汽车覆盖件冲压成形的正交试验设计与数值模拟

汽车覆盖件冲压成形的正交试验设计与数值模拟

0冲压件冲压件成形工艺优化设计在汽车覆盖物的压装过程中，其建模系统（凸模型、凹模型、压边圈、深沟槽等）以及压压制品（润滑剂、压边力、冲头速度、凸凹模型间隙等）对覆盖物的形状和形成质量有决定性影响。在实际冲压生产中,一旦模具系统的参数确定,只有冲压工艺参数可以调节。冲压工艺参数对汽车覆盖件成形质量的影响存在诸多非线性时变和不确定因素,是成形过程工艺优化和质量控制的难点之一。人们对此已展开了大量的研究,目的在于指导模具设计与制造和冲压工艺规划。文献利用ABAQUS模拟了圆形坯料冲压成圆筒件的过程,并通过改变塑性硬化指数、摩擦、坯料直径、压边力和模具圆角等参数,研究了对冲压件成形极限和应变分布的影响。文献利用有限元模拟方法,研究了摩擦系数、凹模圆角半径、凸凹模间隙等对U形件卸载后最终形状的影响。文献利用LS-DYNA软件研究了模具间隙、摩擦特性、模具网格密度、压边力等关键因素对冲压件冲压成形结果的影响,并得出如下结论:模具间隙取料厚的1.15倍为宜;摩擦系数越大,冲压件越容易开裂;模具网格密度对分析过程影响有限;压边力存在一个最优值。通过数值模拟技术可对工艺调整做出定性指导,得出有价值的结论,但其指导缺乏定量的精度,要想获得好的结果,反复的试验调整仍是必需的。试验设计方法在一定程度上可以减少反复试凑的盲目性,能以较少的试验次数得到试验范围内较优的工艺组合。两种方法的结合,可以定性定量地分析解决问题。汽车翼子板的主型面曲率较小,四周有复杂的与车门柱、发动机罩和车灯罩等零件相连的翻边,形状结构较为复杂。与一般的冲压件相比,具有材料薄、形状复杂、形状尺寸精度要求高、表面质量要求严格、刚度要好等特点。且在成形时,坯料各部分不是同时贴模,而是顺着冲压过程逐步贴模,因而变形状态比较复杂。坯料在整个冲压过程中的变形路径是一个典型的拉深胀形变形过程。本文以某车型的前翼子板为例,采用正交试验结合DYNAFORM软件数值模拟进行优化研究,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。这一方法可以推广到其他汽车覆盖件冲压成形的工艺参数优化中。1冲压件试验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、典型性的点,应用正交表合理安排试验。正交试验的设计方法具有下列两个性质:①水平均匀性,即选择的试验对每个因子和因子的每个水平都是均匀分配的,则它们能够全面地反映试验;②搭配均匀性,在所有的试验中,每个因子的水平出现的次数相同,而且任何两个因子的搭配也都以相同的次数出现。因此,从各因子搭配上也能全面反映所有试验。为了更清楚地表达正交试验的设计方法,一般将它列成正交表。在制订试验计划时,首先必须根据实际情况,确定因子、因子的水平和需要考察的交互作用,然后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安排到正交表的表头上。冲压件一旦开裂,就成为废品,所以在开裂的前提下讨论冲压件的最小厚度的影响因子是没有实际意义的。故本试验因子的水平选择以冲压件不发生开裂为前提。以前翼子板为例,冲压工艺参数一般由压边力、冲头速度、凸凹模间隙和摩擦系数(润滑油调节)四个因素组成。在做前翼子板的初步模拟时,压边力为30t时,即可得到质量良好的冲压件,则压边力以30t为参考,选取水平为25t,30t,35t,40t和45t。当采用良好的润滑油时,摩擦系数可以达到0.05,而比较差的润滑,摩擦系数可以为0.3,所以选取水平为0.05,0.1,0.15,0.2和0.25。冲压虚拟速度建议取1000mm/s～5000mm/s,则选取水平为1000mm/s,2000mm/s,3000mm/s,4000mm/s和5000mm/s。凸凹模间隙取料厚的110%,112%,115%,118%和120%为水平。因此,这是一个四因素五水平的正交试验设计,选取正交表L25(56),由于各因素之间没有交互作用,表头设计取前四列,如表1所示。2数值模拟方法和压缩工艺的实验2.1压料面模面设计汽车覆盖件在进行冲压工艺设计时,首先要进行模面设计,即根据冲压件零件设计出模具型面,型面设计通常是以零件的数学模型为基础,添加工艺补充面和压料面来构成。模面设计直接影响着拉深方向的确定、模具网格单元划分的质量和冲压件成形的质量等。分析覆盖件零件的三维模型,可将其形状分为三部分:①反映零件特征的形状面;②与其他零件相连的连接面(称为翻边);③形状面上一些工艺特征,如孔洞。