鈑金零件材料參數設計與優化的數值模擬

程小彪，武麗梅，楊志剛，李金燕

(長安福特汽車有限公司技術中心產品開發部，重慶 401122)

目前，主機廠對于鈑金零件材料的選取都有自己的一套規范。有些主機廠提供這些規范給合作的鋼廠，要求鋼廠按照規范來生產，有些主機廠則是根據自己的規范來選擇對應的鋼廠材料。近年福特在全球已經統一了材料規范，要求合作的鋼廠按照提供的規范來供貨。由于提供的材料規范是一個范圍區間，所以鋼材廠家供給的不同批次的材料都有一定差異，這樣就給生產帶來了很大的不穩定性，增加了調模時間。本文主要以材料規范中的3個主要參數:硬化指數n，抗拉強度σb，屈服強度σs以及板料的厚度t來分析對拉深成形質量的影響，從而指導零件設計，使工程師能夠為零件選擇最優的材料。

由于物理實驗浪費材料成本并且花費的時間較長，本文利用有限元計算機模擬來分析材料參數對成形過程的影響，借助仿真軟件ETA/Dynaform中18號線彈性材料模型來模擬槽形件拉深成形，通過給定不同的硬化指數n、抗拉強度σb、屈服強度σs以及板料的厚度t值得到不同的成形結果，并結合正交實驗優化材料參數。

1 Dynaform中18號材料模型:冪函數塑性模型

用于金屬與塑性成形分析的與應變率有關的塑性模型［1］。該模型提供各項同性硬化的彈塑性行為。并且它用一個包括Cowper-Symonds乘子的冪函數本構關系來描述應變率的影響:

式(1)中:ε為應變率;C，P為Cowper-Symonds應變率參數;εyp為彈性應變;εp為有效塑形應變;K為強度系數;n為硬化指數，僅能在一個溫度下制定應力應變特性。

2 實驗準備

2.1 槽形零件拉深模型

圖1是本文建立的槽形零件拉深的凸模、凹模、板料以及壓邊圈模型。

圖1 槽形零件拉深模型

2.2 板料參數

由于本文主要采用18號材料模型，因此提取硬化指數n、抗拉強度σb、屈服強度σs以及板料的厚度t等4個對18號材料模型影響較大的材料參數來研究對槽形零件拉深質量的影響，其他一些的主要力學參數:楊氏模207000 N/mm2，泊松比0.28，密度7.85E-6 N/mm3。18 號參數設置如圖2所示。

圖2 18號材料參數設置

2.3 實驗條件

單動拉深，零件最大拉深高度為38 mm，虛擬沖壓速度為3000 mm/s，摩擦系數為 0.12。

3 實驗過程及結果分析

3.1 通過正交實驗確定各個參數對成形質量的影響

零件拉深高度，虛擬沖壓速度，摩擦系數以及其他力學參數都不變的前提下，為了確定硬化指數n，抗拉強度σb，屈服強度σs以及板料的厚度t對成形質量的影響。本文設計了一個正交實驗方案［2］。實驗因子與水平列于表1，實驗方案及結果如表2所示。實驗定量評價指標為制件的最大減薄率［3］。對于每個零件都有最大減薄率的要求，最大減薄率超過要求零件就會開裂。因此，為了防止制件開裂和保證其工作強度，最大減薄率是越小越好［4-5］。

表1 實驗因子與水平

表2 正交實驗方案及數值模擬結果

3.2 實驗結果分析

9個實驗中最大減薄率超過19%的制件局部已經開裂，如圖3與圖4所示。從表2極差分析可知，各實驗因子對制件最大減薄率的影響大小依次為抗拉強度σb＞硬化指數n＞屈服強度σs〉制件厚度t。其中，抗拉強度σb對制件最大減薄率影響最為顯著。在抗拉強度σb的3個水平中，第三水平(σb=330 MPa)對應的制件最大減薄率最小，因此，可取σb=330 MPa作為再次實驗的抗拉強度值，依次類推，得到新的材料參數組合為A3B2C3D3，即硬化指數n=0.20，厚度為t=1.2 mm，屈服強度 σs=240 MPa，抗拉強度 σb=350 MPa。

根據A3B2C3D3方案調整材料參數后再做模擬實驗，其拉深結果如圖5與圖6所示。此時，制件的最大減薄率為16.530%，拉深結果較理想，沒有破裂現象出現。這說明通過正交實驗的方法，重新選取的材料參數成形質量較好，優化模擬分析是可行的。

圖3 實驗2成形結果

圖4 實驗2成形極限圖

圖5 優化實驗成形結果

圖6 優化實驗成形極限圖

4 結論

1)硬化指數n、抗拉強度σb、屈服強度σs以及板料的厚度t對槽形件拉深成形質量有著重要的影響。通過正交實驗優化材料參數，可以提高槽形件拉深成形質量，并有效地防止了破裂的產生。

2)數值模擬結果表明，當虛擬沖壓速度取3000 mm/s，面摩擦系數取0.12時，確保槽形件拉深成功的優化材料參數如下:硬化指數 n=0.20，厚度 t=1.2 mm，屈服強度σs=240 MPa，抗拉強度 σb=350 MPa。

［1］LIVERMORE.Lsdyna 用戶手冊［Z］.北京：LIVERMORE軟件技術公司，2007.

［2］李金燕，傅建.基于數值模擬的等效拉延筋設計與優化［J］.塑性工程學報，2007(5)：81-87.

［3］李金燕.B柱加強板拉深質量研究［D］.成都：西華大學，2007.

［4］胡鐵敏，林忠欽，徐偉力，等.車聲覆蓋件沖壓成形動態仿真的研究進展［J］.力學進展，2000(5)：252-270.

［5］郝博，施華，何利.飛機鈑金檢驗規劃及數模的檢驗信息提取［J］.四川兵工學報，2012(10)：110-112.