汽車引擎蓋內(nèi)板沖壓工藝設計及數(shù)值分析

*汽車引擎蓋內(nèi)板沖壓工藝設計及數(shù)值分析 劉靖，廖敏，楊飛( 西華大學機械工程與自動化學院，成都 610039)摘要: 針對復雜的汽車引擎蓋內(nèi)板在沖壓成形中容易產(chǎn)生破裂缺陷的問題，利用 AutoForm 有限元軟件對引擎蓋內(nèi)板進行工藝設計以及數(shù)值分析。將正交試驗設計方法與沖壓數(shù)值分析相結合，探討沖壓方向、壓邊力、拉深筋圓角半徑、拉 深筋深度和摩擦因數(shù)對汽車引擎蓋內(nèi)板沖壓成形質量的影響，并利用直觀分析法，確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，最終達到理 想效果。關鍵詞: 引擎蓋內(nèi)板; 工藝設計; 數(shù)值分析; 正交試驗; 直觀分析法中圖分類號: TG386 41 文獻標志碼: A 文章編號: 16713133( 2013) 03007805The stamping process design and numerical simulationof automobile hood innerLiu Jing，Liao Min，Yang Fei( College of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China)Abstract: By utilizing the finite element software to process design and numerical simulation of the automobile hood inner to solve the problem of the complex automobile hood inner is easy to produce the rupture of defects during stamping Combining with the orthogonal experiments design method and stamping numerical simulation，to discuss the stamping direction，the depth of draw- bead，the fillet radius of drawbead，friction coefficient blank holder force within the influence of the quality of stamping forming By using visual analysis method to determine the optimum process parameter combination and finally reach the ideal effectKey words: hood inner; process design; numerical simulation;orthogonal experiments; visual analysis methodForm 有限元軟件，對汽車引擎蓋內(nèi)板進行沖壓工藝設計與拉深成形數(shù)值分析，通 過 大 量 試 驗，找 出 各 工 藝 參數(shù)對其拉深成形的影響，選 出 理 想 方 案，為 制 造 引 擎蓋內(nèi)板提供數(shù)據(jù)參考。0引言汽車覆蓋件作為一種形狀復雜、尺寸較大的三維曲面1，在其成形過程中，與 沖 壓 方 向、工 藝 補 充 面、拉深筋設計、壓邊力及摩擦因數(shù)等一系列因素都有重 要的關系2。而汽車覆蓋件成形是一個非線性物理過程，其成 形涉及到連續(xù)介質力學中材料非線性、幾何非線性和 邊界 條 件非線性等問題的計 算，是非常復雜的過 程3，傳統(tǒng) 的 設計手段無法解決上述復雜的非線性 問題。但隨著有限元數(shù)學理論的進步，鈑金成形有限元 軟件也得到了很大的發(fā)展，利用此類軟件可以方便地 對汽車覆蓋件進行設計，大幅縮短研發(fā)周期和 成 本， 增強企業(yè)在市場的競爭力4。