魏霄俊

（同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 200092）

摘要：為解決某車(chē)型左前門(mén)鉸鏈處變薄問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件建立研究模型，開(kāi)展了沖壓成型仿真研究，運(yùn)用正交試驗(yàn)法對(duì)摩擦因數(shù)、壓邊力、壓邊圈行程等工藝參數(shù)展開(kāi)系統(tǒng)研究，獲取最佳參數(shù)組合后開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明零件變薄率達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，所提出的分析方法可為汽車(chē)企業(yè)沖壓零件外觀缺陷問(wèn)題提供解決思路。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)沖壓件 表面質(zhì)量 CAE 正交試驗(yàn)

1 前言

沖壓是整車(chē)生產(chǎn)中的重要步驟，亦為制造流程中的首個(gè)工藝。

汽車(chē)沖壓件的質(zhì)量問(wèn)題中，零件變薄所引起的開(kāi)裂、縮頸、剛性不足等缺陷一直是整車(chē)廠(chǎng)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，它不僅影響車(chē)身外觀質(zhì)量，更可能對(duì)整車(chē)安全性和功能性產(chǎn)生影響。

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以往，汽車(chē)企業(yè)在沖壓件批量制造過(guò)程中的品質(zhì)改善基本依靠現(xiàn)場(chǎng)工程師的個(gè)人能力。

本文以某車(chē)型前門(mén)內(nèi)板，仿真計(jì)算和正交試驗(yàn)法為基礎(chǔ)，開(kāi)展沖壓成型仿真研究，針對(duì)門(mén)鉸鏈處變薄問(wèn)題提出了最佳參數(shù)組合并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 CAE仿真分析

2.1 工藝數(shù)模建立

目前汽車(chē)沖壓成型 CAE 軟件以 AutoForm、 DYNAFORM、PAM-STAMP 為主，前兩個(gè)軟件使用較多，而且 AutoForm 易于上手，因此本文使用 AutoForm 開(kāi)展分析。

AutoForm 建立的工藝補(bǔ)充面拙劣，無(wú)法達(dá)到生產(chǎn)要求，因此選擇 3D CATIA 來(lái)創(chuàng)建工藝模型。

在創(chuàng)建工藝模型時(shí)，關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)角度、后續(xù)沖裁、整形尺寸和角度。

模型創(chuàng)建完成后，選擇數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口（IGES 等），把曲面模型轉(zhuǎn)換到AutoForm中。

2.2 坯料輪廓線(xiàn)定義

前門(mén)內(nèi)板零件相對(duì)于外覆蓋件造型簡(jiǎn)單，故在定義坯料輪廓線(xiàn)時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常選用方形料，然后使用 AutoForm 分析調(diào)整坯料。

圖 1 所示為某車(chē)型左前門(mén)內(nèi)板坯料形狀及規(guī)格，使用剪切工藝來(lái)生產(chǎn)板料。

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2.3 網(wǎng)格劃分

AutoForm提供2類(lèi)網(wǎng)格劃分方式，各自要求有著很大的區(qū)別，坯料網(wǎng)格主要用于參與計(jì)算，工具網(wǎng)格主要用于接觸判斷。

坯料網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2 所示，因?yàn)橐獏⑴cCAE計(jì)算，所以對(duì)網(wǎng)格部分的要求較苛刻。

坯料網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)為單位尺寸相對(duì)平均，無(wú)畸形單位，還能達(dá)到網(wǎng)格相容性要求。

2.4 材料指標(biāo)確定

通常，材料都展現(xiàn)出各向異性，按照彈性及塑性模量的變形要求，除設(shè)置屈服強(qiáng)度σ₀、抗拉強(qiáng)度 R_m 外，還需設(shè)置 0°、45°、90°方向的塑性應(yīng)變比，分別為r₀、r₄₅、r₉₀。上述指標(biāo)應(yīng)盡量通過(guò)試驗(yàn)獲取。

本文左前門(mén)內(nèi)板采用寶武 DC56D+Z50/50 材料，按照表 1 所示的性能指標(biāo)建立匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖3所示。

