汽車零件冷沖壓成形質(zhì)量的優(yōu)化

柯桂顏

( 黎明職業(yè)大學(xué) 智能制造工程學(xué)院， 福建 泉州 362000 )

0 引言

約80%的汽車零件是由模具加工制造的，其中有數(shù)百個零件由冷沖壓成形加工而成[1].由于零件在冷沖壓成形過程中會受到多種因素的影響，因此零件在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)起皺、破裂和回彈等一些缺陷問題，而且鋼度越強(qiáng)越容易發(fā)生這些缺陷[2-5].對于這些缺陷，傳統(tǒng)的方法是利用試錯法或經(jīng)驗法(通過調(diào)整各種參數(shù))來解決，但這類方法需要花費大量的人力、物力和時間成本.近年來有限元技術(shù)被逐步應(yīng)用于零件的冷沖壓成形生產(chǎn)中，并取得了良好的效果[6-7].本文以某品牌汽車的后地板橫梁零件為例，利用Dynaform仿真軟件對其板料形狀和拉延筋進(jìn)行了設(shè)計，并通過正交實驗確定了其最優(yōu)工藝參數(shù)組合.

1 后地板橫梁的冷沖壓工藝設(shè)計

圖1為某品牌汽車的后地板橫梁設(shè)計圖.該零件位于汽車后座地板與前座之間，形狀復(fù)雜，尺寸較大，拉延深度較深.板材為HC340，厚度為1.0 mm，沖壓成形后的零件最小厚度要大于0.8 mm，最大厚度要小于1.2 mm.根據(jù)零件特點及對冷沖壓模具的設(shè)計要求，本文將沖壓成形工藝確定為：拉延—切邊沖孔—翻邊—整形.其中：拉延工序是通過上下模具使板料成形(零件基本形狀)；切邊沖孔工序是通過模具把工藝補(bǔ)充面和孔的多余材料切除；翻邊工序是使零件沿著指定邊緣翻拆成一個設(shè)計角度；整形工序是對由各種原因?qū)е滦螤畈缓细竦牧慵M(jìn)行矯正.

圖1 后地板橫梁設(shè)計圖

根據(jù)零件沖壓方向及工藝要求，本文利用CAD軟件對零件的邊緣、孔工藝補(bǔ)充面和拉延模的凹模型面進(jìn)行設(shè)計，如圖2所示.

圖2 拉延模的凹模型面

2 后地板橫梁冷沖壓仿真模型優(yōu)化

2.1 材料力學(xué)參數(shù)的獲取

冷沖壓成形過程中，板材的力學(xué)參數(shù)對成形的質(zhì)量具有決定性作用[8].目前，材料力學(xué)參數(shù)大多是采用仿真軟件材料庫中的數(shù)據(jù)或者材料商提供的數(shù)據(jù)來獲取，但由于鋼材軋制過程中材料存在非均勻變形，以及材料庫或者材料商提供的材料參數(shù)與實際參數(shù)有時存在不完全一致的現(xiàn)象，因此為了確保仿真模型材料參數(shù)的準(zhǔn)確性，本文選取實際使用的零件材料制作拉伸試件(見圖3)并按照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 228.1— 2010)進(jìn)行拉伸試驗.按上述試驗獲取的材料參數(shù)見表1.

圖3 拉伸試件

表1 HC340材料的參數(shù)

2.2 板料形狀的優(yōu)化

優(yōu)化板料形狀可以改善沖壓成形過程中的材料流動性，減少應(yīng)力集中和局部開裂現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而有助于提高成形質(zhì)量和減少后續(xù)的切邊余量.圖4為矩形板料的仿真成形極限圖.由圖4可以看出，零件的中間部分有較大面積的起皺，且左右兩側(cè)的凸圓角出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.圖5為矩形板料形狀成形時的材料流動圖.由圖5可以看出，在成形過程中因板料左右上角的材料流動性較差，零件左右兩側(cè)的凸圓角出現(xiàn)了開裂.為了解決左右兩側(cè)凸圓角的開裂現(xiàn)象，本實驗切除了板料的左右上角(切除后板料呈棱形狀)并對其進(jìn)行了成形仿真.

圖4 矩形板料的成形極限

圖5 矩形板料的流動性

圖6為棱形板料的仿真成形極限圖.由圖6可以看出，零件左右兩側(cè)的凸圓角未出現(xiàn)開裂.圖7為棱形板料在成形過程中的材料流動情況.由圖可以看出，板料在成形過程中其左右上角與模具的接觸面積明顯減少，即材料的流動性得到了明顯改善.

圖6 棱形板料的成形極限

圖7 棱形板料的流動性

2.3 拉延筋的設(shè)計

優(yōu)化板料形狀雖然可消除零件左右兩側(cè)凸圓角的開裂問題，但零件中間區(qū)域的起皺現(xiàn)象和左右兩側(cè)拉延不足的現(xiàn)象未能得到改善.減少零件起皺現(xiàn)象的發(fā)生一般采用增加壓邊力或設(shè)置拉延筋的方法，但由于增加壓邊力會影響整體成形效果(特別是零件左右兩側(cè)凸圓角區(qū)域)，所以本文通過設(shè)置拉延筋來減少零件起皺現(xiàn)象的發(fā)生.拉筋的布置方法如圖8所示.

