基于等效模型礦用車零件加工性能優(yōu)化分析

楊 晨，李 偉

（鄭州科技學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450064）

1 引言

汽車零件沖壓成形的過(guò)程是材料性能和工藝參數(shù)條件共同作用的過(guò)程，二者的良好匹配是提高一次成功率的關(guān)鍵。延伸率、屈強(qiáng)比、加工硬化指數(shù)和厚向異性系數(shù)是材料性能的關(guān)鍵參數(shù)，而潤(rùn)滑、壓邊力、沖壓速度及間隙等為重要的工藝參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)開(kāi)裂、起皺等沖壓質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，解決問(wèn)題［1］。目前，零件材料的切換沖壓，也即在量產(chǎn)的情況下替換不同供應(yīng)商的材料，容易出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，尤其是車門內(nèi)板、輪罩內(nèi)板等沖壓深度較大的深拉延類零件，發(fā)生的概率更高。在大批量生產(chǎn)的情況下，一般要求不能過(guò)大更改成形工藝參數(shù)，因此在確定的工藝條件下，建立材料性能與零件相適應(yīng)的選材模型，具有十分重要的理論及實(shí)踐意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)車門內(nèi)板等深拉延類零件成形工藝及影響因素進(jìn)行了研究，對(duì)內(nèi)部加工硬化指數(shù)n值、厚向異性系數(shù)r值等［2-3］，對(duì)外部的拉延筋布置、壓邊力、沖壓速度等［4］因素進(jìn)行一系列的研究，獲取影響規(guī)律和最優(yōu)值，更側(cè)重單因素作用［5］，且以模型仿真為主；對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中的開(kāi)裂零件，無(wú)法獲取完整的模型且生產(chǎn)工藝固定，如何采用等效模型優(yōu)化材料性能，研究文獻(xiàn)較少。

以深拉延類典型零件車門內(nèi)板為研究對(duì)象，針對(duì)零件成形破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，利用網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)，分析危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)，基于AutoForm，分析不同應(yīng)變破裂極限類型下，材料的主要性能參數(shù)（屈服強(qiáng)度σs、硬化指數(shù)n和厚向異性指數(shù)r）與零件成形安全裕度的關(guān)系。根據(jù)性能參數(shù)與安全域度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于Matlab建立不同屈服強(qiáng)度下性能參數(shù)的雙響應(yīng)面選材模型，并提出簡(jiǎn)單有效地等效選材模型方案，結(jié)合實(shí)際車門內(nèi)板沖壓開(kāi)裂及材料性能優(yōu)化，對(duì)選材模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2 門內(nèi)板成形過(guò)程分析

2.1 拉延工序分析

車門內(nèi)板的拉延模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般較為復(fù)雜，變形程度較大，工序復(fù)雜，對(duì)材料的性能要求比較高，一般選擇超深沖IF鋼［6］。典型的門內(nèi)板件，如圖1所示。由圖可知，零件模面結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，底部分布著大小不一的圓孔及異型孔，局部高低不同的凸臺(tái)用以同其他零件相互裝配。由于成形材料較軟，周邊及局部分布有拉深加強(qiáng)筋以消除局部起皺等缺陷［7］。為使成形零件應(yīng)變分布均勻，工藝補(bǔ)充面采取了二級(jí)臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，這使得零件拉深高度進(jìn)一步提高，其最大成形拉深高度達(dá)到了231.3mm，如圖1（b）所示。

圖1 車門內(nèi)板拉延工序Fig.1 Drawing Process of Inner Door Panel

由于拉伸深度較大，局部變形劇烈，因此成形材料一般各項(xiàng)性能參數(shù)均要求較高，成形時(shí)大多選用超高深沖IF鋼，該類零件由于局部凹、凸模圓角較小，在底部圓角及側(cè)壁處容易發(fā)生開(kāi)裂，如圖2所示。

