基于有限元的汽車后備箱外板冷沖壓成形分析

黃 棉

(廈門華天涉外職業技術學院 機電工程學院,福建 廈門 361100)

0 前言

汽車覆蓋件具有尺寸大、形狀復雜和厚度薄等特點,在沖壓成形過程中容易出現減薄、起皺、回彈等質量缺陷,這些缺陷會嚴重影響整個汽車產品的外觀質量及生產周期[1-3]。影響汽車覆蓋件沖壓成形質量的因素有很多,涉及到模具結構、板料型號、沖壓設備、沖壓工藝參數等,其中前3者不易調整,沖壓工藝參數在生產過程中可以根據需要進行適當調整,其調整結果可以優化沖壓過程形成的外觀質量[3-5]。沖壓工藝參數主要包括壓邊力、沖壓速度、模具間隙和摩擦因數等4個因素,各個因素都有可能對汽車覆蓋件造成外觀質量影響。因此,如何調整工藝參數,以獲得成形最優工藝參數組合,是提高沖壓成形質量的關鍵[6-9]。本文以汽車后備箱外板為研究對象,通過單因素分析法,獲得各因素的取值范圍,通過正交試驗和極差分析,獲得各因素對零件成形質量影響的主次關系,再進行多目標優化求解獲得零件綜合最優工藝參數,提高了零件的成形質量。

1 沖壓成形工藝分析及有限元模型設計

1.1 沖壓成形工藝分析

圖1為某汽車后備箱外板的三維設計圖,呈“L”狀,外輪廓尺寸較大,拉深深度達205 mm,料厚1 mm,屬于大型深拉延零件,板料使用鋁合金AA6010,材料力學參數如表1所示。由于零件是外覆蓋件,要求零件成形后表面不允許有起皺和開裂等影響安全性能的缺陷,同時也不允許有波紋和凹痕等影響美觀的缺陷,最終零件要求厚度范圍為0.9～1.1 mm,回彈量小于1.5 mm。由于零件拉深深度和外輪廓尺寸較大,在沖壓成形時更容易發生開裂和回彈現象,傳統成形工序一般設計為:拉延→修邊→整形等工序[10]。拉延工序是平面板料制作成零件主要形狀的過程,是沖壓成形最重要的工序;修邊工序是修剪掉零件成形后多余的材料;整形工序是對零件形狀進行修整,此工序主要是將零件回彈量控制在允許范圍內,因此,如果在拉延或修邊工序能同時將回彈量控制在允許范圍內,則無需進行整形工序,由此可以節省模具開發成本和提高生產效率。

表1 AA6010材料力學參數

圖1 后備箱外板設計圖

1.2 有限元模型設計

將設計模型導入有限元軟件中,通過模面工程模塊完成凹模設計。通過Auto Setup模塊,將凹模偏置出凸模和壓邊圈,對凹模、凸模、壓邊圈和板料的定位及相關參數進行設置,完成有限元模型創建,如圖2所示。

圖2 有限元模型創建

2 工藝參數對后備箱外覆蓋件沖壓成形的影響

2.1 工藝參數初值選定

2.1.1壓邊力初值的選定

壓邊力是拉延成形的重要工藝參數,通過調整壓邊力可以改善板料走料的平順性,進而提高零件成形質量。通常壓邊力越大,板料的變形程度越大,折皺現象越少,但如果壓邊力超過一定值,則零件容易發生開裂現象,同時還會增加模具與板料之間的磨損。壓邊力初值P可以通過式(1)計算, 經計算,壓邊力初值為200 kN。

P=S×a

(1)

式中:S為壓邊圈的面積(mm2);a為單位壓力(kN/mm2)。

2.1.2沖壓速度初值的選定

沖壓速度既會影響沖壓效率,也會影響模具與板料接觸時的瞬時成形應變。當沖壓速度過小時,會導致沖壓效率下降,增加生產成本;當沖壓速度過大時,會增加板料瞬時成形應變,當瞬時成形應變達到極限值時,易發生開裂現象。根據鋁合金AA6010瞬時成形應變極限,沖壓速度初值選為80 mm/s。