汽車引擎蓋內(nèi)板的特點是: 材料薄、形狀復雜、左 右對稱、形狀尺寸精度要求高和剛度好等。結合 Auto-1靜力隱式算法在進行有限元分析時，通常是先將非線性的模型離散 化，再通過設定一些條件屬性，最 終 歸 結 為 一 個離散 結 構 模 型 的 基 本 運 動 方 程。 公 式 表 達 如 式5( 1):¨·M x + C x + Kx = Q( 1)·¨式中: x、x 、x 分別為加速度、速度、位移; M、C、K、Q 分別為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣、荷載矢量。AutoForm 有限元軟件采用靜力隱式算法，此算法 在 t 時間內(nèi)位移、速度、加速度關系如式( 2) :* 四川省教育廳重點項目( 10ZA101) ; 四川省重點實驗室開放研究基金項目( SZJJ2009-025)78劉靖，等: 汽車引擎蓋內(nèi)板沖壓工藝設計及數(shù)值分析2013 年第 3 期·1表明根據(jù)最小的拉深深度為原則確定的沖壓方向滿 ·¨¨2xt + t = xt + x t + ( ) xt + xt + tt2( 2)足要求。·x t + ( 1 ) x¨ t + x¨ t + ttx t + t =將式( 2) 代入式( 1) 可得: 1 ( Kt + t +2 M +C) xt + t = Qt + t +ttM 1 x +x + ( 1) x¨ +11·tttt2t2C x + ( 1) x· 1) x¨ + t(ttt 2圖 1 引擎蓋內(nèi)板沖壓方向及負角檢測式中: 、 為 Newmark 法積分參數(shù)，其取不同的值代表不同的數(shù)值方案。從式( 2) 中 可 以 看 出，當采用靜力隱式算 法 進 行 數(shù)值模擬時，在不考慮精度的要求下，t 時 間 步 長 不 受限制。所以在進行數(shù)值模擬時，通 過 調(diào) 整 計 算 時 間，可以在效率與精度之間達到一個較好的平 衡3。 所以求解一些受力、接觸并不是特別復雜的問 題 時， 采用靜力隱式算法是非常高效的。2 3工藝補充對汽車引擎蓋內(nèi)板要進行三部分拉深造型。1) 對汽車引擎蓋內(nèi)板進行內(nèi)部工藝補充，其做法是將模型內(nèi)部的孔洞進行補充，使模型成為一個沒有內(nèi)孔的零件，目的在于創(chuàng)造一個好的拉深成形環(huán)境。2) 對壓 料 面 進 行 設 計，這是工藝補充的重要部 分，壓料面直接影響著拉深件成形效果、拉 深 件 的 深 度均勻程度等。在這里采用水平壓料面。原因如下: 一是水平壓料面便于對阻力的控制，方便調(diào)整拉深成 形過程中的壓料面阻力狀態(tài); 二是水平壓料面可以使 成形的深度在各個部分保持一致，能使材料流動和塑 性變形均勻6。3) 進行 外 部 工 藝 補 充，目的是創(chuàng)造好的拉深條 件。在設計外部工藝補充部分時需注意，由于這部分 會在后續(xù) 工 序 中 被 切 除 掉，所以要盡量減小工藝補 充，提高材料的利用率和合理控制成本。引擎蓋內(nèi)板 拉深造型效果如圖 2 所示。22 1引擎蓋內(nèi)板工藝性分析材料選取選取引 擎蓋內(nèi)板材料為 ST14 冷 軋 鋼，料 厚 為1mm，材料的物理性能如表 1 所示。2 2沖壓方向選 擇 沖 壓 方 向 主 要表 1 材料的物理性能有三種 方 法，即 平 均 化 的型面法 向、最 小 的 拉 深 深 度 和 最 大 的 拔 模 斜 度。 根據(jù)模 型 的 形 狀，結 合 有 限元軟 件 的 試 驗 檢 測，觀 察出利用此三種 方 法 計物理量數(shù)值彈性模量 / GPa泊松比 屈服強度 / MPa 抗拉強度 / MPa 晶向綜合指數(shù) 硬化指數(shù)2100 131723101 690 18算出的沖壓方向差別非常小。最終選擇 沖壓方向依據(jù)的方法 是最小的拉深深 度法。根據(jù)模型的形狀，找出一個成形深度最小的角 度作為沖壓的方向，圖 1 中箭頭代表沖壓方向。選擇 最小的拉深深度作為沖壓方向的目的是為了能夠減 小材料流動，保證進料阻力的均勻。材料流動和變形 差減小，對沖壓成形有利。