基于正交试验的汽车覆盖件冲压成形分析

王德伦，王奋飞

(重庆理工大学 重庆汽车学院，重庆 400050)

在汽车覆盖件冲压成形过程中，其模具系统和冲压工艺参数对覆盖件的可成形程度和成形质量具有决定性的影响［1］。冲压工艺参数对汽车覆盖件成形质量的影响存在很多非线性时变和不确定因素，是成形过程工艺优化的难点之一［2］。人们对此已展开了大量研究，目的在与指导模具设计与制造和冲压工艺设置。板料CAE 近年来在仿真精度上，以及模拟运算速度上都有较大的提高，使得仿真结果更加准确、可靠，但是数值模拟的结果无法给出各因素变量与评价成形质量的目标之间具体的关系模型，因此我们必须建立多因素变量与成形结果目标之间的数学模型，从而能够对成形质量进行多方面综合控制研究［3，4］。目前，常采用优化设计方法，该方法研究的参数具有均匀性和整齐性、试验具有目的性。其中文献［3］在正交试验的基础上，建立均匀试验设计，让试验点充分均匀分散，这样每个试验点就更具有代表性，同时试验点数目减少。文献［4］利用响应面法，在多维设计空间中对目标函数(成形厚度、回弹量等)与多因素变量(冲压工艺参数)之间进行构造近似的显式函数关系，并通过对显式函数进行迭代寻优，最终获得较好的全局最优解。本文以某车型的翼子板为例，采用DYNAFORM 软件数值模拟结合正交试验进行优化研究，以提高复杂拉深件工艺参数优化设计的效率，减少试模时间，降低生产成本。这一方法适用于很多大型覆盖件的成形优化。

1 数值模拟及冲压工艺设计

1.1 模面设计

模面设计，即根据冲压件零件设计出模具型面，模面设计对拉深工艺有直接影响，决定了冲压件的成形性、表面质量和尺寸精度。在设计模面之前，展开翻边、进行内外工艺面的补充。模面设计通常是以零件的CAD 模型为基础，并添加工艺补充面和压料面一起导入CAE 软件中分析。本文则选择直接将CAD 模型导入CAE 软件中，进行压料面和工艺补充面的设计，大大提高了模面设计的效率。此外，在覆盖件的外形轮廓有急剧变化和较高的鼓包的地方成形易开裂，所以在设计型面时，应根据实际情况加大这些地方的过渡区域和过渡圆角，同时用DFE 模块中的光顺命令进行零件外轮廓光顺处理。模面设计一般流程:零件输入、零件准备(翻边、补孔、倒圆角等)、确定冲压方向、生成压料面、生成工艺补充、校核、显示完整的模面。

某车型前翼子板的计算机辅助设计数模如图1 所示。首先利用TOOL MESH 命令对数模划分网格。

调整冲压方向，应考虑以下原则:保证凸模能将制件上需要拉深的地方一次拉深成形;拉深深度均匀;考虑后续修边、冲孔等工序对冲压方向的要求。

图1 前翼子板数模

压料面是凹模面上基本和压边圈重合的那部分，设计压料面应遵循一下要求:压料面形状应尽量平坦光顺，以水平面最好;压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致;当覆盖件的底部有反成形形状时，压料面应高于反成形形状的最高点。选择DFE 模块中的BINDER 命令，针对翼子板形状和成形特点，采用锥形压料面，确定压料面尺寸，然后旋转压料面使其方向与翼子板零件的冲压方向一致，压料面创建完成。选择DFE 模块中的ADDENDUM，创建工艺补充面。至此，模面创建成功。模具型面如图2 所示，利用软件的毛坯尺寸分析功能设计零件毛坯。

合理的布置拉延筋使翼子板外轮廓上的直线部分与圆角曲线部分的进料阻力均匀［5，6］。在翼子板中，直线部分以及轮口处无切向应力，进料阻力小，而圆角部分由于有切向压力，拉延毛坯易变厚，因此进料阻力大，需在直线和轮口处的压料面上分别设置拉延筋，使整个拉延件的进料阻力尽量均匀一致。拉延筋均采用半圆形等效拉延筋模型，拉延筋高度根据各部分拉深深度的不同合理布置，如图3 所示。至此完成了翼子板拉延模型面的初始设计。

图2 模具型面

图3 拉延筋布置

1.2 有限元模型的建立

翼子板的模面在冲压过程中是典型的大变形构件，故模面必须采用精确的BT 网格单元，而且单元形状尽量保证尽量采用四边形单元。模面采用曲面网格工具进行网格自动划分，坯料的三角形单元数目控制在5%以内，其余95%以上的单元必须尽量为四边形单元，同时，单元的尺寸也应控制:网格尺寸在10 ～25 mm;单元内角≥25℃;单元翘曲角≤5℃;单元尺寸应尽量小;运用自适应网格技术划分好翼子板的有限元网格。根据上述划分网格的原则，对模具和坯料网格单元进行网格划分。凸模网格共11 865 个单元，其中四边形单元11 802 个，三角形单元63 个;凹模网格共15 092 个单元，其中四边形单元14 203 个，三角形单元889 个;压边圈网格共2 713 个，其中四边形单元2 644 个，三角形单元69个。网格单元划分好后，利用Preprocess/Model check 命令进行网格单元质量检查，步骤如下:

