汽车引擎盖外板拉延成形工艺参数优化研究

魏建光

摘 要：为解决汽车引擎盖外板拉延成形容易产生起皱、开裂、拉延不充分等缺陷问题，研究了影响汽车引擎盖外板成形质量的工艺参数。采用单因素变量法研究了压边力、凸凹模间隙、摩擦系数、拉延筋高度和冲压速度对引擎盖外板拉延成形的影响;采用正交试验法和极差分析法，以最大减薄率为优化目标，得到了最优工艺参数组合，确定了各种因素对引擎盖外板最大减薄率影响主次顺序的优化方法。

关键词：汽车引擎盖外板;拉延成形;工艺参数优化

0 引言

汽车覆盖件的成形过程是一个大挠度、大变形的塑性变形过程，在不同的塑性成形过程中，涉及板料在复杂应力应变状态下的塑性流动和塑性变形，容易引起破裂、起皱、拉延不充分等成形缺陷问题[1]。

为了准确掌握钣金冲压成形性，在当前钣金冲压生产中，利用先进的CAE技术进行汽车覆盖件成形过程的数值模拟，能够尽早发现问题，有效预防冲压缺陷的产生，改进模具设计，优化冲压参数，从而大大缩短调模式模周期，降低模具制造成本。

1 冲压成形工艺分析

研究对象为汽车引擎盖外板，该零件属于汽车外观件，具有尺寸大、造型复杂、表面质量要求高等特点。根据汽车覆盖件技术标准要求，零件成形后最大减薄率低于25%，最大增厚率低于5%，零件没有起皱、破裂、拉延不充分等冲压缺陷[2]。引擎盖外板的冲压成形工艺主要包括落料获得板料毛坯、拉延获得零件外形、切边切除边角余料、冲孔获得安装孔、零件翻边等。拉延成形工序是确保汽车引擎盖外板成形质量最重要的工序。该工件采用材料为冷轧钢板DC04，厚度为0.8 mm。材料性能参数为：屈服强度204 MPa;抗拉强度357.8 MPa;硬化指数0.211;各项异性系数1.62;密度7.85 g/cm3;杨氏模量2.07×105 MPa;泊松比0.3。

2 有限元分析模型建立

在Dynaform软件中导进CATIA软件中创建的汽车引擎盖外板模型，网格生成的最大单位尺寸为15 mm，确定冲压方向，并检查冲压负角;利用模面工程模块创建生成零件的工艺补充面和压料面，生成零件的有限元模型，该模型将作为有限元分析过程中的凹模[3];利用坯料工程模块将凹模展开，可以得到所需要的坯料形状;以工艺补充面的边界裁剪压料面得到压边圈模型，并在压边圈上设置等效拉延筋。

利用Dynaform软件的快速设置功能，可以自動生成凸模、定义成形工具，设置冲压参数。

3 工艺参数对拉延成形的影响

选取拉延筋高度、摩擦系数、冲压速度、压边力、凸凹模间隙等5个工艺参数作为变量，以得到成形较好的冲压零件作为目标，采用单因素变量法来研究这些工艺变量参数对拉延成形极限图、最大减薄率和最大增厚率的影响，确定正交试验取值范围。最大减薄率超过25%则判定冲压件破裂，最大增厚率超过5%则判定冲压件起皱，冲压件是否拉延充分则通过成形极限图来判定。

（1）压边力对拉延成形的影响。压边力（BHF）的主要作用是增加板料的径向拉应力，从而降低板料的切向压应力，减少板料失稳起皱的趋势。如果压边力过小，则无法控制板料发生起皱的趋势;如果压边力过大，则增大了板料发生拉裂的趋势。而且，较大的压边力还会加剧模具的磨损，影响模具寿命。有必要选择合理的压边力，以保证零件的质量和尺寸精度。用毛坯的面积减去工艺补充面边界围成的平面面积即为压边圈下毛坯的投影面积。

4 拉延成形工艺参数优化

（1）正交试验因素水平确定。工艺参数对最大减薄率的影响是多因素综合作用的结果，单因素变量法存在局限性，无法找到最优的工艺参数组合。正交实验法兼顾全面试验和单因素法的优点，根据数学原理编制正交表，对试验进行安排和分析试验结果。正交试验设计是安排多因素试验，寻求最优水平组合的一种高效的试验设计方法。它不仅可以使测试点的分布非常均匀，而且可以减少测试次数，得到最优的水平组合。

（2）正交试验结果。以最大减薄率为优化目标，按照正交试验标准，把对拉延成形影响较大的5个工艺参数作为正交实验的5个因素，每个因素设置4个水平。

（3）极差分析。极差分析能直接反映各种因素对结果的影响程度。

（4）方差分析。极差分析不能估计试验中以及试验结果测定必然存在的误差大小。为了弥补这一不足，可采用方差分析的方法。方差分析法是将因素水平的变化所引起的试验结果间的差异与误差波动所引起的试验结果间的差异区分开来的一种数学方法。

5 仿真结果与试模结果对比

（1）模拟仿真结果。应用Dynaform有限元分析软件，按照最优工艺方案为A1B1C2D4E3（压边力1300 kN、摩擦系数0.12、冲压速度3000 mm/s、凸凹模间隙1.2t、半圆形拉延筋高度7mm）进行引擎盖外板拉延成形的模拟仿真。

模拟结果显示，应用正交试验法得到的最优工艺参数进行模拟，引擎盖外板成形效果良好，无拉延不充分、起皱和拉裂缺陷，最大减薄率为18.424%，最大增厚率为0.999%，符合汽车覆盖件成形质量评价标准。

（2）仿真结果与试模结果对比。应用正交试验优化得到的工艺参数组合，选用200 t压力机进行拉延成形试模。

试模结果拉延成形效果较好，零件主体部分无破裂、起皱、拉延不充分等成形缺陷，工艺补充面部分有轻微起皱，后续工艺会切除，不影响零件使用。通过测量及计算，产品最大减薄率为19.585%，最大增厚率为1.047%，成形质量较好。试验结果与有限元模拟结果相比，最大减薄率误差为6.3%，最大增厚率误差为4.8%，误差较小。

6 结语

研究结果表明，应用基于正交试验法的数值模拟技术能够提高引擎盖外板成形质量、减少试验模拟的次数、减短生产的周期、有效减少生产的成本。

参考文献：

[1]龚红英，刘克素，董万鹏，等.金属塑形成形CAE应用-Dynaform

[M].北京：化学工业出版社，2014.

[2]熊煜，周杰，王辉，等.基于响应面法的拉延成形参数优化[J].兵器材料科学与工程，2016，39（05）：69-72.

[3]曹爱霞，逯振国，钟佩思，等.基于Dynaform的汽车引擎盖外板拉延成形仿真[J].锻压技术，2014，39（12）：19-21.