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2.5 拉延筋設(shè)置

如圖4

所示，因?yàn)樽笄伴T(mén)內(nèi)板仿真時(shí)選擇單拉深筋一般無(wú)法很好地優(yōu)化板料阻力和流動(dòng)程度，所以此處左前門(mén)內(nèi)板的等效筋要求不少于2道。

等效筋數(shù)量的不當(dāng)定義常導(dǎo)致材料報(bào)廢，所以零件開(kāi)發(fā)階段就要全方位衡量材料性能參數(shù)、拉延筋分配量及材料有效使用率。

2.6 摩擦因數(shù)設(shè)置

沖壓拉延時(shí)，摩擦主要存在于模具與料片間，在制造過(guò)程中以監(jiān)控沖壓線(xiàn)清洗機(jī)的油量實(shí)現(xiàn)摩擦因數(shù)控制，但軟件模擬時(shí)一般使用恒定的數(shù)值，本文仿真過(guò)程設(shè)摩擦因數(shù)為0.15。

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2.7 定位距設(shè)置

考慮到左前門(mén)內(nèi)板的材料長(zhǎng)度約 1 900 mm，寬度約1 500 mm，加上壓邊圈的曲率作用，使得制造時(shí)料片發(fā)生側(cè)移導(dǎo)致仿真偏差。

故前期通常選擇定位距來(lái)保證材料的位置，如圖5所示。

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2.8 工具定義

2.8.1 壓邊中心

如圖6所示，其包含4部分內(nèi)容：None定義為軟件仿真全程壓邊力一直作為平均安置狀態(tài)；Tool center / Blank center 定義為壓力焦點(diǎn)和產(chǎn)品焦點(diǎn)匹配偏差，壓邊圈出現(xiàn)歪斜，造成壓力分布非均勻。

2.8.2 壓邊圈剛度

考慮到非均勻壓邊力的情況，將壓邊圈定義為彈性體，其余定義為剛體。修改其剛度是均勻分配壓邊力的一種手段。

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2.8.3平衡塊

優(yōu)化平衡塊可最大限度地防止壓邊力聚集于一處。

2.8.4 拉延筋挺舉力

它可使壓邊圈出現(xiàn)歪斜，引起壓邊力分配偏差。

壓邊中心不允許定義為None，開(kāi)啟運(yùn)算（允許選擇操作模式）為拉延筋出現(xiàn)挺舉力的前提。

2.9 建立工序模具

拉延為料片在模具活動(dòng)時(shí)發(fā)生走料變形，一般情況下為首道工序，也是后續(xù)全部工序的基礎(chǔ)。

拉延決定著產(chǎn)品平直、制造節(jié)拍及制造運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

拉延工序設(shè)計(jì)過(guò)程中，要全面權(quán)衡拉延角度、材料規(guī)格、壓邊圈等要素的干擾，工藝補(bǔ)充面參數(shù)多，如工藝規(guī)劃、設(shè)備沖次、拉延力、材料性能指標(biāo)、清洗機(jī)油量等。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，上述因素對(duì)零件品質(zhì)的影響程度和方向存在差異，同時(shí)，各因素內(nèi)部亦存在復(fù)雜的關(guān)系。

如，拉延力和清洗機(jī)油量的改變均會(huì)導(dǎo)致門(mén)鉸鏈區(qū)域的材料厚度變化，上述波動(dòng)有時(shí)發(fā)生累積作用，有時(shí)亦會(huì)發(fā)生中和作用[1]。

受限于客觀條件及成本，本文對(duì)沖壓制造時(shí)可監(jiān)控的指標(biāo)數(shù)據(jù)的3個(gè)要素展開(kāi)研究：摩擦因數(shù)（即匹配制造時(shí)擠干輥壓力）、壓邊力和壓邊圈行程。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，這3個(gè)參數(shù)是導(dǎo)致零件開(kāi)裂的重點(diǎn)要素。

同時(shí)，根據(jù)之前沖壓制造過(guò)程的調(diào)試記錄，上述3個(gè)要素亦是左前門(mén)內(nèi)板門(mén)鉸鏈處變薄率異常的最主要原因。

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