圖2 車門內(nèi)板成形破裂區(qū)Fig.2 Formation and Fracture Zone of Door Inner Panel

2.2 零件破裂處應(yīng)變分析

根據(jù)成形極限測(cè)試國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，利用球頭脹形實(shí)驗(yàn)和網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)該材料的成形極限進(jìn)行研究。通過(guò)改變?cè)嚰L(zhǎng)寬比的方法能夠?qū)崿F(xiàn)在單向拉伸、平面應(yīng)變、雙向等拉等不同的應(yīng)變狀態(tài)下的試樣成形極限應(yīng)變，一系列不同的應(yīng)變極限點(diǎn)在主次應(yīng)變坐標(biāo)系中便組成了成形極限曲線（FLC）［8］。通過(guò)應(yīng)用以上網(wǎng)格實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)，可得到門內(nèi)板生產(chǎn)材料的成形極限曲線，這里所選用的材料為DC06，厚度0.65mm結(jié)果，如圖3所示。

圖3 門內(nèi)板用料成形極限曲線Fig.3 The Forming Limit Curve of the Door Inner Panel Material

將落料后的坯料在特定區(qū)域（破裂風(fēng)險(xiǎn)）印制網(wǎng)格，進(jìn)行拉延工序后通過(guò)Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)便可得到該區(qū)域成型后零件的應(yīng)變狀態(tài)，配合成形極限曲線可得到成形極限圖（FLD）。門內(nèi)板易破裂區(qū)域及其成形極限圖（FLD），如圖4所示。圖中可以看出，門內(nèi)板危險(xiǎn)區(qū)域主要以平面應(yīng)變極限破裂，其最大應(yīng)變已經(jīng)接近或超過(guò)10%安全域度曲線，有成形破裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 易破裂區(qū)域成形極限圖Fig.4 Forming Limit Diagram of Easy Fracture Area

2.3 零件成形工藝仿真分析

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期越來(lái)越短，數(shù)值仿真技術(shù)的出現(xiàn)大大縮短了設(shè)計(jì)的周期，提升了產(chǎn)品的質(zhì)量.近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元法在工程設(shè)計(jì)以及科研領(lǐng)域應(yīng)用的越來(lái)越廣［9］，其計(jì)算精度也得到了越來(lái)越多行業(yè)的認(rèn)可，采用AutoForm建模，通過(guò)施加與現(xiàn)場(chǎng)一致的邊界條件，對(duì)門內(nèi)板成形做了仿真分析。研究對(duì)象主要為成形工序中的拉延工序，根據(jù)汽車廠提供的數(shù)模以及生產(chǎn)所用壓力機(jī)，建立門內(nèi)板的有限元仿真凸模、凹模、壓邊圈及仿真坯料模型，門內(nèi)板采用DC06材料，厚度為0.8mm，所建模型，如圖5所示。

圖5 門內(nèi)板仿真模型Fig.5 Simulation Model of Door Inner Panel

為使得仿真結(jié)果真實(shí)可靠，所用材料性能由現(xiàn)場(chǎng)取樣分析所得，之后通過(guò)AutoForm材料模塊計(jì)算材料文件，繼而導(dǎo)入仿真軟件中。所用材料力學(xué)性能，如表1所示。

表1 仿真材料性能Tab.1 Simulation Material Performance

在AutoForm中，等效拉延筋定義為一條具有拉延筋寬度、阻力系數(shù)和挺舉力系數(shù)的定位曲線，當(dāng)板料滑過(guò)拉延筋時(shí)，阻力和挺舉力會(huì)相應(yīng)的應(yīng)用到相關(guān)的板料和模具中［10］。為提高計(jì)算速度，采用虛擬等效拉延筋進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6所示。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝參數(shù)，施加邊界條件，計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。

圖6 拉延筋轉(zhuǎn)換Fig.6 Drawbead Conversion

圖7 門內(nèi)板成形分析結(jié)果Fig.7 Analysis Results of Door Inner Panel Forming

從圖中分析結(jié)果可知，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較為相符，門內(nèi)板零件在底部圓角處出現(xiàn)破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，其破裂區(qū)域應(yīng)變狀態(tài)亦為平面應(yīng)變狀態(tài)，極限應(yīng)變大小為，主應(yīng)變：0.331，次應(yīng)變：-0.033。

