汽車左上車踏板與電瓶框連接支架沖壓成形工藝參數的優化*

趙博寧 ，韋東琦

（1.柳州鐵道職業技術學院智能制造學院，廣西 柳州 545616；2.柳州工學院汽車技術學院，廣西 柳州 545000）

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架是汽車零部件中的一類，作為上車踏板與電瓶框之間的連接支架，其沖壓成形的質量好壞也關乎著電瓶與駕駛員和乘客的安全。而左上車踏板與電瓶框連接支架的質量好壞受沖壓成形工藝影響，成形過程中的沖壓參數大小等都會直接影響沖壓件起皺、破裂等不合理結果的產生與否。本研究針對汽車左上車踏板與電瓶框連接支架的結構進行沖壓工藝的分析，通過分析沖壓成形結果判斷沖壓工藝的可行性，并完善沖壓工藝，使其符合使用要求[1]。

1 沖壓工序設計

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架如圖1 所示，采用冷沖壓成形，在常溫下通過壓力機對料片施加壓力，使料板產生塑性形變，達到所需形狀與尺寸的效果。本文選用的汽車左上車踏板與電瓶框連接支架，材料為SPHE，厚度為2 mm，抗拉強度σb=36 MPa，屈服強度σs=25 MPa，屈服比69%，延伸率δ=31%。

圖1 連接支架

制定沖壓方案時，要求工序要少且簡單明了，不采取增加多余或幾次加工的方案，使用的模具盡量簡單，使用的沖壓設備盡量少，工件經過沖壓后符合技術要求，能正常投入使用，生產周期要短也是要求工序少的原因之一，最重要的是做到安全生產[2]。根據對汽車左上車踏板與電瓶框連接支架的工藝分析，汽車左上車踏板與電瓶框連接支架主要沖壓工藝有沖孔、翻邊、拉深。

通過觀察，零件所需的成形工藝有翻邊、拉深、沖孔。觀察零件表面結構，零件有四處部位需要翻邊，有一處拉深部位，有不同形狀的兩種孔。如圖1所示，設定零件圖該朝向為正，部位B、部位C 的翻邊方向一致為正面，部位A 的翻邊方向則為反面，拉深部位的拉深方向為正面拉深，部位D的翻邊方向則向右。

因為沖壓工序要盡量簡單，可以在落料時沖孔，先部位A翻邊，然后因部位B、部位C與拉深部位沖壓方向相同，可以采用翻邊+拉深的工藝，最后部位D翻邊，并且計算各沖壓部位模具間隙與翻邊力等參數。

本研究最終采用的沖壓工序為：落料沖孔→翻邊+拉深→翻邊。

2 有限元建模

三維模型根據圖紙在UG 繪圖軟件中建立后以IGS 格式導出文件，再在DYNAFORM 軟件中導入三維模型的IGS 文件。在DYNAFORM 軟件中，先對模型取中面，步驟為在“前處理”中選擇抽取中面選項，切換至模型的零件層，零件層高亮顯示為已選擇，從而自動生成中面。在“零件層”選項中隱藏模型，只顯示已抽取的模型中面。在“坯料工程”中選擇“生成輪廓線”對工件材料進行定義。定義工件后，網格劃分工件，網格劃分時注意選擇抽取的中面為零件層。網格劃分時最大尺寸與最小尺寸根據需求選擇，本設計最大尺寸選擇5.20，最小尺寸選擇0.30，最終完成網格劃分[3-4]。

網格劃分以后退出這一步驟，選擇“運行”即可得到工件的輪廓線，在“零件層”中選擇顯示輪廓線，并且隱藏其他零件層就可以很清楚地觀察工件的輪廓線，如圖2 所示。在“工具”中建立沖壓模型，如圖3所示。

圖2 板料輪廓線

圖3 有限元模型

3 數值模擬

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架三維模型不具規則性且十分復雜，沖壓成形質量受到各種因素的影響，要想得到一件高品質的沖壓件，應該比較和選擇沖壓成形過程中的幾種主要的影響因素，制定出一套合理的加工工藝方案，達到工件成形質量的要求。而工藝參數的優化，則是利用有限元方法，調整各種影響因素，獲得適合沖壓加工實踐的最優工藝參數。利用數值仿真技術與正交試驗相結合的方式，對各工藝參數進行單獨的數值仿真，并對四種主要的工藝參數進行對比分析，得到一套最優的工藝參數[5-6]。

