轿车行李箱盖外板成型工艺参数优化

游晓红管艳杰

（太原科技大学）

轿车行李箱盖外板成型工艺参数优化

游晓红管艳杰

（太原科技大学）

利用Dynaform软件对某轿车行李箱盖外板成型过程进行了模拟研究，通过正交试验对影响冲压成型的压边力、摩擦因数、凸凹模间隙、拉延筋高度等工艺参数进行了优化组合，对4个参数对成型结果的影响程度进行了分析，从而可知影响程度最大的参数为压边力和摩擦因数。结合回归分析方法探讨了压边力和摩擦因数对成型结果的影响规律，并将仿真结果与实际生产零件进行了对比。结果表明，模拟得到的最佳工艺参数与实际生产中所用工艺参数基本相同，成型部分仿真结果与实体零件的数据非常接近，变化趋势相同。

1 前言

车身覆盖件与一般冲压件相比具有材料薄、形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求高、曲面多为空间曲面、配合协调性高等特点[1，2]，但影响其成型质量的因素较多且各因素相互制约、相互转化[3，4]。传统的成型方法主要凭借技术人员的经验，经多次试冲、修模来得到一个合理的工艺参数组合，这样不仅生产及调试周期长、费用高，而且也无法保证产品质量的稳定性。随着计算机技术的发展，各种CAE软件不断用于实际生产。CAE技术不仅可预测成型件在某工艺下可能出现的缺陷，而且还可根据模拟结果对成型工艺及模具结构进行优化，从而缩短模具生产和试模周期，降低生产成本，提高覆盖件的质量稳定性。为此，以某轿车行李箱盖外板为例，基于Dynaform有限元模拟软件，采用正交试验的方法分析影响该零件冲压成型性能的因素及成型质量随工艺参数的变化规律，以得到最优化的冲压工艺参数。

2 有限元模型的建立

在UG中建立行李箱盖外板三维模型，见图1。为满足拉延工艺要求，需要对行李箱盖外板的形状、轮廓和深度进行工艺补充，工艺补充后的拉延件三维模型如图2所示。

将图2所示的三维模型转换成igs格式并导入Dynaform中，利用有限元模拟软件的毛坯反求功能反求出毛坯，通过在原凹模的基础上进行单元复制并偏置来获得凸模，最终得到成型过程仿真分析有限元模型，如图3所示。

3 正交试验

在覆盖件成型过程中，当材料、设备、模具结构一定时，影响其成型过程的主要因素为压边力B、摩擦因数C、模具间隙A和拉延筋高度D等4个参数，为此采用正交试验方法分析4个参数对成型结果的影响程度。

模拟采用的材料为St14，料厚为1 mm，其主要参数见表1。

表1 St14主要性能参数

3.1 正交试验参数设计及试验结果

3.1.1 压边力

根据生产经验及压边力计算公式（1），在模拟时压边力B分别选取300 kN、400 kN和500 kN等3个水平。

式中，G为压边面积；q为单位面积的压边力。

3.1.2 摩擦因数

改变润滑条件将会改变模具与板料间的摩擦因数。在板料拉深成型过程中，当板料厚度大于0.5 mm时，摩擦因数取0.10～0.15。因试验用板料厚为1 mm，所以设置摩擦因数C为0.1、0.125和0.15等3个水平。

3.1.3 模具间隙

模具间隙的大小对模拟结果有很大影响，如果模具间隙太小，则材料流动的阻力就会增大，致使材料内应力增大，导致拉延件的壁厚变薄而发生破裂。为此，根据经验选取模具间隙为板厚的1.1倍。因试验用板料厚为1 mm，所以模具间隙A的3个水平取为1.0、1.1和1.2。

3.1.4 拉延筋高度

拉延筋的合理取值及合理布置是控制金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段之一。该试验采用等效拉延筋来代替真实拉延筋，在Dynaform中建立4个半圆形拉延筋[4]，根据经验取拉延筋高度D的3个水平分别为6 mm、7 mm和8 mm。

表2为正交试验的水平和因子，表3为正交试验方案及结果。

表2 正交试验的水平和因子

表3 正交试验方案及结果

3.2 试验数据处理

在覆盖件冲压成型过程中，一般用壁厚减薄率来描述材料的拉深程度，壁厚减薄率越大则拉裂的危险性越大，所以在同等材料条件下存在1个最大减薄率，其值越小拉深件拉裂的可能性就越小，产品成型效果就越好。S型信噪比函数用于质量性能目标值为越小越好情况下的试验结果的分析和优选[6]，该试验的目标函数选定为最大减薄率，因此选用S型信噪比函数对模拟结果进行分析，以得到最大减薄率状态下的最佳工艺参数。

