汽車引擎蓋外板拉延成形工藝參數(shù)優(yōu)化研究*

么大鎖

(天津大學(xué)仁愛學(xué)院 機(jī)械工程系，天津 301636)

0 引 言

汽車覆蓋件成形過程是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，涉及板料在不同塑性成形工序中復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)下產(chǎn)生塑性流動和塑性變形，容易引起破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷問題[1]。因此，在汽車覆蓋件沖壓成形過程中，單憑經(jīng)驗(yàn)往往很難對板料沖壓成形結(jié)果作出合理預(yù)測，進(jìn)而加大了沖壓模具制造、調(diào)模及試模的難度和成本。

為了準(zhǔn)確把握板料沖壓成形性能，在當(dāng)前板料沖壓成形生產(chǎn)中利用先進(jìn)的CAE技術(shù)進(jìn)行汽車覆蓋件成形過程的數(shù)值模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)問題，有效預(yù)防沖壓缺陷的產(chǎn)生，改進(jìn)模具設(shè)計，優(yōu)化沖壓參數(shù)，從而大大縮短調(diào)模試模周期，降低模具制造成本。

大量學(xué)者在應(yīng)用CAE技術(shù)對汽車覆蓋件進(jìn)行沖壓過程模擬及沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化方面進(jìn)行了研究。韓玉強(qiáng)[2-3]對轎車引擎蓋零件進(jìn)行了沖壓成形過程的仿真，預(yù)測了板料成形過程中減薄、拉裂和起皺等缺陷，同時分析了缺陷產(chǎn)生的原因，證明了仿真設(shè)計方法具有實(shí)用性；胡志華[4]采用了輕量化鋁合金成形某車型引擎蓋外板，并進(jìn)行了模擬及優(yōu)化，以成形極限圖、減薄率等為優(yōu)化目標(biāo)，對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化了成形工藝參數(shù)與模面形狀，為鋁合金引擎蓋的生產(chǎn)提供了參考;田麗[5]對前罩外板的成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，預(yù)測了成形過程中板料的開裂、起皺等缺陷。

大量研究人員基于正交試驗(yàn)方法對一些汽車覆蓋件沖壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出了最佳沖壓成形方案，并依據(jù)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)進(jìn)行試模生產(chǎn)得到了滿足要求的覆蓋件[6-11]。以上文獻(xiàn)均通過有限元分析軟件對汽車覆蓋件進(jìn)行了沖壓過程模擬，或通過正交試驗(yàn)與多目標(biāo)優(yōu)化的方法對沖壓成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)行了試模生產(chǎn)，得到了滿足生產(chǎn)要求的沖壓件，驗(yàn)證了數(shù)值模擬技術(shù)和正交試驗(yàn)相結(jié)合方法的可靠性。各文獻(xiàn)中采用正交試驗(yàn)法力求得最佳工藝參數(shù)因素水平組合，大多使用極差法，缺少方差分析、極差分析，不能估計試驗(yàn)中以及試驗(yàn)結(jié)果測定中必然存在的誤差大小，并且參考文獻(xiàn)中對試驗(yàn)結(jié)果好壞的評價大多單純追求最大減薄率和最大增厚率最小值，而對拉延成形是否充分考慮較少。拉延成形是否充分影響覆蓋件的強(qiáng)度，是評價汽車覆蓋件成形質(zhì)量的重要指標(biāo)。

針對上述問題，以汽車引擎蓋外板為例，本文運(yùn)用Dynaform有限元分析軟件對引擎蓋外板拉延成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬；基于正交試驗(yàn)法和極差分析，把最大減薄率作為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合；對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出影響最大減薄率的顯著因素；應(yīng)用優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行模擬仿真，獲得良好的拉延成形效果；使用最優(yōu)工藝參數(shù)組合進(jìn)行試模，獲得滿足質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)的沖壓件，驗(yàn)證正交試驗(yàn)和有限元模擬分析的準(zhǔn)確性。

1 沖壓成形工藝分析

研究對象為汽車引擎蓋外板，引擎蓋外板模型如圖1所示。

圖1 引擎蓋外板模型

該零件屬于汽車外觀件，具有尺寸大、造型復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。根據(jù)汽車覆蓋件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，零件成形后最大減薄率低于25%，最大增厚率低于5%，零件沒有起皺、破裂、拉延不充分等沖壓缺陷[12]。引擎蓋外板的沖壓成形工藝主要包括落料獲得板料毛坯、拉延獲得零件外形、切邊切除邊角余料、沖孔獲得安裝孔、零件翻邊等。拉延成形工序是確保汽車引擎蓋外板成形質(zhì)量最重要的工序。