3.1 單因素分析

3.1.1 沖壓速度分析

金屬材料都具有一定的應變率效應，所以在不同的沖壓速度下零件成形的效果不一致，不同的沖壓速度會影響沖壓成形的效果[7]。進行沖壓速度分析，沖壓速度為變量，設定壓邊力為60 kN，板料厚度為2.0 mm，模具間隙為1.1t mm（本文中出現的t 都是代表板料厚度，單位為mm），摩擦系數為0.125。

沖壓速度分析如表1所示，由表1可知，不同沖壓速度下，最小厚度和最大減薄率在1 000 m/s～2 000 m/s速度下差距不大，但是沖壓速度在3 000 m/s 以上時，最小厚度和最大減薄率都快速變化，最小厚度減小0.203 mm，最大減薄率增大約10%。

表1 沖壓速度分析

3.1.2 摩擦系數分析

摩擦系數的大小體現出摩擦力的大小，在板料沖壓成形過程中，摩擦力作為一種阻力，一直影響著材料的形變，摩擦力太大會增加零件拉裂的風險，但是太小的摩擦力又沒辦法起到控制板料流動的作用，也會增加起皺的風險[8]。

對摩擦系數進行分析，摩擦系數為變量，設定壓邊力為60 kN，板料厚度為2.0 mm，沖壓速度為1 000 m/s，模具間隙為1.1t mm。

摩擦系數分析如表2 所示，由表2 可知，摩擦系數在0.075～0.15 范圍內時，最小厚度變化范圍在1.577 mm～1.602 mm，變化不大；最大減薄率范圍也變化不大。

表2 摩擦系數分析

3.1.3 模具間隙分析

模具間隙的大小會影響板料在凸模和凹模之間的流動狀態，進而影響零件成形質量，過小的模具間隙可能會導致零件變薄嚴重，甚至拉裂，過大的模具間隙會引起零件的起皺。一般模具間隙取值為板料厚度的1.1倍[9]。

對模具間隙進行分析，模具間隙為變量，設定壓邊力為60 kN，沖壓速度為1 000 m/s，摩擦系數為0.125。

模具間隙分析如表3 所示，由表3 可知，在不同模具間隙下，最小厚度范圍變化不大；最大減薄率在不同模具間隙下變化較大，最大減薄率在1.1t mm 與1.2t mm時相差約5%。

表3 模具間隙分析

3.1.4 壓邊力分析

對壓邊力進行分析，壓邊力為變量，所以只改變壓邊力大小，摩擦系數為0.125，板料厚度為2.0 mm，沖壓速度1 000 m/s，模具間隙1.1t mm。

壓邊力分析如表4所示，由表4可知，從40 kN開始至100 kN，最小厚度都在1.569 mm～1.601 mm 范圍內，最大減薄率也相差不大。

表4 壓邊力分析

3.2 正交試驗分析

本次模擬試驗屬于4 因素4 水平的試驗，具備分散性均衡性和整齊可比性的特征，其因素和水平如表5 所示，由前面的單因素分析，確定沖壓速度、摩擦系數、壓邊力、模具間隙的范圍。

表5 水平與因素

通過水平因素表對模型重新進行計算，將水平因素表內相應數據代入正交試驗表內對模型進行數值成型模擬，得出最大減薄率和最大增厚率的數據，如表6所示。把數據匯總起來計算極差R，計算結果在表7中。

表6 通過正交試驗獲得的最大增厚率和最大減薄率數據

表7 最大增厚率和最大減薄率數據組合與計算

通過計算對比出最佳組合可以知道優化最大減薄率的最佳組合為A1B2C2D1，最大增厚率的最佳組合為A4B4C1D4。判斷沖壓成形后零件質量好壞最主要的根據是破裂和起皺，通常以厚度減薄率和增厚率來衡量破裂和起皺[10]。因此通過對比分析表7 最大減薄率和最大增厚率優化后的數值模擬，以最大減薄率和最大增厚率最小為評價標準，優化后A1B2C2D1 組合的減薄率為16.935%，最小厚度為1.661 mm；優化后A4B4C1D4 組合的減薄率為35.122%，最小厚度為1.298 mm。減薄率分布如圖4所示，厚度分布如圖5所示。

圖4 減薄率分布

圖5 厚度分布

4 總結

對兩種方案進行對比，發現A1B2C2D1組合成形效果比A4B4C1D4組合成形效果好，所以最終方案選擇A1B2C2D1 組合，即壓邊力為50 kN，摩擦系數為0.1，沖壓速度為2 000 m/s，模具間隙為2.2 mm。雖然本設計已經完成，但是還不夠完善，一方面是技術水平不夠，另一方面是對沖壓成形工藝的了解不夠，仍有多處不夠合理，也有許多方面沒有考慮。希望后續研究設計能考慮更多問題，完善設計。