3 選材模型建立

3.1 設(shè)計(jì)變量選取

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知，成形工況一定的前提下，屈服強(qiáng)度（σ）s、各向異性系數(shù)（r）及硬化指數(shù)（n）對(duì)沖壓結(jié)果有很大的影響，因此選取以上三個(gè)參數(shù)為材料模型的輸入變量，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合原始材料性能，依照材料的標(biāo)準(zhǔn)范圍，以及實(shí)際量產(chǎn)材料性能區(qū)間給出了各個(gè)參數(shù)的波動(dòng)范圍結(jié)果，如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)變量Tab.2 Design Variables

將上述影響因素作為輸入變量，依托于AutoForm的Sigma模塊，進(jìn)行有限元分析計(jì)算，以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建安全域度的響應(yīng)函數(shù)，從而得到最終的選材模型。

3.2 選材模型響應(yīng)函數(shù)構(gòu)建

將零件數(shù)模導(dǎo)入AutoForm，建立零件的仿真模型，應(yīng)用Sig?ma模塊，建立33的輸入變量與輸出響應(yīng)的分析方案，如圖8所示。

圖8 影響因素輸入方案Fig.8 Input Scheme of Influencing Factors

3.3 平面應(yīng)變極限應(yīng)變選材模型

根據(jù)AutoForm有限元仿真結(jié)果，并依托于Sigma模塊處理，可得到零件有破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域某單元在不同影響因素下的應(yīng)變狀態(tài)，門內(nèi)板破裂區(qū)域應(yīng)變狀態(tài)輸出結(jié)果，如圖9所示。

圖9 分析結(jié)果和應(yīng)破裂風(fēng)險(xiǎn)單元Fig.9 Analysis Results and Risk Unit of Rupture

由圖可知，不同影響因素下破裂區(qū)單元的主應(yīng)變狀態(tài)有明顯的不同，次應(yīng)變基本為0，將不同影響因素下的應(yīng)變狀態(tài)并計(jì)算出該狀態(tài)下的安全域度統(tǒng)計(jì)于下表，屈服強(qiáng)度116MPa、136MPa、156MPa時(shí)安全域度的響應(yīng)，如表3～表5所示。

表3 屈服強(qiáng)度116MPaTab.3 Yield Strength 116MPa

表4 屈服強(qiáng)度136MPaTab.4 Yield Strength 136MPa

表5 屈服強(qiáng)度156MPaTab.5 Yield Strength 156MPa

根據(jù)以上數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab，應(yīng)用最小二乘法，分別擬合σs為116MPa、136MPa和156MPa時(shí)成形安全裕度S與n和r之間的定量關(guān)系，即建立了材料性能參數(shù)與零件破裂區(qū)安全域度的輸入輸出響應(yīng)函數(shù)，如圖10所示。

圖10 不同屈服強(qiáng)度下響應(yīng)函數(shù)Fig.10 Corresponding Functions Under Different Yield Strengths

圖中三曲面對(duì)比可以看出，當(dāng)n值由0.2增大到0.24時(shí)，零件成形安全裕度增加幅度不大，且屈服強(qiáng)度較小時(shí)，成形安全裕度隨n值的增加，上升更為緩慢，隨著屈服強(qiáng)度的提高，n值在增大到一定程度后增幅變大，但影響并沒(méi)有屈服強(qiáng)度對(duì)安全域度的影響大；當(dāng)r值為2，n值為0.24時(shí)安全域度依然隨著屈服強(qiáng)度的降低而提高。

3.4 平面應(yīng)變類等效選材模型

簡(jiǎn)單球頭脹形模型仿真結(jié)果的極限應(yīng)變，其破裂處應(yīng)變近似平面狀態(tài)，因此可建立球頭脹形的平面應(yīng)變有限元仿真模型，通過(guò)調(diào)整脹形試樣的長(zhǎng)寬比，使得在平面狀態(tài)下的極限應(yīng)變與圖7所示門內(nèi)板零件危險(xiǎn)點(diǎn)的極限應(yīng)變（主應(yīng)變：0.342，次應(yīng)變：-0.0318）相近，如圖11所示。采取同樣的技術(shù)手段，可得到成形安全裕度與影響因素關(guān)系曲面，如圖12所示。