2.1.3模具間隙初值的選定

模具間隙是指拉延行程結束后,凸凹模之間的間隙值,合理的間隙可以提升板料與模具的貼模性,進而提升零件的成形質量。當模具間隙過小時,會導致模具間的摩擦增大,易造成零件減薄和開裂;當模具間隙過大時,易導致零件起皺和成形不足現象。相關研究表明,鋁合金板料拉延時,最佳模具間隙為板料厚度的1.15倍[11],即本次試驗模具間隙初值為1.15 mm。

2.1.4摩擦因數初值的選定

摩擦因數的大小會影響板料與模具之間的摩擦力,同時也影響模具的磨損。當摩擦因數過小時,板料與模具之間的摩擦力減小,會使板料的流動性增大,導致零件拉延不足;當摩擦因數過大時,會使板料流動困難,板料內部產生應力集中,導致零件局部開裂現象。在其他條件不變的情況下,可以通過在板料表面涂抹相應類型潤滑劑調整摩擦因數,本次試驗選用礦物油潤滑劑進行潤滑,其摩擦因數為0.17,即本試驗摩擦因數初值取0.17。

2.2 壓邊力對零件沖壓成形的影響

由于受模具、材料及設備等因素的影響,在沖壓過程中壓邊力與理論計算值存在差異,因此,本試驗以壓邊力理論計算值200 kN為基礎,設計出壓邊力分別為155 kN,170 kN,185 kN,200 kN,215 kN,230 kN,245 kN,其余工藝參數均取各自的初值(即沖壓速度80 mm/s、模具間隙1.15 mm、摩擦因數0.17),完成7組方案的仿真分析,結果如表2所示。由表2可知,當壓邊力小于170 kN時,零件會發生起皺現象,當壓邊力大于230 kN時,零件會發生開裂現象,零件的最小厚度和最大厚度隨壓邊力的增大而減小,說明壓邊力是影響該零件最小厚度和最大厚度的重要因素之一。

表2 不同壓邊力對零件沖壓質量的影響

2.3 沖壓速度對零件沖壓成形的影響

由于沖壓機床的沖壓速度有一定范圍的誤差,且模具的接觸摩擦狀態也會發生變化,所以,實際生產時,沖壓速度與選取的初值存在一定的差異。本試驗以沖壓速度初值80 mm/s為基礎,設計出沖壓速度分別為50 mm/s,60 mm/s,70 mm/s,80 mm/s,90 mm/s,100 mm/s,110 mm/s,其余工藝參數均取各自的初值(即壓邊力200 kN、模具間隙1.15 mm、摩擦因數0.17),完成7組方案的仿真分析,結果如表3所示。由表3可知,沖壓速度與零件最小厚度和最大厚度的變化無明顯的規律,方案2、方案3和方案4的零件成形極限較好,無起皺和開裂現象。

表3 沖壓速度對零件沖壓質量的影響

2.4 模具間隙對零件沖壓成形的影響

受沖壓機床行程機構等因素的影響,模具間隙與初值存在一定的差異。本試驗以模具間隙初值1.15 mm為基礎,設計出模具間隙分別為1.04 mm,1.08 mm,1.12 mm,1.16 mm,1.20 mm,1.24 mm,1.28 mm,其余工藝參數均取各自的初值(即壓邊力200 kN、沖壓速度80 mm/s、摩擦因數0.17),完成7組方案的仿真分析,結果如表4所示。由表4可知,當模具間隙小于1.08 mm時,零件會出現開裂現象,當模具間隙大于或等于1.24 mm時,零件會出現起皺現象,這是由于模具間隙過小時,板料流動性差,導致材料局部開裂;模具間隙過大時,板料流動性好,板料模具腔體內形成起皺現象。

表4 模具間隙對零件沖壓質量的影響

2.5 摩擦因數對零件沖壓成形的影響

受板料出廠狀態和涂抹潤滑劑均勻性的影響,摩擦因數與初值存在一定的差異。本試驗以摩擦因數初值0.17為基礎,設計出摩擦因數分別為0.14,0.15,0.16,0.17,0.18,0.19,0.20,其余工藝參數均取各自的初值(即壓邊力200 kN、沖壓速度80 mm/s、模具間隙1.15 mm),完成7組方案的仿真分析,結果如表5所示。由表5可知,方案1—方案3的成形極限較好,且零件最小厚度和最大厚度隨摩擦因數的增加而減小;方案4—方案7的成形極限均有開裂風險,且零件最小厚度和最大厚度與摩擦因數變化無明顯規律。