該工件采用材料為冷軋鋼板DC04，厚度為0.8 mm。材料性能參數(shù)為：屈服強(qiáng)度204 MPa；抗拉強(qiáng)度357.8 MPa；硬化指數(shù)0.211；各項(xiàng)異性系數(shù)1.62；密度7.85 g/cm3；楊氏模量2.07×105MPa；泊松比0.3。

2 有限元分析模型建立

筆者將CATIA軟件中創(chuàng)建的汽車引擎蓋外板模型導(dǎo)入到Dynaform軟件中，選擇單元最大尺寸為15 mm進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定沖壓方向，并進(jìn)行沖壓負(fù)角檢查；通過模面工程模塊創(chuàng)建零件的工藝補(bǔ)充面和壓料面，生成零件的有限元模型，該模型將作為有限元分析過程中的凹模[13]；利用坯料工程模塊將凹模展開，可以得到所需要的坯料形狀；以工藝補(bǔ)充面的邊界裁剪壓料面得到壓邊圈模型，并在壓邊圈上設(shè)置等效拉延筋。

拉延成形有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

利用Dynaform軟件的快速設(shè)置功能，可以自動生成凸模、定義成形工具，設(shè)置沖壓參數(shù)。

3 工藝參數(shù)對拉延成形的影響

筆者選取拉延筋高度、摩擦系數(shù)、沖壓速度、壓邊力、凸凹模間隙等5個工藝參數(shù)作為變量，以得到成形較好的沖壓零件作為目標(biāo)，采用單因素變量法來研究各工藝參數(shù)對拉延成形極限圖、最大減薄率和最大增厚率的影響，確定正交試驗(yàn)取值范圍。最大減薄率超過25%則判定沖壓件破裂，最大增厚率超過5%則判定沖壓件起皺，沖壓件是否拉延充分則通過成形極限圖來判定。

3.1 壓邊力對拉延成形的影響

壓邊力(BHF)的主要作用是增大板料的徑向拉應(yīng)力，從而減小板料的切向壓應(yīng)力，降低板料失穩(wěn)起皺的趨勢。壓邊力過小，控制不了板料發(fā)生起皺的趨勢；壓邊力過大，增大了板料發(fā)生拉裂的趨勢。而且，較大的壓邊力還會加劇模具的磨損，影響模具壽命。因此，要合理選擇壓邊力，保證零件的質(zhì)量和尺寸精度。

壓邊力的確定一般依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

F=qA

式中：F—壓邊力，N；A—壓邊圈下毛坯的投影面積，mm2；q—單位面積壓邊力，MPa。

用毛坯的面積減去工藝補(bǔ)充面邊界圍成的平面面積即為壓邊圈下毛坯的投影面積。筆者利用三維軟件測量壓邊圈下毛坯的投影面積，經(jīng)計算得到壓邊力為495 kN～742.5 kN。由于板料成形效果受多種因素的影響，實(shí)際需要的壓邊力一般比理論或經(jīng)驗(yàn)公式計算值要大。試驗(yàn)方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、摩擦系數(shù)0.13、沖壓速度5 000 mm/s、凸凹模間隙1.1t(t—板料厚度，下同)。

取不同的壓邊力進(jìn)行模擬，壓邊力對拉延成形質(zhì)量的影響如表1所示。

表1 壓邊力對拉延成形的影響

由表1可知，隨壓邊力的增加最大減薄率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，壓邊力對最大減薄率的影響比較明顯；而最大增厚率則先增加后減小，并一直處于安全范圍之內(nèi)；壓邊力小于1 200 N會造成拉延不充分。

3.2 沖壓速度對拉延成形的影響

沖壓速度太快，容易導(dǎo)致板料塑性變形不均勻；反之，會造成沖壓生產(chǎn)效率降低[14]。為提高模擬計算速度，一般將實(shí)際沖壓速度放大，使用虛擬沖壓速度。

試驗(yàn)方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、摩擦系數(shù)0.13、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t，取不同的沖壓速度進(jìn)行模擬，沖壓速度對拉延成形的影響如表2所示。

表2 沖壓速度對拉延成形的影響

由表2可知，隨沖壓速度的增加最大減薄率呈現(xiàn)增加趨勢；最大增厚率先增加后減小，兩者一直處于安全范圍之內(nèi)；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

3.3 摩擦系數(shù)對拉延成形的影響

實(shí)際生產(chǎn)中摩擦條件可以通過涂抹潤滑油、拋光等方法人為改變，使之有利于成形。在數(shù)值模擬中，使用摩擦系數(shù)來表示摩擦條件。摩擦系數(shù)影響拉延筋阻力的大小。