在確定沖壓 方 向 后，要檢測其是否有負角部分。 檢測負角的目的在于反映拔模斜度，在沖壓工藝中不 允許拔模斜度小于 0°，出現(xiàn)這種情況需要調(diào)整沖壓角 度。設定負角的安全度數(shù)為 3°，即當沖壓方向與模型 型面的夾角大于 3°時，滿足工藝要求。經(jīng)軟件檢驗后圖 2 引擎蓋內(nèi)板拉深造型2 4拉深筋設計設置拉深 筋的目的是為成形板 材提供足夠的拉 力，并且在增加板料流動阻力、調(diào)節(jié)進料阻力的 分 布和降低對壓料面精度等方面都有著重要的作用1。792013 年第 3 期現(xiàn)代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)拉深筋是 調(diào)節(jié)控制壓料面作用 力有效實用的方 法之一，通過改變拉深筋的參數(shù)可以很容易地控制壓 料力，而壓料力大小將直接影響模型的質量和拉深成 形的效果7，所以拉深筋的設計十分重要。為了能較 好地控制拉深筋的阻力，選取圓形筋種類中的單筋作 為拉深筋 類 型 參 數(shù)。拉深筋參數(shù)的合理取值是 控 制 金屬流動、防止出現(xiàn)起皺和破裂的重要手段。在數(shù)值 模擬中，通過改變拉深筋圓角半徑和拉深筋深度來調(diào) 節(jié)拉深件成形效果。內(nèi)板成形效果的因素能有較為準確的反映。通過設計正交表，可以更清楚地表達正交試驗的4設計方法。設計一個四因素四水平 L16 ( 4 ) 正交表，即壓邊 力、摩 擦 因 數(shù)、拉深筋圓角半徑和拉深筋深 度 這 四個因子，每個因子有四個水平。在拉深工 序 中 選 擇 壓 力 為 6 000kN 的 單 動 壓 力 機，則壓邊力為壓力機壓力的 25% 左右，所以選定壓 邊力四個水平值為: 2 0 × 106 N、1 6 × 106 N、1 3 × 106N、1 0 × 106 N。拉深筋斷面形狀為圓筋的圓角半徑和 拉深筋深度 范 圍 均 在 2 5 mm。所以選定拉深筋圓 角半 徑和拉深筋深度的四 個 水 平 值 均 為: 5 mm、4 mm、3 mm、2 mm。 摩 擦 因 數(shù) 四 個 水 平 值 選 擇 為 0 05 、0 08 、0 12 、0 15 。設 計 的 正 交表及數(shù)值模擬 結果如表 2 所示。一般認為沖壓件增厚不超過 10% 或 減 薄 不 超 過30 % 為合格8。通過表 2 所示可知所有的 試 驗 數(shù) 據(jù) 中最大增厚率均沒有超過 10% ，表明沒有起皺現(xiàn)象的 產(chǎn)生。所以這里就不對起皺做過 多 探 討。主 要 研 究 各因素對破裂現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。3數(shù)值模擬3 1 數(shù)值模擬試驗設計由于正 交 試 驗 的 設計方法具有下列兩個性質:1) 水平均勻性，即選擇的試驗對每個因子和因子的每 個水平都是均勻分配的，它們能夠全面地反映 試 驗;2) 搭配均勻 性，在所有的試驗中，每個因子的水平出 現(xiàn)的次數(shù)相同，而且任何兩個因子的搭配也都以相同 的次數(shù)出現(xiàn)。因此，從各因子搭配上也能全面反映所 有試驗8。所以選用正交試驗法，對影響汽車引擎蓋表 2 正交表及數(shù)值模擬結果壓邊力 ×106 / N拉深筋圓角半徑 / mm拉深筋深度 /mm最小厚度 /mm最大厚度 /mm最大減薄率 / %最大增厚率 / %試驗序號摩擦因數(shù)123456789101112131415162 02 02 02 01 61 61 61 61 31 31 31 31 01 01 01 0543254325432543223453254452354320 050 080 120 150 120 150 050 080 150 120 080 050 080 050 150 120 756 40 723 20 717 30 413 90 735 10 696 20 666 40 648 90 659 80 681 00 734 70 687 80 716 00 720 60 648 60 727 21 099 01 076 11 039 11 012 41 081 51 070 91 034 31 026 91 055 61 039 41 091 11 047 61 063 91 068 91 050 21 068 9 24 3 27 7 28 2 58 9 26 5 30 4 33 7 35 1 34 0 31 9 26 5 31 2 28 4 27 9 35 1 27 39 97 63 91 08 17 13 42 75 63 99 14 76 36 95 06 9最優(yōu)組合。