魏霄俊

（同濟大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200092）

摘要：為解決某車型左前門鉸鏈處變薄問題，通過計算機軟件建立研究模型，開展了沖壓成型仿真研究，運用正交試驗法對摩擦因數(shù)、壓邊力、壓邊圈行程等工藝參數(shù)展開系統(tǒng)研究，獲取最佳參數(shù)組合后開展現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明零件變薄率達到最優(yōu)狀態(tài)，所提出的分析方法可為汽車企業(yè)沖壓零件外觀缺陷問題提供解決思路。

關(guān)鍵詞：汽車沖壓件 表面質(zhì)量 CAE 正交試驗

1 前言

沖壓是整車生產(chǎn)中的重要步驟，亦為制造流程中的首個工藝。

汽車沖壓件的質(zhì)量問題中，零件變薄所引起的開裂、縮頸、剛性不足等缺陷一直是整車廠重點關(guān)注的問題，它不僅影響車身外觀質(zhì)量，更可能對整車安全性和功能性產(chǎn)生影響。

編輯

以往，汽車企業(yè)在沖壓件批量制造過程中的品質(zhì)改善基本依靠現(xiàn)場工程師的個人能力。

本文以某車型前門內(nèi)板，仿真計算和正交試驗法為基礎(chǔ)，開展沖壓成型仿真研究，針對門鉸鏈處變薄問題提出了最佳參數(shù)組合并進行了試驗驗證。

2 CAE仿真分析

2.1 工藝數(shù)模建立

目前汽車沖壓成型 CAE 軟件以 AutoForm、 DYNAFORM、PAM-STAMP 為主，前兩個軟件使用較多，而且 AutoForm 易于上手，因此本文使用 AutoForm 開展分析。

AutoForm 建立的工藝補充面拙劣，無法達到生產(chǎn)要求，因此選擇 3D CATIA 來創(chuàng)建工藝模型。

在創(chuàng)建工藝模型時，關(guān)聯(lián)運動角度、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 坯料輪廓線定義

前門內(nèi)板零件相對于外覆蓋件造型簡單，故在定義坯料輪廓線時根據(jù)經(jīng)驗通常選用方形料，然后使用 AutoForm 分析調(diào)整坯料。

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

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2.3 網(wǎng)格劃分

AutoForm提供2類網(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，因為要參與CAE計算，所以對網(wǎng)格部分的要求較苛刻。

坯料網(wǎng)格的優(yōu)點為單位尺寸相對平均，無畸形單位，還能達到網(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)置屈服強度σ₀、抗拉強度 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)盡量通過試驗獲取。

本文左前門內(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，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

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2.5 拉延筋設(shè)置

如圖4

所示，因為左前門內(nèi)板仿真時選擇單拉深筋一般無法很好地優(yōu)化板料阻力和流動程度，所以此處左前門內(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)致材料報廢，所以零件開發(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，摩擦主要存在于模具與料片間，在制造過程中以監(jiān)控沖壓線清洗機的油量實現(xiàn)摩擦因數(shù)控制，但軟件模擬時一般使用恒定的數(shù)值，本文仿真過程設(shè)摩擦因數(shù)為0.15。

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2.7 定位距設(shè)置

考慮到左前門內(nèi)板的材料長度約 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 定義為壓力焦點和產(chǎn)品焦點匹配偏差，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，開啟運算（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時發(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)拍及制造運營費用。

拉延工序設(shè)計過程中，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)、清洗機油量等。

根據(jù)經(jīng)驗，上述因素對零件品質(zhì)的影響程度和方向存在差異，同時，各因素內(nèi)部亦存在復(fù)雜的關(guān)系。

如，拉延力和清洗機油量的改變均會導(dǎo)致門鉸鏈區(qū)域的材料厚度變化，上述波動有時發(fā)生累積作用，有時亦會發(fā)生中和作用[1]。

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

根據(jù)以往經(jīng)驗，這3個參數(shù)是導(dǎo)致零件開裂的重點要素。

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

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