圖8 拉延筯的布置

3 冷沖壓工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 實驗方案

影響冷沖壓件質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，其中壓邊力、模具間隙、沖壓速度和拉延筯摩擦系數(shù)等4個參數(shù)對其影響最大，而且相對容易控制[9-11].為了優(yōu)化上述4個參數(shù)，本文采用正交實驗法進(jìn)行優(yōu)化(每個參數(shù)設(shè)計3個水平取值).各水平的實驗取值見表2.

表2 各水平的實驗取值

3.2 實驗結(jié)果與分析

為了減少零件起皺現(xiàn)象的發(fā)生和保證零件無破裂，本文以最小厚度和最大厚度為評價標(biāo)準(zhǔn)對各工藝參數(shù)組合進(jìn)行分析.分析使用Dynaform仿真軟件，結(jié)果如表3所示.

表3 各工藝參數(shù)組的正交試驗分析結(jié)果

表4和表5為采用極差分析法對正交實驗結(jié)果進(jìn)行最大厚度和最小厚度的極差分析結(jié)果.由表4中的極差值可知，影響零件最大厚度的主次因素依次為壓邊力、沖壓速度、模具間隙、拉延筯摩擦系數(shù)；由表5中的極差值可知，影響零件最小厚度的主次因素依次為壓邊力、沖壓速度、拉延筯摩擦系數(shù)、模具間隙.

表4 最大厚度的極差分析

表5 最小厚度的極差分析

圖9和圖10為各因素水平對零件最大厚度和最小厚度的影響.由圖9可以看出，在壓邊力為150～250 kN范圍內(nèi)，最大厚度隨壓邊力的增加呈先上升后下降的趨勢；在沖壓速度為2 000～6 000 mm/s范圍內(nèi)，最大厚度隨速度的增加呈下降趨勢；在模具間隙為1.1～1.3 mm范圍內(nèi)，最大厚度呈先下降后上升的趨勢；在拉延筋摩擦系數(shù)為0.20～0.30范圍內(nèi)，最大厚度呈先上升后下降的趨勢.由圖10可以看出，最小厚度隨壓邊力、沖壓速度和拉延筋摩擦系數(shù)的增加而下降，其中壓邊力對最小厚度的變化影響最為顯著；而在模具間隙的變化范圍內(nèi)(1.1～1.3 mm)，最小厚度呈先上升后趨于平穩(wěn)的趨勢.

圖9 各因素水平對最大厚度的影響

圖10 各因素水平對最小厚度的影響

3.3 最優(yōu)工藝參數(shù)組合的仿真分析

由表3可知， 9組實驗的最大厚度均符合零件的設(shè)計要求(小于1.2 mm)，而多組實驗結(jié)果的最小厚度不符合零件的設(shè)計要求(大小0.8 mm)；因此，本文將最大厚度為次評價目標(biāo)，最小厚度為主評價目標(biāo)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化.由此確定的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為：壓邊力150 kN、沖壓速度2 000 mm/s、模具間隙1.2 mm、拉延筋摩擦系數(shù)0.20.

圖11為最優(yōu)工藝參數(shù)組合時的拉延工序的成形極限圖.由圖11可以看出，零件無開裂現(xiàn)象出現(xiàn)，且中間起皺區(qū)域較小，即整體成形質(zhì)量較好.圖12為最優(yōu)工藝參數(shù)組合時切邊后零件的厚度分布云圖.由圖12可以看出，零件厚度變化主要集中在圖中所標(biāo)注的4個區(qū)域，最大厚度發(fā)生在區(qū)域2的中間部位(厚度為1.178 mm)，最小厚度發(fā)生在區(qū)域3的右側(cè)(厚度為0.822 mm).表6為最優(yōu)工藝參數(shù)的仿真結(jié)果.

圖11 最優(yōu)工藝參數(shù)時的拉延工序的成形極限圖

表6 最優(yōu)工藝參數(shù)的仿真結(jié)果

圖12 最優(yōu)工藝參數(shù)時切邊后的零件厚度分布圖

4 實驗驗證

為驗證上述優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性，將優(yōu)化后的工藝參數(shù)和板料形狀應(yīng)用于試模件，結(jié)果如圖13所示.由圖可以看出，零件的成形效果與最優(yōu)工藝參數(shù)的仿真成形結(jié)果相近.試模件4個區(qū)域(與圖12中的4個區(qū)域相同)厚度的測量結(jié)果如表7所示.由表7可知，試模件4個區(qū)域的最大厚度和最小厚度均符合零件的設(shè)計要求，且與仿真分析厚度的最大誤差僅為6.614%，由此表明本文提出的工藝參數(shù)和板料形狀的優(yōu)化方案具有可行性.

圖13 實際試模件

表7 仿真所得厚度與試模件厚度的對比

5 結(jié)論

本文利用有限元技術(shù)對板料形狀和成形工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示本文方法能夠消除零件開裂和減少起皺現(xiàn)象，進(jìn)而可有效提高零件的成形質(zhì)量.本文研究結(jié)果可為汽車零件的冷沖壓成形工藝優(yōu)化提供參考.本文的仿真模型只考慮了一種有限元網(wǎng)格的劃分，在今后的研究中我們將考慮不同類型有限元網(wǎng)格的劃分，以進(jìn)一步提升仿真的準(zhǔn)確性.