轎車行李箱蓋外板成型工藝參數優化

游曉紅管艷杰

（太原科技大學）

轎車行李箱蓋外板成型工藝參數優化

游曉紅管艷杰

（太原科技大學）

利用Dynaform軟件對某轎車行李箱蓋外板成型過程進行了模擬研究，通過正交試驗對影響沖壓成型的壓邊力、摩擦因數、凸凹模間隙、拉延筋高度等工藝參數進行了優化組合，對4個參數對成型結果的影響程度進行了分析，從而可知影響程度最大的參數為壓邊力和摩擦因數。結合回歸分析方法探討了壓邊力和摩擦因數對成型結果的影響規律，并將仿真結果與實際生產零件進行了對比。結果表明，模擬得到的最佳工藝參數與實際生產中所用工藝參數基本相同，成型部分仿真結果與實體零件的數據非常接近，變化趨勢相同。

1 前言

車身覆蓋件與一般沖壓件相比具有材料薄、形狀復雜、結構尺寸大、表面質量要求高、曲面多為空間曲面、配合協調性高等特點[1，2]，但影響其成型質量的因素較多且各因素相互制約、相互轉化[3，4]。傳統的成型方法主要憑借技術人員的經驗，經多次試沖、修模來得到一個合理的工藝參數組合，這樣不僅生產及調試周期長、費用高，而且也無法保證產品質量的穩定性。隨著計算機技術的發展，各種CAE軟件不斷用于實際生產。CAE技術不僅可預測成型件在某工藝下可能出現的缺陷，而且還可根據模擬結果對成型工藝及模具結構進行優化，從而縮短模具生產和試模周期，降低生產成本，提高覆蓋件的質量穩定性。為此，以某轎車行李箱蓋外板為例，基于Dynaform有限元模擬軟件，采用正交試驗的方法分析影響該零件沖壓成型性能的因素及成型質量隨工藝參數的變化規律，以得到最優化的沖壓工藝參數。

2 有限元模型的建立

在UG中建立行李箱蓋外板三維模型，見圖1。為滿足拉延工藝要求，需要對行李箱蓋外板的形狀、輪廓和深度進行工藝補充，工藝補充后的拉延件三維模型如圖2所示。

將圖2所示的三維模型轉換成igs格式并導入Dynaform中，利用有限元模擬軟件的毛坯反求功能反求出毛坯，通過在原凹模的基礎上進行單元復制并偏置來獲得凸模，最終得到成型過程仿真分析有限元模型，如圖3所示。

3 正交試驗

在覆蓋件成型過程中，當材料、設備、模具結構一定時，影響其成型過程的主要因素為壓邊力B、摩擦因數C、模具間隙A和拉延筋高度D等4個參數，為此采用正交試驗方法分析4個參數對成型結果的影響程度。

模擬采用的材料為St14，料厚為1 mm，其主要參數見表1。

表1 St14主要性能參數

3.1 正交試驗參數設計及試驗結果

3.1.1 壓邊力

根據生產經驗及壓邊力計算公式（1），在模擬時壓邊力B分別選取300 kN、400 kN和500 kN等3個水平。

式中，G為壓邊面積；q為單位面積的壓邊力。

3.1.2 摩擦因數

改變潤滑條件將會改變模具與板料間的摩擦因數。在板料拉深成型過程中，當板料厚度大于0.5 mm時，摩擦因數取0.10～0.15。因試驗用板料厚為1 mm，所以設置摩擦因數C為0.1、0.125和0.15等3個水平。

3.1.3 模具間隙

模具間隙的大小對模擬結果有很大影響，如果模具間隙太小，則材料流動的阻力就會增大，致使材料內應力增大，導致拉延件的壁厚變薄而發生破裂。為此，根據經驗選取模具間隙為板厚的1.1倍。因試驗用板料厚為1 mm，所以模具間隙A的3個水平取為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屬流動、防止出現起皺和破裂的重要手段之一。該試驗采用等效拉延筋來代替真實拉延筋，在Dynaform中建立4個半圓形拉延筋[4]，根據經驗取拉延筋高度D的3個水平分別為6 mm、7 mm和8 mm。

