基于正交試驗(yàn)的汽車翼子板拉伸成形仿真研究＊

蔣 磊，王 龍，呂中原，王大鵬，張淳波，沈軍奇

（東風(fēng)本田汽車有限公司 新車型中心，湖北武漢 430056）

1 引言

汽車覆蓋件的沖壓成形是一個(gè)包含幾何、材料非線性以及接觸、摩擦的復(fù)雜力學(xué)過程[1～2]，對于制件結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定的汽車覆蓋件，影響其成形質(zhì)量的主要因素為工藝參數(shù)和材料性能[3～4]。合理取值的壓邊力（Blank Holder Force，BHF）、良好的潤滑條件以及大小合適的材料厚向異性系數(shù)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度是決定汽車覆蓋件能否穩(wěn)定生產(chǎn)的先決條件[5]。翼子板作為車身上最重要的覆蓋件之一，具有形狀復(fù)雜、成形深度大、曲率起伏多變、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)[6]，對于沖壓工況和材料性能的要求較為苛刻。成形過程中工況條件的不穩(wěn)定和材料力學(xué)性能參數(shù)的波動(dòng)極易造成制件的開裂和起皺。因此，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法系統(tǒng)研究影響成形質(zhì)量的工藝、材料等方面的因素，對解決此類制件的成形缺陷有著重要的意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型或者借助有限元分析軟件對汽車覆蓋件拉伸開裂、起皺的影響因素進(jìn)行了諸多研究。郭強(qiáng)等基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解了高強(qiáng)鋼車身側(cè)圍板最優(yōu)工藝參數(shù)[7]，獲得了減薄率小于30%的車身側(cè)圍板。Peng Wu等采用正交試驗(yàn)分析了壓邊力、模具間隙、摩擦系數(shù)以及凹模圓角對汽車翼子板拉伸成形的影響[8]，優(yōu)先出最佳工藝參數(shù)組合，從而解決了翼子板開裂和起皺問題。韓龍帥等通過提高材料厚向異性系數(shù)和加工硬化指數(shù)[9]，并將網(wǎng)格應(yīng)變試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合，解決了汽車后門內(nèi)板拉伸開裂問題。周志偉等構(gòu)建了影響成形的工藝參數(shù)二階響應(yīng)面法（RSM）模型[10]，運(yùn)用改良型遺傳算法（GA）進(jìn)行模型尋優(yōu)，優(yōu)化了汽車后備箱蓋板工藝參數(shù)，消除了后備箱蓋板開裂和起皺缺陷。上述研究主要是對工藝參數(shù)或者材料參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立分析，而對于工藝、材料對汽車覆蓋件拉伸開裂、起皺的綜合影響研究較少。

本文以某SUV車型翼子板為研究對象，綜合分析工藝參數(shù)與材料參數(shù)對其拉伸成形的影響，基于正交試驗(yàn)法實(shí)現(xiàn)快速定位影響翼子板拉伸開裂、起皺的主要因素，并研究了各影響因素之間的相互作用，從而確定了翼子板拉伸成形工藝、材料參數(shù)的最優(yōu)組合，提高了翼子板拉伸成形的穩(wěn)定性。

2 試驗(yàn)物理模型

2.1 翼子板幾何模型

翼子板制件三維幾何模型以及典型截面如圖1所示，制件輪廓尺寸為986×775×168mm，各部位成形深度大小不一，存在一定的差異。主棱線為小圓角設(shè)計(jì)風(fēng)格，腰線圓角半徑為R7mm，輪眉線圓角半徑為R5mm。制件外表面由多個(gè)不同曲率的凸、凹弧面銜接構(gòu)成。制件材料為JAC270D-45/45，料厚t=0.65mm，屬于一種深沖用雙面熱鍍鋅鐵合金板，合金鍍層重量為45g/m2，鍍層中鐵含量通常為8%～15%，其化學(xué)成分、力學(xué)性能與寶鋼DC54D+ZF材料相當(dāng)。JAC270D-45/45材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

圖1 翼子板制件幾何模型

2.2 翼子板拉伸工藝模型

根據(jù)翼子板制件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在CATIA軟件GSD（Generative Surface Design）模塊中進(jìn)行翼子板3D工藝模面設(shè)計(jì)，得到如圖2所示的拉伸工藝模型。為了提高材料利用率，將A區(qū)域的制件面展開作為壓料面的一部分，并采用了敞開式八字形拉伸筋，以避開修邊線。E區(qū)域外表面為小區(qū)率凹弧面，拉伸成形過程中受單向拉伸應(yīng)力的影響，極易產(chǎn)生面畸變，為了降低面畸變對外觀質(zhì)量的影響，該部位設(shè)計(jì)了隆起式余肉，以改善材料拉伸狀態(tài)。G區(qū)域的輪眉線圓角較小，存在滑移線風(fēng)險(xiǎn)，因此該部位也設(shè)計(jì)了隆起式余肉，在拉伸成形初始階段，工藝補(bǔ)充面的凸模圓角先于棱線圓角接觸板料，從而防止滑移線的發(fā)生。