S型信噪比S/N函数式为：

式中，yi为工艺组合下的最大减薄率；n为试验重复次数；η为最小化损失函数。

最大化信噪比等效于最小化损失函数，这里试验重复次数n=1，因此式（2）转化为：

将表3中模拟数据代入式（3）可得出各组试验的信噪比，如表4所列。

表4 各组试验的信噪比值

将以上各影响参数下不同的信噪比用图的形式表示出来，如图4所示。

由图4可看出，各工艺参数下的最大信噪比分别为A2、B1、C1、D1，即最佳工艺参数组合为A2B1C1D1。其中压边力对最大减薄率影响最大，其次是摩擦因数和拉延阻力，影响最小的是模具间隙。由此可知，最佳工艺参数组合为：压边力为300 kN，摩擦因数为0.1，拉延筋高度为6mm，模具间隙为1.1 mm。由于最佳的拉深工艺参数组合并不在表3的试验方案中，所以可间接预测最佳工艺组合下的局部最小厚度。假设各工艺因素之间相互不耦合，预测的最优信噪比水平ηA1B1C3D1计算式为：

料厚为1mm时的最大减薄率为16.09%，可得出拉伸后的最小壁厚为[1×（1-0.1 609）]=0.8 391 mm。

将工艺参数组合A2B1C1D1用软件Dynaform进行模拟，得出其成型极限图和厚度分布，如图5和图6所示。

由图5可看出，A2B1C1D1工艺组合条件下制件没有出现拉裂，只是局部有起皱的趋势；由图6可看出，材料厚度变化不大，也没有局部过薄现象。这说明按照A2B1C1D1最佳工艺组合得到的试件整体成型质量良好，可应用于实际生产中。

4 压边力、摩擦因数对最大减薄率的影响

从图4可看出，压边力对最大减薄率影响最大，其次是摩擦因数、拉延阻力和模具间隙，因此在实际生产中，当模具结构一定时，可通过改变压边力和摩擦因数来调节最大减薄率。

为探讨压边力和摩擦因数对制件成型效果的影响规律，设

式中，x1、x2分别为压边力和摩擦因数的影响系数。

将表2中的数据代入式（5）和式（6）中，则回归分析中各参数值如表5所列。

表5 回归分析中各参数值

因此，式（7）即可反映出压边力和摩擦因数对最大减薄率的影响规律，根据二者的数值就可推算出最大减薄率。但实际生产中，压边力可调整，而摩擦因数不宜调整，所以式（7）只能进行定性的分析。

由表5中各组数据可拟合得出：

5 实例验证

将仿真得到的最佳工艺参数组合用于某型行李箱盖外板零件的生产中，得到了如图7所示的零件。通过仿真结果与实际零件对比可知，除压料面外，成型部分的仿真结果与实体零件的数据非常接近，工件各处材料流动趋势相同。这说明仿真得到的最佳工艺参数组合方式合理，对生产有一定的指导意义。

6 结束语

以某轿车行李箱盖外板为例，对影响冲压成型的主要工艺参数压边力、摩擦因数、凸凹模间隙、拉延筋高度进行了优化组合，通过分析4个工艺参数对成型过程的影响程度，结合回归分析方法探讨了对冲压成型影响最大的2个工艺参数的影响规律。将仿真结果与实际生产的零件进行了对比分析，表明了仿真得到的最佳工艺参数组合方式的合理性。

1LiuZhifeng，ZhangQi，Yang Wentong，et al.Optimization for stamping Process Parameter of Front Fender based on Numerical Simulation Technology.Advanced Materials Research，2010，102-104:232-236.

2岳陆游，姜银方，陈炜，等.DYNAFORM-PC软件及其在钣金冲压中的应用.江苏大学学报（自然科学版），2002（6）: 51～55.

3陈文亮.板料成型CAE分析教程.北京:机械工业出版社，2005.

4Arimura M，Urai M，Iwaya J，et al.Effects of press-forming factors and flash plating on coating exfoliation of galvannealed steel sheets//Galvatech'95conference proceedings. 733～738.

5Phadke M S.Quality engineering Of Robust Design.New Jersey USA:AT&T Bell Laborator，1989.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2013年9月23日。

Optimization of Forming Process Parameters of Car Trunk Lid Panel

You Xiaohong，Guan Yanjie
（Taiyuan University of Science and Technology）

The forming process of a car trunk lid panel is simulated and researched with software Dynaform，the technique parameters of the stamping process，including blank holder force，friction coefficient，clearances of punch-die and draw bead height were optimized through orthogonal test.The different effects of these factors on the final forming quality were discussed.The results show that the blank holder force and friction coefficient have the greatest effect.The rule of influence of the above two factors affecting forming is investigated with the regression analysis method，and the results of simulation are compared with components in production.The results show that the optimal process parameters obtained with simulation are basically identical with the process parameters in actual production，and result of forming simulation is very close to component data.

Passenger car;Truck lid panel;Stamping;Process parameter

轿车行李箱外盖板冲压成型工艺参数

U463.83

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0016-03