu)影響較大,因此選取上述4個模面結(jié)構(gòu)參數(shù)為因素,每個因素取3個水平進(jìn)行正交試驗,試驗設(shè)計如表2所示。試驗方案結(jié)果分析如表3所示[8]。減薄、增厚和應(yīng)變影響著產(chǎn)品的局部開裂和起皺,同時也決定著制件的成形效果,故試驗結(jié)果以成形件的局部厚度的最大減薄率、最大增厚率和最大主應(yīng)變?yōu)槎恐笜?biāo)[9]。

圖10 修改后的模面

圖11 模擬和試驗結(jié)果

表2 試驗因素與水平

表3 試驗設(shè)計與結(jié)果

3 結(jié)果與討論

拉延成形工藝面主要由產(chǎn)品的型面、工藝補充面和壓料面3部分組成,在產(chǎn)品的型面和壓料面一定的情況下,影響工藝面的重要因素就是工藝補充面的設(shè)計,直接影響到拉延成形過程中材料流動不均勻引起的破裂和起皺等缺陷的產(chǎn)生。

通過對以上9組試驗結(jié)果分析可知：在產(chǎn)品型面的拉深變形區(qū)域,無破裂、破裂傾向和起皺等缺陷產(chǎn)生；試驗1,4,7,8,9中出現(xiàn)了破裂傾向,但主要集中在工藝補充面上,同時9個試驗結(jié)果中都存在起皺缺陷,主要集中在法蘭壓邊區(qū),后期經(jīng)過修邊工序進(jìn)行處理。表4為試驗結(jié)果極差分析,其中分別代表不同水平得到結(jié)果的平均值,R代表局部最大減薄率、最大增厚率和最大主應(yīng)變的極差值。通過極差分析得到的各因素對定量評價指標(biāo)的影響排序如表5所示。圖12為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到的不同因素水平對不同結(jié)果的影響趨勢。由表5可見,模面的拔模斜度對最大減薄率的影響較大,凸模圓角次之。主要著眼于減薄率,適當(dāng)兼顧另兩個指標(biāo),通過對表4正交試驗結(jié)果極差的直觀分析,較優(yōu)工藝面參數(shù)水平組合為A1B3C3D2,對該組合的試驗分析結(jié)果如表6所示。由表可見,其局部最大減薄率為16.596%,優(yōu)于表3中所有方案,最大主應(yīng)變?yōu)?.225,優(yōu)于表3中絕大多數(shù)方案,而最大增厚率為9.531%,雖僅小于表3方案中的最大者,但仍遠(yuǎn)小于有起皺傾向的工程經(jīng)驗值(30%)。圖13為優(yōu)化后成形極限圖和減薄率分布圖。由圖13可以看出,產(chǎn)品型面成形結(jié)果較好,無開裂和起皺缺陷。圖14為優(yōu)化后成形產(chǎn)品主應(yīng)變和材料流動量的分布圖。材料最大流動量為62.78mm,明顯比優(yōu)化前大。圖15為產(chǎn)品成形試驗結(jié)果。由圖15可見,優(yōu)化后產(chǎn)品的成形質(zhì)量較好,無明顯的開裂和起皺。

表4 試驗結(jié)果極差分析

表5 各因素影響排序

表6 優(yōu)化后的試驗結(jié)果

針對不同截面路徑下產(chǎn)品試驗與模擬結(jié)果的對比分析,獲得模擬與試驗的厚度分布結(jié)果,如圖16所示。由圖可知,模擬結(jié)果的厚度與試驗測量結(jié)果有一定誤差,誤差范圍在0.02mm內(nèi),同時模擬計算的厚度分布結(jié)果與試驗結(jié)果的變化趨勢較接近。

圖12 各因素對結(jié)果指標(biāo)的影響

4 結(jié)論

(1)通過正交試驗分析可知,拔模斜度的大小對產(chǎn)品的局部減薄率影響較大,適當(dāng)?shù)卦黾影文Ｐ倍瓤捎行p小最大減薄率,提高產(chǎn)品質(zhì)量。

(2)當(dāng)拉延成形工藝參數(shù)一定時,經(jīng)過優(yōu)化得出模面的邊界延長量為4mm、凸模圓角為20mm、拔模斜度為20°、凹模圓角為10mm的條件下,可獲得較好汽車鋁合金機(jī)艙蓋外板產(chǎn)品。

圖13 優(yōu)化后成形極限結(jié)果和減薄率分布

圖14 優(yōu)化后主應(yīng)變和材料流動分布

圖15 成形試驗結(jié)果

圖16 不同路徑的模擬與試驗厚度分布結(jié)果

(3)通過鋁合金覆蓋件成形試驗和生產(chǎn)結(jié)果檢測對比,得到合格的鋁合金汽車機(jī)艙蓋產(chǎn)品并在主機(jī)廠進(jìn)行批量生產(chǎn),模擬結(jié)果與試驗結(jié)果厚度對比分析,誤差在0.02mm范圍內(nèi),整體分布的趨勢較接近。