圖2 翼子板拉伸工藝模型

2.3 翼子板拉伸成形有限元模型

在CATIA軟件中將翼子板拉伸工藝模型以IGS格式導(dǎo)出，并導(dǎo)入至AutoForm R8軟件中，然后依次進(jìn)行沖壓方向設(shè)置、材料模型定義、工序規(guī)劃、板料設(shè)置、工具體模型設(shè)置以及工藝參數(shù)設(shè)置。其中凸模、壓邊圈、凹模均定義為剛性體模型，壓邊圈剛度設(shè)置為10MPa/mm，壓邊圈支撐類型選擇“Force Controlled”，拉伸行程設(shè)置為90mm。仿真所用的材料模型從寶鋼材料庫中選擇DC54D-ZF，板料為異型毛坯，需要使用專用落料模進(jìn)行剪切成形，板料形狀與尺寸如圖3所示。

圖3 翼子板板料尺寸模型

本文所研究的翼子板為單動(dòng)拉伸成形，即沖壓方向豎直向下，以凸模為加工基準(zhǔn)，凹模由凸模偏置一個(gè)料厚（0.65mm）得到[11]。拉伸成形時(shí)，凹模向下運(yùn)動(dòng)，先與壓邊圈接觸并完成閉合，從而將板料壓緊，之后凹模、板料、壓邊圈作為一個(gè)整體，同步向下運(yùn)動(dòng)并逐步與凸模型面貼合，直至完成拉伸成形。由于AutoForm軟件的有限元網(wǎng)格為系統(tǒng)自動(dòng)生成，所劃分的網(wǎng)格大小、數(shù)量往往無法滿足精確仿真的需求。為了保證翼子板成形仿真的精度，需要對有限元參數(shù)進(jìn)行精細(xì)設(shè)置。其中，數(shù)模縫合公差設(shè)置為0.5mm，網(wǎng)格精度公差設(shè)置為0.05mm，最大單元變成設(shè)置為10mm，最大半徑穿透設(shè)置為0.16mm，最大單元夾角設(shè)置為22.5°，最大分裂等級設(shè)置為5級分裂，板料單元尺寸設(shè)置為12mm，初始細(xì)分等級選擇“Equal to Master”，網(wǎng)格單元類型選擇“EPS-11”，圓角處單元切向分裂選擇“on”，結(jié)束時(shí)間步大小設(shè)置為0.4mm，結(jié)束時(shí)間步數(shù)設(shè)置為5次，最大迭代次數(shù)設(shè)置為60次[12]。有限元參數(shù)設(shè)置完成后，利用AutoForm軟件的網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能生成自適應(yīng)網(wǎng)格，得到如圖4所示的翼子板拉伸成形有限元模型。

圖4 翼子拉伸成形有限元模型

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工藝與材料參數(shù)設(shè)定

為了獲得翼子板的最優(yōu)成形工藝與材料參數(shù)，在單獨(dú)研究各個(gè)因素的基礎(chǔ)上，運(yùn)用正交試驗(yàn)實(shí)施工藝與材料參數(shù)優(yōu)化研究。翼子板的拉伸開裂缺陷可以利用最大減薄率來評價(jià)，起皺缺陷可以利用最大增厚率來評價(jià)。開裂和起皺屬于多指標(biāo)問題，因此，需要綜合考慮。本次試驗(yàn)以壓邊力BHF、摩擦系數(shù)μ、材料厚向異性系數(shù)r、材料屈服強(qiáng)度σs、材料抗拉強(qiáng)度Rm作為研究因素，每個(gè)因素設(shè)定4個(gè)水平，因此，采用了標(biāo)準(zhǔn)正交表L16（45）。因素水平表、正交試驗(yàn)方案與結(jié)果分別如表2、表3所示。將16組試驗(yàn)的工藝和材料參數(shù)在AutoForm軟件中分別進(jìn)行設(shè)置和仿真分析，得到了分析結(jié)果即表3中的試驗(yàn)結(jié)果。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于選用軟鋼材料的汽車覆蓋件，當(dāng)減薄率大于25%時(shí)將會(huì)發(fā)生開裂，當(dāng)增厚率大于10%時(shí)將會(huì)發(fā)生起皺。在本次試驗(yàn)中，若制件減薄率小于25%，增厚率小于10%，則可判定制件質(zhì)量合格。

表2 正交試驗(yàn)因素水平表

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

極差分析可以十分直觀地顯現(xiàn)正交試驗(yàn)中各變量因素對結(jié)果的影響程度，而方差分析法則可以對變量因素的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)。對翼子板拉伸成形正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，得到最大減薄率的極差和方差分析結(jié)果分別如表4、表5所示，最大增厚率的極差和方差分析結(jié)果別如表6、表7所示。