試驗(yàn)方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t，取不同的摩擦系數(shù)進(jìn)行模擬計算，摩擦系數(shù)對拉延成形的影響如表3所示。

表3 摩擦系數(shù)對拉延成形的影響

由表3可知，隨摩擦系數(shù)的增加最大減薄率呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢；而最大增厚率則先增加后減小，并一直處于安全范圍之內(nèi)；摩擦系數(shù)小于0.11會造成拉延成形不充分。

3.4 凸凹模間隙對拉延成形的影響

試驗(yàn)方案為：半圓形拉延筋高度4 mm、拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.13。

取不同的凸凹模間隙進(jìn)行模擬，模具間隙對拉延成形的影響如表4所示。

表4 模具間隙對拉延成形的影響

由表4可知，隨模具間隙的增加，最大減薄率和最大增厚率變化范圍較小,模具間隙對拉延成形的影響不是很明顯；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

3.5 拉延筋高度對拉延成形的影響

調(diào)整拉延筋高度是拉延筋阻力調(diào)整時的首選方案。試驗(yàn)方案為：半圓形拉延筋寬度8 mm、沖壓速度5 000 mm/s、壓邊力1 300 kN、凸凹模間隙1.1t、摩擦系數(shù)0.13。

取不同的拉延筋高度進(jìn)行模擬，拉延筋高度對拉延成形的影響如表5所示。

表5 拉延筋高度對拉延成形的影響

由表5可知，隨拉延筋高度的增加，最大減薄率和最大增厚率均有變化，但變化范圍較小。證明拉延筋高度對拉延成形的影響不是很明顯；沒有拉延成形不充分現(xiàn)象。

4 拉延成形工藝參數(shù)優(yōu)化

4.1 正交試驗(yàn)因素水平確定

通過單因素變量法對各個工藝參數(shù)對引擎蓋外板成形質(zhì)量影響的研究，發(fā)現(xiàn)引擎蓋外板沖壓成形缺陷主要集中在最大減薄率的增加，會發(fā)生拉裂的危險；而各工藝參數(shù)在取值范圍內(nèi)對最大增厚率的影響較小，并且最大增厚率一直在較小安全值范圍內(nèi)變化，并未超過技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所要求的5%。

工藝參數(shù)對最大減薄率的影響是多因素綜合作用的結(jié)果，單因素變量法存在局限性，無法找到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。正交實(shí)驗(yàn)法兼顧全面試驗(yàn)和單因素法的優(yōu)點(diǎn)，利用根據(jù)數(shù)學(xué)原理制作好的正交表來安排試驗(yàn)及分析試驗(yàn)結(jié)果。正交試驗(yàn)設(shè)計是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率試驗(yàn)設(shè)計方法。既能使試驗(yàn)點(diǎn)分布得很均勻，又能減少試驗(yàn)次數(shù)，并得出最優(yōu)水平組合。

本次正交試驗(yàn)以最大減薄率為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)單因素分析結(jié)果，舍棄造成拉延不充分的因素水平。所選因素水平為：壓邊力(1 300 kN，1 400 kN，1 500 kN，1 600 kN)；摩擦系數(shù)(0.12，0.13，0.14，0.15)；沖壓速度(2 000 mm/s，3 000 mm/s，4 000 mm/s，5 000 mm/s)；凸凹模間隙(1.05t，1.1t，1.15t，1.2t)；拉延筋高度(5 mm，6 mm，7 mm，8 mm)，每個因素為4個水平。

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以最大減薄率為優(yōu)化目標(biāo)，按照正交試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，把對拉延成形影響較大的5個工藝參數(shù)作為正交實(shí)驗(yàn)的5個因素，每個因素設(shè)置4個水平。

正交試驗(yàn)表L16(45)及試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

4.3 極差分析

極差分析能夠直觀表示各因素對結(jié)果的影響程度，壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、拉延筋高度和模具間隙對最大減薄率的極差分析如表7所示。

表7 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析

Kij—i水平下j因素所對應(yīng)的最大減薄率的平均值；Rj—各因素的極差

極差的大小表達(dá)了各因素對最大減薄率的影響力的大小。

由表7可知，正交試驗(yàn)各因素對最大減薄率的影響主次順序?yàn)锽>A>C>D>E。其中摩擦系數(shù)對最大減薄率的影響最大，拉延筋高度對最大減薄率的影響最小。得出的最優(yōu)工藝方案為A1B1C2D4E3。

