基于正交試驗的鋁合金覆蓋件模面優化?

程 鵬，金飛翔，邵晨曦，修 磊

(1.北京科技大學機械工程學院，北京 100083； 2.合肥學院機械工程系，合肥 230601；3.機械科學研究總院集團有限公司，中機生產力促進中心，北京 100044)

前言

汽車車身板件沖壓成形工序中最重要的是模面的開發設計,國外大部分汽車模具公司,在汽車車身板件成形開發中模面設計優化占整個產品開發周期的1/3,主要是因為優化后的模面可為企業減少模具反復加工的頻率和調試時間,從而為企業的產品開發降低成本和縮短周期[1-2]。隨著汽車輕量化的要求不斷提高,鋁合金在汽車領域中得到了廣泛的應用。其中包括全鋁車身的應用,如奧迪A8車型、捷豹路虎等。然而鋁合金板材的沖壓成形性能比鋼板差,容易產生局部破裂和起皺等缺陷,導致成形后汽車覆蓋件的精度很難控制[3-4]。汽車覆蓋件成形模面對產品的成形結果有重要影響,然而傳統汽車鋼板覆蓋件的成形理論已不適用汽車用鋁合金,文獻[5]中采用DYNAFORM軟件研究了3種典型的各向異性屈服準則Hill48,Barlat89和YLD2000-2d對成形模擬結果的影響,并通過試驗對比得出YLD2000-2d屈服準則的模擬結果與試驗結果吻合最好,數值模擬的精度最高。文獻[6]中基于正交試驗對7075鋁合金熱成形,利用LS-DYNA進行成形工藝參數的優化,獲得一組成形結果最優的工藝參數。本文中采用Dynaform有限元軟件研究分析了成形模面結構參數對AA6014-T4鋁合金汽車發動機艙蓋(下簡稱機艙蓋)成形結果的影響,并基于正交試驗設計進行模面結構的優化,最后通過產品的成形試驗進行對比分析,得到最優的模面結構,為模具的設計制造提供一定的理論依據。

1 有限元模擬分析與試驗

1.1 有限元模型建立

汽車鋁合金機艙蓋外板幾何模型如圖1所示,產品尺寸沿對稱中線的最大長度為1 410mm,寬度為1 635mm,厚度為1mm,材料是AA6014-T4鋁合金板材,材料性能參數如表1所示。圖2為沿軋制方向0°,45°和90°的AA6014-T4鋁合金板材真實應力應變曲線。圖3為AA6014-T4鋁合金板材的成形極限曲線圖。

圖1 零件幾何模型

基于Dynaform軟件進行模面結構的設計和產品的成形分析,模面初步設計的幾何模型如圖4所示,拉延筋幾何結構如圖5所示,板料形狀如圖6所示,初步定義機艙蓋工藝補充面結構參數如圖7所示,修邊延長量為5mm,凸模圓角為25mm,凹模圓角為10mm,拔模斜度為20°。為節省計算時間,采用虛擬等效拉延筋。根據文獻確定工藝參數,初步確定恒定壓邊力為55t,摩擦因數為0.17,虛擬成形速度為1 000mm/s(為提高計算效率,采用虛擬速度方法),模具間隙為1.1mm,接觸方式為Forming_One_Way Surface To Surface[7]。

表1 鋁合金力學性能參數

圖2 AA6014-T4鋁合金真實應力應變曲線

圖3 AA6014-T4鋁合金成形極限曲線

圖4 模面幾何模型

圖5 拉延筋結構

圖6 板料(mm)

圖7 工藝補充面結構參數

1.2 模擬結果

圖8 為材料減薄率分布。由圖可見,最大減薄率為26.5%位于后沿圓角過渡區。根據工程經驗數據,一般汽車鋁合金覆蓋件板料厚度減少4%～20%是可以接受的,但若減薄率大于20%,則認為實際沖壓過程中零件有破裂的危險。圖9為材料流動量分布。從圖9看出,由于中間拉深變形較大,材料的流動比較多,因此需要進行工藝面結構調整,并在成形工藝參數一定時,分析模面結構參數對產品成形結果的影響和優化模面結構,從而提高產品的成形質量。