表2為正交試驗的水平和因子，表3為正交試驗方案及結果。

表2 正交試驗的水平和因子

表3 正交試驗方案及結果

3.2 試驗數據處理

在覆蓋件沖壓成型過程中，一般用壁厚減薄率來描述材料的拉深程度，壁厚減薄率越大則拉裂的危險性越大，所以在同等材料條件下存在1個最大減薄率，其值越小拉深件拉裂的可能性就越小，產品成型效果就越好。S型信噪比函數用于質量性能目標值為越小越好情況下的試驗結果的分析和優選[6]，該試驗的目標函數選定為最大減薄率，因此選用S型信噪比函數對模擬結果進行分析，以得到最大減薄率狀態下的最佳工藝參數。

S型信噪比S/N函數式為：

式中，yi為工藝組合下的最大減薄率；n為試驗重復次數；η為最小化損失函數。

最大化信噪比等效于最小化損失函數，這里試驗重復次數n=1，因此式（2）轉化為：

將表3中模擬數據代入式（3）可得出各組試驗的信噪比，如表4所列。

表4 各組試驗的信噪比值

將以上各影響參數下不同的信噪比用圖的形式表示出來，如圖4所示。

由圖4可看出，各工藝參數下的最大信噪比分別為A2、B1、C1、D1，即最佳工藝參數組合為A2B1C1D1。其中壓邊力對最大減薄率影響最大，其次是摩擦因數和拉延阻力，影響最小的是模具間隙。由此可知，最佳工藝參數組合為：壓邊力為300 kN，摩擦因數為0.1，拉延筋高度為6mm，模具間隙為1.1 mm。由于最佳的拉深工藝參數組合并不在表3的試驗方案中，所以可間接預測最佳工藝組合下的局部最小厚度。假設各工藝因素之間相互不耦合，預測的最優信噪比水平ηA1B1C3D1計算式為：

料厚為1mm時的最大減薄率為16.09%，可得出拉伸后的最小壁厚為[1×（1-0.1 609）]=0.8 391 mm。

將工藝參數組合A2B1C1D1用軟件Dynaform進行模擬，得出其成型極限圖和厚度分布，如圖5和圖6所示。

由圖5可看出，A2B1C1D1工藝組合條件下制件沒有出現拉裂，只是局部有起皺的趨勢；由圖6可看出，材料厚度變化不大，也沒有局部過薄現象。這說明按照A2B1C1D1最佳工藝組合得到的試件整體成型質量良好，可應用于實際生產中。

4 壓邊力、摩擦因數對最大減薄率的影響

從圖4可看出，壓邊力對最大減薄率影響最大，其次是摩擦因數、拉延阻力和模具間隙，因此在實際生產中，當模具結構一定時，可通過改變壓邊力和摩擦因數來調節最大減薄率。

為探討壓邊力和摩擦因數對制件成型效果的影響規律，設

式中，x1、x2分別為壓邊力和摩擦因數的影響系數。

將表2中的數據代入式（5）和式（6）中，則回歸分析中各參數值如表5所列。

表5 回歸分析中各參數值

因此，式（7）即可反映出壓邊力和摩擦因數對最大減薄率的影響規律，根據二者的數值就可推算出最大減薄率。但實際生產中，壓邊力可調整，而摩擦因數不宜調整，所以式（7）只能進行定性的分析。

由表5中各組數據可擬合得出：

5 實例驗證

將仿真得到的最佳工藝參數組合用于某型行李箱蓋外板零件的生產中，得到了如圖7所示的零件。通過仿真結果與實際零件對比可知，除壓料面外，成型部分的仿真結果與實體零件的數據非常接近，工件各處材料流動趨勢相同。這說明仿真得到的最佳工藝參數組合方式合理，對生產有一定的指導意義。

6 結束語

以某轎車行李箱蓋外板為例，對影響沖壓成型的主要工藝參數壓邊力、摩擦因數、凸凹模間隙、拉延筋高度進行了優化組合，通過分析4個工藝參數對成型過程的影響程度，結合回歸分析方法探討了對沖壓成型影響最大的2個工藝參數的影響規律。將仿真結果與實際生產的零件進行了對比分析，表明了仿真得到的最佳工藝參數組合方式的合理性。

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岳陸游，姜銀方，陳煒，等.DYNAFORM-PC軟件及其在鈑金沖壓中的應用.江蘇大學學報（自然科學版），2002（6）: 51～55.

3陳文亮.板料成型CAE分析教程.北京:機械工業出版社，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.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為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

轎車行李箱外蓋板沖壓成型工藝參數

U463.83

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0016-03