表5 最大減薄率方差分析

表7 最大增厚率方差分析

由表4、表6可知，各因素對翼子板最大減薄率和最大增厚率影響的主次順序均為A（壓邊力）>D（材料屈服強(qiáng)度）>C（材料厚向異性系數(shù)）>B（摩擦系數(shù)）>E（材料抗拉強(qiáng)度）。說明壓邊力是決定翼子板拉伸成形開裂、起皺與否的首要影響因素，而材料抗拉強(qiáng)度對翼子板拉伸成形開裂、起皺的影響不大。最優(yōu)成形工藝和材料參數(shù)組合為A3D1C4B2E4，即BHF=1,100kN、σs=150MPa、r=1.9、μ=0.14、Rm=300MPa。在實(shí)際沖壓生產(chǎn)過程中，壓邊力可以通過壓力機(jī)的液壓拉伸墊進(jìn)行線性調(diào)整，而摩擦系數(shù)則由板料清洗機(jī)的泵油量進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，在選擇合適的壓邊力和摩擦系數(shù)之后，只需對材料的屈服強(qiáng)度和厚向異性系數(shù)進(jìn)行周期性監(jiān)控，嚴(yán)格控制其波動(dòng)范圍，即可保證制件的批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

表4 最大減薄率極差分析

表6 最大增厚率極差分析

從表5、表7可以看出，因素A對于最大減薄率和最大增厚率均有著最為顯著影響，而因素E對于最大減薄率和最大增厚率的影響均不顯著，即壓邊力對最大減薄率和最大增厚率的影響最大，材料抗拉強(qiáng)度對最大減薄率和最大增厚率的影響最小。根據(jù)偏回歸系數(shù)F可知5個(gè)因素對最大減薄率和最大增厚率的影響主次順序均為A（壓邊力）>D（材料屈服強(qiáng)度）>C（材料厚向異性系數(shù)）>B（摩擦系數(shù)）>E（材料抗拉強(qiáng)度），與極差分析結(jié)果完全吻合，證明極差分析準(zhǔn)確可信。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果極差和方差分析所得出的因素主次順序選取最優(yōu)工藝與材料水平，在AutoForm軟件中將依次壓邊力設(shè)置為1,100kN，材料屈服強(qiáng)度設(shè)置為150MPa，材料厚向異性系數(shù)設(shè)置為1.9，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.14，材料抗拉強(qiáng)度設(shè)置為300MPa。完成相應(yīng)的工藝、材料參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行求解計(jì)算，得到如圖5、圖6所示的拉伸成形仿真結(jié)果。由圖5a可知，翼子板制件面及工藝補(bǔ)充面所有區(qū)域的應(yīng)變均處于成形極限以內(nèi)，且具有較大的安全裕度。由圖5b可知翼子板整體成形充分，制件區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)塑性變形不足和極限減薄的情況，成形效果良好。由圖6可知，翼子板最大減薄率為21.9%，滿足減薄率應(yīng)小于25%的開裂判斷標(biāo)準(zhǔn)；最大增厚率為9.2%，滿足增厚率應(yīng)小于10%的起皺判斷標(biāo)準(zhǔn)，說明翼子板獲得了良好的成形質(zhì)量，制件拉伸成形發(fā)生開裂和起皺的風(fēng)險(xiǎn)極小。

圖5 成形極限圖和成形性

圖6 翼子板厚度變化率云圖

5 試模驗(yàn)證

利用正交試驗(yàn)優(yōu)化得到的工藝和材料參數(shù)組合，對翼子板進(jìn)行拉伸成形試模驗(yàn)證。最終調(diào)試得到的翼子板拉伸件實(shí)物如圖7所示，制件整體成形效果良好，制件各部位均未出現(xiàn)開裂和起皺缺陷，同時(shí)外表面亦未出現(xiàn)滑移線、沖擊線以及明顯的面畸變等缺陷。經(jīng)質(zhì)量檢驗(yàn)后對制件各部位厚度進(jìn)行了測量，得知所有區(qū)域厚度變化率均在-25～10%之間，與成形仿真結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)方案的正確性。

圖7 翼子板拉伸件實(shí)物

6 結(jié)論

（1）通過正交試驗(yàn)的極差分析和方差分析，得出影響翼子板最大減薄率和最大增厚率的影響因素主次順序?yàn)閴哼吜?材料屈服強(qiáng)度>材料厚向異性系數(shù)>摩擦系數(shù)>材料抗拉強(qiáng)度，并確定了最優(yōu)拉伸工藝和材料參數(shù)組合為壓邊力取值1,100kN、材料屈服強(qiáng)度取值150MPa、材料厚向異性系數(shù)取值1.9、摩擦系數(shù)取值0.14、材料抗拉強(qiáng)度取值300MPa。

（2）應(yīng)用優(yōu)化后的工藝和材料參數(shù)進(jìn)行翼子板拉伸成形仿真，獲得良好的成形效果。試模驗(yàn)證得變形充分，無開裂、起皺，外表面無滑移線、沖擊線以及面畸變的合格制件。試模結(jié)果與仿真結(jié)果高度吻合，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)和有限元分析的準(zhǔn)確性。

（3）研究結(jié)果表明，應(yīng)用基于正交試驗(yàn)有限元分析技術(shù)能夠改善翼子板的拉伸成形質(zhì)量、提高翼子板的拉伸成形裕度、增強(qiáng)翼子板生產(chǎn)的穩(wěn)定性，從而降低制件沖壓生產(chǎn)成本。