1)法向检查。单元法线反向必须一致，可以利用自动翻转法线命令修改［7］。

2)边界线检查。此功能用来检验显示零件层的边界线，检查网络上的间隙和孔洞等缺陷单元，高亮显示边界用来修复网格缺陷。

3)单元重叠检查。若有重叠单元，则删除重叠单元。

4)翘曲变形检查。单元翘曲角一般不能大于5℃，未能通过检验的四边形单元可以分割成两个三角形单元。

板料的性能参数如表1 所示。

表1 材料性能参数

2 正交试验方案设计

根据正交试验设计理论，可以利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点，应用正交表合理安排试验［8］。正交试验的设计方法具有两个性质:水平均匀性，选择的试验的每个因子的水平出现次数相同，每个水平的因子不重复出现，它们能够全面地反映试验;如在本试验中，因子冲压速度所对应的水平:2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s、5 000 mm/s 各出现4 次;搭配均匀性，任何两个因子搭配都以相同的次数出现。如本文中冲压速度2 000 mm/s、模具间隙1. 1 mm 以及冲压速度3 000 mm/s、模具间隙0.20 mm 这两种因子的搭配在正交表中都只出现了一次，所以，从各因子搭配上也能全面反映所有试验。

根据实际情况，确定试验因子:压边力、冲压速度、摩擦系数、模具间隙。

选取一张适当的正交表，把因子和需要考察的交互作用合理地分布在正交表上。

冲压件破裂或者大面积起皱，就成为废品，所以本试验因子的水平选以冲压件不发生开裂和大面积起皱为前提。以前翼子板为例，冲压工艺参数一般包括压边力、冲压速度、摩擦系数、模具间隙等。在做前翼子板的初步模拟时，压边力以400 kN 为参考，选取水平300 kN、400 kN、500 kN 和600 kN。当采用良好的润滑油时，摩擦系数以0.15 为参考，故选水平为0.1、0.15、0.2 和0.25。冲压速度如果选用实际值，需要很长的计算时间，采用有限元分析时，为提高计算效率，通常将板料的拉深的实际冲压速度放大若干倍作为模拟实验的冲压速度，一般冲压虚拟速度建议取1 000 ～5 000 mm/s［9］，故取水平为2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s 和5 000 mm/s。模具间隙取料厚的110%、112%、115% 和118%为水平。因此，这是一个四因素四水平的正交试验设计，选取正交表。

3 模拟结果分析

正交试验的考察指标为翼子板坯料在成型过程中材料不发生塑性变形时的极性应变值是否超出FLD 图中的安全区域(即成形过程中是否发生破裂)，由翼子板局部最小厚度、最大厚度、是否起皱、拉深是否充分、有无破裂的地方来确定翼子板的最优工艺参数。局部最小厚度指标主要是用于评定拉深零件是否产生局部破裂。局部最大厚度指标主要是平顶拉深件是否产生局部起皱。对于薄板成形，一般要求其减后率不超过30%，增厚率不超过6%，否则很有可能发生破裂或者起皱，所以要求翼子板最薄处应该在0.80 mm以上。如果在数值模拟中发现拉伸零件起皱，则要由其出现的位置来判别对产品影响的严重性;若起皱部位分布在法兰边或工艺补充面上，则可以在切边工序中将法兰边和工艺补充面切掉，因此可以不考虑;若起皱部位分布在拉伸零件上，则应调整拉伸筋的布置或者调整相应的工艺参数。所以本文中的最小厚度指零件部分，法兰部分不考虑(即局部最小厚度)。如表2 所示即为设计的正交表及其模拟结果。

对表2 的数据进行分析(如表3)。其中Ⅰ～Ⅳ分别表示各因素:压边力、摩擦系数、模具间隙、冲压虚拟速度的水平对应的试验结果之和的平均值。极差是一组数据中最大值减去最小值，反映了一组数据的离散程度。

由表2 可以得出，各程序的冲压件质量满足要求。其中图4 是程序7 的厚度图。

图4 程序7 厚度图

表3 结果分析

4 结论

由表3 的极差数据可知，各因素对冲压件最小厚度的影响，按从大到小的顺序排列为摩擦系数＞压边力＞冲压虚拟速度＞模具间隙。

在程序1 -16 中，仅从最小厚度考虑，从表2 中选出一组最优参数:压边力=400 kN;摩擦系数=0.1;模具间隙=1.12 mm;冲压虚拟速度=4 000 mm/s。

冲压工艺参数中冲压速度、摩擦系数、模具间隙和压边力对覆盖件的成形质量都有一定影响，但其中摩擦系数的影响最为突出;通过仿真模拟翼子板的拉深成形过程，能够找出一组最佳组合的冲压工艺参数，根据实际工程经验和本次正交试验结果推荐摩擦系数设置值为0.1;推荐模具间隙设置值为坯料厚度的1.12 倍，这对于指导实际冲压工艺参数的设置具有指导意义。

［1］ZHANG Z T，DUNCAN J L. Effect of tool profiles and process variables in stretching and drawing a circular cup［C］//SAE Transactions of Materials ＆ Manufacturing.Washington，D.C，USA:SAE，1993.

［2］LANF，CHEN J，LIN J，et al. Spring back simulation and analysis in U-typed sheet metal forming processes［J］.Journal of Plasticity Engineering，2004.

［3］安晓超. 汽车覆盖件逆向重构及拉延成形数值模拟［D］.江苏大学，2008.

［4］杨小玲.车身覆盖件成形数值模拟及工艺参数优化［J］.江西:南昌大学，2011.

［5］王宁，梅自元，周长国.基于正交试验的车身覆盖件冲压成形回弹分析［J］.机械设计与制造，2008.

［6］刘琼.汽车前翼子板的反向建模与拉深成形模拟［D］.合肥:合肥工业大学，2006.

［7］陈文亮.板料成形CAE 分析教程［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［8］Shanghai Science and Technology Exchange Center.Orthogonal experiment method［M］. Shanghai: shanghai People’s Press，1975.

［9］张雄飞.车身覆盖件冲压仿真分析［D］.武汉:武汉理工大学，2009.