分析因素與試驗指標間的關系，找出指標隨因素變化規(guī)律和趨勢，為進一步試驗指明方向。對表 2 所示的數(shù)據(jù)進行處理，計算出壓邊力、摩擦 因數(shù)、拉深筋圓角半徑和拉深筋深度相對應的四個水 平的試驗結果之和的平均值，各因素與最小厚度的關 系曲線如圖 3 所示，通過圖 3 所示可知各平均值的大 小以及各因素變化對板料最小厚度的影響規(guī)律與趨 勢，并以此來判斷各因素優(yōu)水平和優(yōu)組合。利 用 圖 33 2試驗數(shù)據(jù)處理直觀分析法計算簡便、直觀。其基本的思路就是 將每組數(shù)據(jù)中最大的值減去最小的值，得到的數(shù)值即 為極差。極差 越 大，表明數(shù)據(jù)波動 的 范 圍 也 越 大，對 結果影響也越大。利用直觀 分析法可以分清各因 素對試驗結果影 響的主要因素和次要因素; 判斷因素對試驗指標影響 的顯著程度; 找出試驗因素的優(yōu)水平和試驗范圍內(nèi)的80劉靖，等: 汽車引擎蓋內(nèi)板沖壓工藝設計及數(shù)值分析2013 年第 3 期圖 4a 和圖 4b 中所示兩個數(shù)字表示最大減薄率和最大 增 厚 率，數(shù)字為正的表示最大增厚率，數(shù) 字 為 負 的表示最大減薄率。圖 3 各因素與最小厚度的關系曲線所示計算出各因素最小厚度極差，判斷因素的主次順序，各因素最小厚度極差如表 3 所示。4結語利用有限元數(shù)值模擬技術，探討了汽車引擎蓋內(nèi)表 3各因素最小厚度極差影響因素最小厚度極差 / mm壓邊力拉深筋圓角半徑 拉深筋深度 摩擦因數(shù)0 042 40 089 30 079 90 102 6板成形過程中各參數(shù)對沖壓成形質量的影響，可以得出以下結論。1) 由表 3 所示可知，影響拉深成形最小厚度因素 的主次順序依次為: 摩擦因數(shù)拉深筋圓角半徑拉深筋深度壓邊力。2) 由圖 3 所示可知，壓邊力、拉深筋深度、摩擦因 數(shù)與最小厚度成反比關系，隨著壓邊力的增大、拉 深 筋深 度 的 增 加、摩擦因數(shù)的增大，板料的最小厚 度 會 逐漸減小。而板料的最小厚度與拉深筋圓角半 徑 成81經(jīng)分 析最優(yōu)參數(shù)組合 的 具 體 數(shù) 據(jù): 壓 邊 力 為1 0 × 106 N，拉深筋圓角半徑為 5mm，拉 深 筋 深 度 為2mm，摩擦因數(shù)為 0 12。利用最優(yōu)工藝參數(shù)進行數(shù)值 模擬成形效果如圖 4a 所示，成形極限圖如圖 5a 所示。選取表 2 試驗 4 做對比，成形效果如圖 4b 所示，成形 極限圖如圖 5b 所示。2013 年第 3 期現(xiàn)代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)正比 關 系，隨著拉深筋圓角半徑的變大，板 料 的 最 小厚度會逐漸增大。3) 從防止拉深件破裂現(xiàn)象產(chǎn)生角度考慮，利用最 優(yōu)參數(shù)組合得到的數(shù)值模擬結果: 最小厚度為0 751 8 mm、最大減薄率為 24 8% ，滿足設計要求。與 試 驗 4 做對比，試驗 4 明顯出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，如圖 4b 所示; 成形 極限圖顯示有相當多部分處于 紅 色 破 裂 區(qū)，如 圖 5b 所示。而選用最優(yōu)參數(shù)組合的模擬結果成形效 果 較 好，如圖 4a 和圖 5a 所示。