圖8 材料減薄率分布

圖9 材料流動量分布

2 模面的優化設計

針對汽車機艙蓋初步成形模擬結果的分析表明,鋁合金機艙蓋局部材料的流動較多,為減緩局部區域材料的流動速度,進行工藝面初步改進設計,如圖10所示。成形模擬和試驗結果對比如圖11所示。由圖可見,產品成形的局部區域明顯開裂。因此當成形工藝參數一定時,對產品成形的模面結構進行進一步的改進與優化。考慮到工藝補充面諸多參數中,凸模圓角、凹模圓角、側壁的脫模斜度和零件邊界延長量對產品成形的模面結構影響較大,因此選取上述4個模面結構參數為因素,每個因素取3個水平進行正交試驗,試驗設計如表2所示。試驗方案結果分析如表3所示[8]。減薄、增厚和應變影響著產品的局部開裂和起皺,同時也決定著制件的成形效果,故試驗結果以成形件的局部厚度的最大減薄率、最大增厚率和最大主應變為定量指標[9]。

圖10 修改后的模面

圖11 模擬和試驗結果

表2 試驗因素與水平

表3 試驗設計與結果

3 結果與討論

拉延成形工藝面主要由產品的型面、工藝補充面和壓料面3部分組成,在產品的型面和壓料面一定的情況下,影響工藝面的重要因素就是工藝補充面的設計,直接影響到拉延成形過程中材料流動不均勻引起的破裂和起皺等缺陷的產生。

通過對以上9組試驗結果分析可知：在產品型面的拉深變形區域,無破裂、破裂傾向和起皺等缺陷產生；試驗1,4,7,8,9中出現了破裂傾向,但主要集中在工藝補充面上,同時9個試驗結果中都存在起皺缺陷,主要集中在法蘭壓邊區,后期經過修邊工序進行處理。表4為試驗結果極差分析,其中分別代表不同水平得到結果的平均值,R代表局部最大減薄率、最大增厚率和最大主應變的極差值。通過極差分析得到的各因素對定量評價指標的影響排序如表5所示。圖12為經過數據處理得到的不同因素水平對不同結果的影響趨勢。由表5可見,模面的拔模斜度對最大減薄率的影響較大,凸模圓角次之。主要著眼于減薄率,適當兼顧另兩個指標,通過對表4正交試驗結果極差的直觀分析,較優工藝面參數水平組合為A1B3C3D2,對該組合的試驗分析結果如表6所示。由表可見,其局部最大減薄率為16.596%,優于表3中所有方案,最大主應變為0.225,優于表3中絕大多數方案,而最大增厚率為9.531%,雖僅小于表3方案中的最大者,但仍遠小于有起皺傾向的工程經驗值(30%)。圖13為優化后成形極限圖和減薄率分布圖。由圖13可以看出,產品型面成形結果較好,無開裂和起皺缺陷。圖14為優化后成形產品主應變和材料流動量的分布圖。材料最大流動量為62.78mm,明顯比優化前大。圖15為產品成形試驗結果。由圖15可見,優化后產品的成形質量較好,無明顯的開裂和起皺。

表4 試驗結果極差分析

表5 各因素影響排序

表6 優化后的試驗結果

針對不同截面路徑下產品試驗與模擬結果的對比分析,獲得模擬與試驗的厚度分布結果,如圖16所示。由圖可知,模擬結果的厚度與試驗測量結果有一定誤差,誤差范圍在0.02mm內,同時模擬計算的厚度分布結果與試驗結果的變化趨勢較接近。

圖12 各因素對結果指標的影響

4 結論

(1)通過正交試驗分析可知,拔模斜度的大小對產品的局部減薄率影響較大,適當地增加拔模斜度可有效減小最大減薄率,提高產品質量。

(2)當拉延成形工藝參數一定時,經過優化得出模面的邊界延長量為4mm、凸模圓角為20mm、拔模斜度為20°、凹模圓角為10mm的條件下,可獲得較好汽車鋁合金機艙蓋外板產品。

圖13 優化后成形極限結果和減薄率分布

圖14 優化后主應變和材料流動分布

圖15 成形試驗結果

圖16 不同路徑的模擬與試驗厚度分布結果

(3)通過鋁合金覆蓋件成形試驗和生產結果檢測對比,得到合格的鋁合金汽車機艙蓋產品并在主機廠進行批量生產,模擬結果與試驗結果厚度對比分析,誤差在0.02mm范圍內,整體分布的趨勢較接近。