在设计型面之前,进行翻边展开、孔洞填补等工艺补充。此外,在覆盖件零件的外形轮廓有急剧凹凸折曲和较高的鼓包时,这些部位的成形容易开裂,也可能导致网格单元质量不高,所以在设计模面时,应根据实际情况,尽可能加大过渡区域和过渡圆角,同时用模面分析(DieFiniteEngineering,DFE)模块中的OUTERSMOOTH命令进行零件外轮廓光顺处理。模面设计一般流程为:覆盖件零件光顺、填补孔洞→确定冲压方向→确定修边线→压料面设计→工艺补充面设计→拉深筋、工艺切口设计→完整的拉深模面。某车型前翼子板的计算机辅助设计(ComputerAidedDesign,CAD)数模如图1所示。首先利用MESHTOOL命令对数模划分网格,观察零件的特征是外轮廓过渡较大,则利用OUTERSMOOTH命令对外轮廓进行光顺处理。利用TIPPING命令调整冲压方向,应考虑以下原则:①保证能将拉深件的全部空间形状一次拉深出来,即要保证凸模能全部进入凹模;②尽量使拉深深度差最小,以减少材料流动和变形分布的不均匀性,有利于成形。压料面是工艺补充的一个重要组成部分,设计压料面应遵循以下要求:①压料面形状尽量简单化,以水平压料面为好;②压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致;③压料面应使毛坯在拉延成形和修边工序中都有可靠的定位。选择DFE模块中的BINDER命令,设定压料面为平面,确定压料面尺寸,创建压料面。选择ADDENDUM命令,选定轮廓类型后,自动生成过渡面。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(BlankSizeEstimation,BSE)功能设计零件毛坯。2.2单元形状、尺寸控制在DYNAFORM中,模具通常采用刚体材料模型。由于在有限元分析中,刚体不存在应力及应变的计算,且刚体网格尺寸的大小也不参与计算机辅助工程(ComputerAidedEngineering,CAE)分析过程中临界时间积分步长的确定,即模具网格的细化不会影响系统的临界时间积分步长。因此,模具可以采用大量的三角形单元,以更精确地反映模具复杂的几何形状。而坯料在冲压过程中是典型的大变形构件,故坯料必须采用精细的网格单元,而且单元形状必须尽量采用“真正的矩形”形状,至少要保证尽量采用四边形单元。一般要求坯料的三角形单元数目应控制在5%以内,其余95%以上的单元必须为四边形单元(尽量为矩形单元),同时,单元的尺寸也应控制在:①单元长宽比≤10;②单元内角≥30°;③单元翘曲角≤20°;④单元尺寸应尽量小;⑤采用自适应网格技术,以获得最理想的网格分布。基于以上准则,对模具和坯料进行网格单元划分。凹模网格共10873个单元,其中四边形单元为10043个,三角形单元为830个;凸模网格共6516个单元,其中四边形单元5743个,三角形单元773个;坯料网格共1125个单元,其中四边形单元1084个,三角形单元41个;压边圈网格共4364个单元,其中四边形单元4291个,三角形单元73个。网格单元划分好后,要利用Preprocess/Modelcheck命令进行网格单元质量检查,一般必检项为:单元法线方向必须一致。可以利用自动翻转法线(autoplatenormal)命令修改。这是检查网格是否满足拓扑关系最为有效的手段,也是检查网格是否存在孔洞和重叠的有效手段。若有重叠,删除重叠单元。单元翘曲变形不能太严重,一般不能大于5°,未通过检验的单元可以分割成两个三角形单元。2.3有限元切边的质量控制前翼子板的材料为高强度钢(HighStrengthSteel,HSS),厚度T=0.8mm,屈服强度σs=188.83MPa,抗拉强度σb=344.52MPa,厚向异性参数r=2.214,硬化指数N=0.2465。采用37号材料模型(厚向异性弹塑性材料模型)和BT壳单元进行分析,其余冲压参数设置如表1所示。切边后的冲压件是真正需要的前翼子板零件,其冲压质量是重点关注的。利用原始边进行切边,有可能达不到要求,究其原因,可能是由于程序在运行过程中,原始边偏离了有限元模型。可以先利用原始边对DYNAIN模型切边,再用FEBoundaryLine命令提取被切的有限元边界,从而保证切边线与有限元模型合而为一。为了限制板料的刚体运动(三个方向平动和三个方向转动),必须在板料上施加足够的约束。具体方法是,在板料上任意选取三个节点,这三个节点的选择应满足如下条件:①彼此要相隔一定距离;②要与板料的边界有一定距离;③远离板料的易形区。