4) 通過調(diào)整 壓 邊 力 大 小、拉深筋圓角半徑、拉 深 筋深度和摩擦因數(shù)這一系列的工藝參數(shù)，可以有效地 調(diào)整汽車覆蓋件的成形效果，使其達到設計要求。4T de Souza，Rolfe B Multivariate modeling of variability insheet metal forming J Journal of Materials ProcessingTechnology，2008( 203) 李瀧杲 金屬板料成形有限元模擬基礎M 北 京: 北 京 航空航天大學出版社，2008Xu Feng，Lin Zhongqin，Li Shuhui Study on the influencesof geometrical parameters on the formability of stretch curved flanging by numerical simulationJ Journal of Materials Processing Technology，2004( 145) 徐金波，董湘懷 板 料 形 狀 壓料筋設置對汽車覆蓋件成 形起皺和未充分拉深的影 響J 塑 性 工 程 學 報，2003，13( 6) 陳吉清，王玉超，蘭鳳崇 基于正交試驗的汽 車 覆 蓋 件 沖 壓工 藝 參 數(shù) 優(yōu) 化J 計算機集成制造系 統(tǒng)，2007，13( 12) 5678參 考 文 獻:1崔令江 汽車覆蓋件沖壓成形技術M 北京: 機 械 工 業(yè)出版社，2003陳文亮 材料成形 CAE 分析教程M 北京: 機械工業(yè)出 版社，2005劉細 芬，黃 華 艷 CAE 技術在汽車覆蓋件模具設 計 中 的 研究與應用J 現(xiàn)代制造工程，2009( 10) 2作者 簡 介: 劉 靖，碩 士 研 究 生，研 究 方 向: 汽 車 覆 蓋 件 CAD / CAE / CAM技術。E-mail: 812821429 qq com收稿日期: 2012-06-083( 上接第 42 頁)預先制作的報表模板生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表如圖 7 所 示，報表內(nèi)容包括訂單號、門 板 類 型、門 板 顏 色、門 板 長度、門板寬度 435 數(shù)量、門板寬度 485 數(shù)量和門板寬 度 535 數(shù)量。功能強大，方便實用，降低了操作人員的勞動強度，對提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率有 著顯著的作用和重要的 意義。參 考 文 獻:1楊力，李月，恒于智 基于 WinCC V6 2 的 VB 腳本操作自定義 SQL 數(shù)據(jù)庫J 工業(yè)控制計算機，2010 ( 9) : 7 8叢雪松 用 WinCC 腳 本 實 現(xiàn) 對 SQL _ Server 數(shù) 據(jù) 庫 管 理J 裝備制造技術，2012( 3) : 46 48高守傳 精通 SQL 結構化查詢語言詳解M 北京: 人民 郵電出版社，2007孫長江，隨順科，周正 基于 WinCC 的工業(yè)加熱爐監(jiān)控系 統(tǒng)J 制造業(yè)自動化，2011，33( 8) : 30 32 蘇秀麗，李媛，任俊杰 WinCC 腳本系統(tǒng)在傳送帶過程監(jiān) 控中的應用J 工業(yè)控制計算機，2010，23( 7) : 75 772345圖 7 生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表4結語本系統(tǒng)經(jīng)用戶實際運行證明，不僅具有訂單的自動導入、訂單修改和查詢功能，而且將數(shù)據(jù)導出到 Ex-cel 文件中，借 助 Excel 軟件強大的報表編輯功能，可 生成滿足現(xiàn)場工藝及用戶要求的復雜報表。本 系 統(tǒng)82作者簡介: 趙雪梅，副教授，碩士，研究方向: 智能控制與計算機應用。E-mail: zxmyhj 163 com收稿日期: 2012-10-25