表5 摩擦因數對零件沖壓質量的影響

3 后備箱外板沖壓工藝參數優化

3.1 正交試驗設計

由上節分析可知,后備箱外成形質量潛在的成形風險主要是最小厚度和最大厚度及成形極限無法同時滿足零件的設計要求,并且,零件對最大回彈量也有相應要求,因此,無法直接確定合理的工藝參數。由于該零件屬于外覆蓋件,零件的外觀是優化的基礎,所以,只保留零件成形充分的工藝參數取值,完成4因素3水平的正交方案,如表6所示。

表6 4因素3水平的正交方案

3.2 試驗結果

根據正交試驗設計原理,完成L9(34)標準正交表設計,將9組工藝參數組合進行仿真分析,獲得零件3個評價目標值(零件的最小厚度、最大厚度及最大回彈量),并對3個評價目標進行極差分析,分析結果如表7所示。由表7可知,零件的最小厚度為0.80～0.97 mm,方案1至方案3、方案5及方案6的最小厚度符合設計要求,其余方案的最小厚度均超過設計要求;零件的最大厚度為0.99～1.18 mm,方案4、方案6、方案8及方案9的最大厚度符合設計要求,其余方案的最大厚度均超過設計要求;零件的最大回彈量為1.37～1.62 mm,方案2、方案5、方案8及方案9的最大回彈量符合設計要求,其余方案的最大回彈量均超過設計要求;表8為最小厚度、最大厚度和最大回彈量的極差分析結果,由最小厚度的極差分析結果可知,影響最小厚度的因素主次程度為壓邊力>摩擦因數>模具間隙>沖壓速度,最優工藝參數為壓邊力215 kN、摩擦因數0.16、模具間隙1.16 mm、沖壓速度80 mm/s;由最大厚度的極差分析結果可知,影響最大厚度的因素主次程度為模具間隙>壓邊力>摩擦因數>沖壓速度,最優工藝參數為模具間隙1.12 mm、壓邊力215 kN、摩擦因數0.15、沖壓速度80 mm/s;由最大回彈量的極差分析結果可知,影響最大回彈量的因素主次程度為沖壓速度>壓邊力>摩擦因數>模具間隙,最優工藝參數為沖壓速度70 mm/s、壓邊力215 kN、摩擦因數0.14、模具間隙1.16 mm。

表7 分析結果

表8 極差分析

3.3 工藝參數最優求解及仿真模擬

由上述分析可知,3個優化目標(最小厚度、最大厚度、最大回彈量)的最優工藝參數有3種,導致無法直接確定最優工藝參數,因此,需要對其進行多目標最優求解。本試驗采用Design-Expert軟件進行最優求解,以最小厚度取最大值、最大厚度和最大回彈取最小值為優化目標,使3個目標同時達到最佳值進行求解,經求解后可得每組工藝參數組合的期望值,期望值最大的組合即為最優工藝參數,期望值前5組的結果如表9所示。由表9可以看出,工藝參數組合壓邊力215 kN、沖壓速度60 mm/s、模具間隙1.16 mm、摩擦因數0.14的期望值最大,即該組參數為最優工藝參數。

表9 期望值前5組的結果

使用Dynaform軟件對最優工藝參數進行仿真分析,獲得零件成形極限、零件厚度分布和零件回彈分布分別如圖3、圖4和圖5所示。由圖3可以看出,零件成形極限較好,除左下角處存在折皺趨勢外,其余區域都處于安全狀態;由圖4可以看出,零件的厚度為0.927～1.036 mm,零件整體厚度分布符合設計要求;由圖5可以看出零件回彈主要發生在左上角,最大回彈量為0.949 mm,符合設計要求。

圖3 零件成形極限

圖4 零件厚度分布

圖5 零件回彈分布

4 結論

本文以某汽車后備箱外板為研究對象,通過Dynaform軟件,對各工藝參數進行單因素分析,獲得各工藝參數的優化值范圍,采用正交試驗設計方法,完成多參數組合試驗,極差分析獲得影響3個評價目標的主次因素,并獲得3個評價目標各自的最優工藝參數,采用Design-Expert軟件進行多目標最優求解,并對其進行仿真分析,仿真結果表明,零件成形充分、無起皺現象,零件的厚度為0.927～1.036 mm,零件的最大回彈量為0.949 mm,零件的厚度和最大回彈量均符合設計要求。