第一节点A的回弹量为0,可以约束板料的全部平动自由度;以节点A为参考点,第二节点B和第三节点C对平动自由度的选择性约束就消除了板料的三个转动自由度,从而实现对板料六个自由度的约束。为便于回弹量的比较,各个程序三个节点的选择是统一的。由于覆盖件成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹,冲压件的质量也以这三个缺陷为评价目标。以程序25为例,在没有切边之前的成形极限图(FormingLimitDiagram,FLD)如图3所示,切边之后的FLD如图4所示;切边之后的厚度分布图如图5所示,取最小厚度和最大厚度数值,以便于比较;切边之后的回弹图如图6所示。各程序的前翼子板的最小厚度、最大厚度和最大回弹的数据如表1所示。2.4实际拉深件的选用汽车生产企业根据发动机罩外板质量、生产效率和生产成本的要求,用下料、拉深、修边冲孔、翻边整形、侧成形、侧冲孔成形修边和侧翻边冲孔共八道工序,完成该车型左/右翼子板的制造。在与本文讨论有关的拉深工序中,使用了14000KN双动压力机,毛坯尺寸为梯形(640/1000)×1350。实际选用的材料与本文分析选材一致,均为HSS高强度钢板,厚度为0.8mm。设计的模具间隙为板厚的1.1倍,冲压力约28t～32t,冲压速度为3500mm/s。实践证明,在这种参数条件下拉深件的合格率最高。同时,发现零件拉深变形质量与润滑情况有直接关系,摩擦系数越小,成形质量越好。回弹的测量在切边之前难以进行,故在此不讨论回弹问题。3冲压件质量的影响因素分析根据方差分析理论,可以将因子水平(或交互作用)的变化所引起的试验结果间的差异与误差的波动所引起的试验结果间的差异区分开来。如果因子水平的变化所引起的试验结果的变动落在误差范围以内,或者与误差相差不大,就可以判断这个因子水平的变化并不引起试验结果的显著变动;相反,如果因子水平的变化所引起的试验结果的变动超过误差的范围,就可以判断这个因子水平的变化会引起试验结果的显著的变动。其目的是通过数据分析找出对该事物有显著影响的因素、各因素之间的交互作用,以及显著影响因素的最佳水平等。这里应用了方差分析的数学理论包括:,S=n∑i=1(yi-ˉy)2S=∑i=1n(yi−y¯)2其中,ˉy=1n(y1+y2+⋯+yn)=1nn∑i=1yi‚{yi}(i=1,2,⋯‚n)y¯=1n(y1+y2+⋯+yn)=1n∑i=1nyi‚{yi}(i=1,2,⋯‚n)表示数据组。偏差平方和反映了一组数据的分散和集中程度,S大说明这组数据分散,反之说明数据集中。为合理地比较两组个数不同的数据分散和集中程度,应采用平均偏差平方和ˉS=Sn-1=1n-1n∑i=1(yi-ˉy)2。式中:n-1是S的自由度。因子水平的改变引起的平均偏差平方和与误差的平均偏差平方和的比值称为F比,F=S因子/f因子S误/f误,S因子=m(Ι1m-ˉy)2+m(Ι2m-ˉy)2+⋯+m(Ιmm-ˉy)2‚S误=S-∑S因子。式中:f是自由度,m为因子的水平数,Ii(i=1,2,…,m)是i水平对应的结果总和。在判断F比时,信度α是指对作出的判断大概有1-α的把握。设因子A的F比为FA。①当FA>F0.01(n1,n2)时,说明该因子水平的改变对试验结果有高度显著的影响;②当F0.01(n1,n2)>FA>F0.05(n1,n2)时,说明该因子水平的改变对试验结果有显著影响;③当F0.05(n1,n2)>FA>F0.10(n1,n2)时,说明该因子水平的改变,对试验结果有一定的影响。对表1的数据进行分析(如表2)。其中,Ⅰ～Ⅴ分别表示各因素1,2,3,4,5水平对应的试验结果之和的平均值。根据表2可绘制出图7和图8。冲压件的最小厚度反映开裂趋势,冲压件如果开裂,将成为废品。因此,选择最小厚度进行方差分析,如表3所示。一般冲压件增厚10%或减薄30%被认为是合格的。由表1可以得出,各程序的冲压件质量满足要求。回弹会造成冲压件的尺寸和模具的工作表面尺寸不符,从而影响了制造精度。因此,选择回弹进行方差分析,如表4所示。4冲压工艺参数对充压件的影响(1)由表3知,对冲压件最小厚度(反映开裂趋势)的影响,各因素按从大到小的顺序排列为摩擦系数>压边力>冲压速度>模具间隙。对冲压件回弹的影响,各因素按从大到小的顺序排列为:摩擦系数>模具间隙>压边力>冲压速度。(2)从表3和表4可以看出,只有摩擦系数对最小厚度和回弹有显著影响。从图7可以看出,当摩擦系数为0.1时,最小厚度值最大;而