圖11 球頭脹形有限元模型及其FLD圖Fig.11 The Finite Element Model of Ball Bulging and its FLD Diagram

圖12 不同屈服強(qiáng)度下的影響Fig.12 Influence Under Different Yield Strength

從所建材料模型的三維曲面對(duì)比可知，球頭脹形仿真所建材料模型與應(yīng)用零件數(shù)模仿真所建材料模型曲面相似，成形安全裕度與材料力學(xué)性能參數(shù)的關(guān)系一致，與真實(shí)數(shù)模安全域度曲面偏差在5%以內(nèi)，因此簡(jiǎn)單的球頭脹形仿真所建材料模型可以代替應(yīng)用零件數(shù)模仿真所建材料模型。

4 開(kāi)裂材料性能優(yōu)化

根據(jù)以上選材模型，針對(duì)車門內(nèi)板，分析成形安全裕度與其影響因素的關(guān)系曲面云圖，對(duì)原有材料的力學(xué)性能做了相應(yīng)地調(diào)整。此類應(yīng)變對(duì)r值更為敏感，適當(dāng)調(diào)高材料的r值，新試制材料的力學(xué)性能，如表6所示。材料性能優(yōu)化后，對(duì)零件進(jìn)行有限元仿真分析，獲得零件的減薄云圖，如圖13所示。

表6 優(yōu)化后材料性能Tab.6 Material Properties After Optimization

圖13 門內(nèi)板仿真減薄云圖Fig.13 The Simulated Thinning Cloud Map of the Door Inner Panel

由圖可知，門內(nèi)板整體成形性能良好，未出現(xiàn)開(kāi)裂等問(wèn)題，最大減薄率控制在了23%以下，滿足主機(jī)廠要求。進(jìn)行沖壓生產(chǎn)，前后對(duì)比，如圖13（a）所示。利用Argus網(wǎng)格應(yīng)變測(cè)量分析系統(tǒng)，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的成形極限圖進(jìn)行測(cè)試結(jié)果，如圖13（b）所示。

圖14 門內(nèi)板零件沖壓分析Fig.14 Stamping Analysis of Door Inner Plate Parts

由沖壓結(jié)果可知，原來(lái)的開(kāi)裂問(wèn)題得到了有效解決；對(duì)原沖壓開(kāi)裂位置的安全裕度進(jìn)行測(cè)試可知，危險(xiǎn)區(qū)域的安全裕度也遠(yuǎn)在10%以上，滿足在當(dāng)前工藝下的生產(chǎn)要求。同時(shí)，表明材料優(yōu)化模型的可靠性，為此類問(wèn)題解決提供參考。

5 結(jié)論

（1）車門內(nèi)板成形破裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)變屬于平面應(yīng)變；

（2）厚向異性指數(shù)r值對(duì)平面應(yīng)變類成形安全域度影響要大于硬化指數(shù)n值，危險(xiǎn)點(diǎn)屬于平面應(yīng)變的應(yīng)著重考慮提高r值；隨著屈服強(qiáng)度σs增大，板材發(fā)生塑性變形所需的應(yīng)力增大，使變形的難度增加，板料成形能力下降，成形安全裕度降低；

（3）利用兩個(gè)不同形狀的零件，若危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)及應(yīng)變大小相同，則其經(jīng)歷的極限變形能力相同的原理，最終利用簡(jiǎn)單形狀的脹形實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法建立基于零件成形安全裕度的等效選材模型，通過(guò)優(yōu)化材料性能，車門內(nèi)板原開(kāi)裂區(qū)域減薄率小于23%，安全裕度高于10%，解決了車門內(nèi)板開(kāi)裂的問(wèn)題。