4.4 方差分析

極差分析不能估計試驗(yàn)中以及試驗(yàn)結(jié)果測定必然存在的誤差大小。為了彌補(bǔ)這個缺點(diǎn)，可采用方差分析的方法。

方差分析法是將因素水平的變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與誤差波動所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異區(qū)分開來的一種數(shù)學(xué)方法。

試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表8所示。

表8 方差分析

由表8可知，對最大減薄率影響的顯著因素是摩擦系數(shù)和壓邊力，沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度對最大減薄率的影響不顯著；正交試驗(yàn)各因素對最大減薄率的影響主次順序?yàn)锽>A>C>D>E，與極差分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了極差分析的準(zhǔn)確性。

5 仿真結(jié)果與試模結(jié)果對比

5.1 模擬仿真結(jié)果

筆者應(yīng)用Dynaform有限元分析軟件，按照最優(yōu)工藝方案為A1B1C2D4E3(壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.12、沖壓速度3 000 mm/s、凸凹模間隙1.2t、半圓形拉延筋高度7 mm)進(jìn)行引擎蓋外板拉延成形的模擬仿真，仿真得到引擎蓋外板的成形極限圖如圖3所示。

圖3 成形極限圖

減薄率圖如圖4所示。

圖4 減薄率圖

模擬結(jié)果顯示，應(yīng)用正交試驗(yàn)法得到的最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，引擎蓋外板成形效果良好，無拉延不充分、起皺和拉裂缺陷，最大減薄率為18.424%，最大增厚率為0.999%，符合汽車覆蓋件成形質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 仿真結(jié)果與試模結(jié)果對比

筆者應(yīng)用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的工藝參數(shù)組合，選用200 t壓力機(jī)進(jìn)行拉延成形試模，得到引擎蓋外板拉延成形實(shí)物如圖5所示。

圖5 引擎蓋外板拉延成形實(shí)物

試模結(jié)果拉延成形效果較好，零件主體部分無破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷，工藝補(bǔ)充面部分有輕微起皺，后續(xù)工藝會切除，不影響零件使用。對試模得到的引擎蓋外板，在減薄率圖4所示最大減薄和最大增厚區(qū)域位置用線切割機(jī)床進(jìn)行切割，并使用尖角千分尺測量引擎蓋外板最大減薄區(qū)域和最大增厚區(qū)域的厚度。通過測量及計算，產(chǎn)品最大減薄率為19.585%，最大增厚率為1.047%，成形質(zhì)量較好。

試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比，最大減薄率誤差為6.3%，最大增厚率誤差為4.8%，誤差較小，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)和有限元模擬分析的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)束語

(1)本文對汽車引擎蓋外板的拉延成形工藝進(jìn)行了研究，基于Dynaform板料成形有限元分析軟件，建立了汽車引擎蓋外板拉延成形分析有限元模型；研究了壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度對引擎蓋外板拉延成形的影響規(guī)律。在取值范圍內(nèi)，壓邊力和摩擦系數(shù)對最大減薄率的影響最顯著，最大減薄率隨壓邊力和摩擦系數(shù)的增加而增大；工藝參數(shù)對最大增厚率的影響不是十分明顯，最大增厚率一直在可靠范圍內(nèi)；

(2)應(yīng)用正交試驗(yàn)法和極差法對影響引擎蓋外板拉延成形質(zhì)量的5個工藝參數(shù)優(yōu)化，得到了各因素對優(yōu)化目標(biāo)的影響主次順序?yàn)椋耗Σ料禂?shù)、壓邊力、沖壓速度、凸凹模間隙、拉延筋高度。確定了最優(yōu)工藝參數(shù)組合為壓邊力1 300 kN、摩擦系數(shù)0.12、沖壓速度3 000 mm/s、凸凹模間隙1.2t、半圓形拉延筋高度7 mm；對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出影響最大減薄率的顯著因素，與極差分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了極差分析的準(zhǔn)確性；

(3)應(yīng)用優(yōu)化得到的工藝參數(shù)進(jìn)行拉延成形模擬，所得結(jié)果滿足汽車覆蓋件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，成形效果良好，沒有拉裂、起皺、拉延不充分等缺陷。

本文進(jìn)行了試模試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果相比，最大減薄和最大增厚的誤差均較小，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)和有限元模擬分析的準(zhǔn)確性。

研究結(jié)果表明，應(yīng)用基于正交試驗(yàn)法的數(shù)值模擬技術(shù)能夠提高引擎蓋外板成形質(zhì)量、減少試模次數(shù)、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本。