汽車左后支柱里板拉延成形工藝參數多目標優化

朱興元，王幫貴，尹士東，劉鵬翔

（1.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070；2.東風模具沖壓技術有限公司沖焊工廠，湖北武漢430056）

汽車左后支柱里板拉延成形工藝參數多目標優化

朱興元1，王幫貴1，尹士東2，劉鵬翔1

（1.武漢理工大學材料科學與工程學院，湖北武漢430070；2.東風模具沖壓技術有限公司沖焊工廠，湖北武漢430056）

以某車型左后支柱里板為研究對象，首先對零件進行了工藝分析和拉延成形有限元模擬設計。結合正交試驗設計對零件拉延成形進行數值模擬，采用多目標優化方法獲得了最優的工藝參數組合：壓邊力F=700kN，各段拉延筋阻力系數分別為X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。極差分析結果表明，對最大減薄率來說影響順序為：F＞X1＞X3＞X4＞X2，對起皺參數來說影響順序為：F＞X1＞X4＞X2＞X3。使用優化的參數組合進行試沖試驗，試制件無破裂、起皺等缺陷，成形質量滿足生產要求。

后支柱里板；拉延成形；正交試驗；多目標優化

影響板料沖壓成形質量的工藝參數眾多，以質量目標為評價標準，實現工藝參數多目標優化一直備受關注。戚鵬等[1]在約束變薄量的條件下，基于遺傳算法建立了板料成形回彈控制的優化模型和優化系統，實現了工藝參數的優化。近年來，艾鋒[2]基于Design-Expert軟件對壓邊力、拉延筋阻力系數和摩擦因素3因子進行了中心復合試驗設計，結合數值模擬和Design-expert軟件建立了拉裂、起皺之間的數學模型，獲取了汽車擋泥板最優參數組合。周杰等[3]在研究封頭沖壓成形時，結合Matlab和Design-Expert軟件建立了參數變量和目標量之間的二階響應面模型，實現了工藝參數的多目標優化。肖存云等[4]研究高強縱梁內板拉深成形時，利用最優拉丁超立方試驗獲取樣本點，構建工藝參數和目標量之間的響應面模型，并采用NSGA-II多目標優化遺傳算法獲得了合理的工藝參數組合。夏江梅等[5]在正交試驗的基礎上，利用Design-Expert軟件優化了前隔板沖壓成形工藝參數。可見，試驗設計和軟件優化相結合可以方便、準確地實現沖壓成形工藝參數多目標優化。本文以某車型左后支柱里板為研究對象，針對零件拉延成形易出現破裂、起皺等缺陷，將數值模擬與正交試驗相結合，研究了壓邊力和拉延筋阻力系數對零件拉延成形質量的影響。然后利用Design-Ex-pert軟件實現工藝參數的多目標優化，獲取最優參數組合，為試模和生產提供理論依據。

1 工藝分析及有限元模擬設計

1.1 工藝分析

圖1是某車型左后支柱里板三維數模。后支柱里板位于車身側圍后半部，側圍總成的內側。后支柱里板通常是一個大且復雜的零件，有較大的拉延深度，存在沖壓負角，在沖壓工藝上容易發生破裂[6]。圖1所示是后支柱里板左件，右件和左件基本對稱，但不完全相同。材料為DC05，厚度為0.7mm。通過分析，擬定后支柱里板沖壓工藝方案為OP10落料，OP20拉延，OP30修邊沖孔，OP40修邊沖孔，OP50翻邊整形5道工序。

圖1 左后支柱里板三維數模

左后支柱里板尺寸約為1005mm×620mm×60mm。零件形狀極不規則，上下有兩個尺寸較大的異形孔，而且零件內部還有許多小孔。零件周邊修邊輪廓也不規則，同時曲面深度變化也較明顯。零件要求不允許有拉裂、起皺等缺陷。工程上解決這種對稱件常以左右件合二為一拉延成形，然后剖切得到左右件。由于零件尺寸大，且加工工序復雜，合二為一不利于提高材料利用率和工程生產應用，所以零件拉延成形采用雙槽結構模具，左右件一起生產。

1.2 有限元模型

以零件三維數模為基礎，在UG中完成工藝補充和壓料面的設計獲得零件三維片體拉延造型。AutoForm軟件專注于金屬板料沖壓成形，通過其對板料的CAE模擬調試，可以達到預見性的質量控制[7]。將左后支柱里板拉延造型轉換成IGS格式后導入到AutoForm中，模擬采用Incremental增量算法，模擬類型為單動拉延。定義材料為DC05，料厚0.7mm。板料采用onestep（一步成形法）估算后經過圓整獲得，已固定在最佳水平。壓邊力按照公式估算約為550～650kN。初次模擬采用較小值500kN。其他按缺省設置。分別定義凹模、凸模和壓邊圈的屬性，得到零件拉延有限元模型如圖2所示。

圖2 拉延有限元模型

1.3 拉延筋設計

拉延筋在調節進料速度、改善板料流動阻力、防止起皺等方面有著明顯效果。有限元模擬常采用等效拉延筋模型，它是用一系列編號連續的節點所組成的線表示拉延筋，保證模擬精度的同時，也大大節省仿真計算時間[8]。根據零件特點布置拉延筋形式及大小分布可以獲得滿意的結果[9]。初步沿凹模口設置一圈環形變拉延筋，各點的位置及阻力系數值如圖3所示。為了方便后續優化，P1P2、P3P4、P5P6和P7P8段的阻力系數分別用X1、X2、X3和X4來表示。

1.4 工藝切口添加

模擬分析發現，在較小的壓邊力條件下，拉延型面左邊凸起窗口下方側壁已發生破裂，型面內出現較多的起皺和拉深不足。針對零件局部反拉深深度較大的凸起窗口發生的破裂，且這時不能通過調節過渡圓角和傾斜側壁的方式解決，可以從材料內部得到補充材料改善破裂區材料的流動，考慮在左邊凸起窗口邊緣添加工藝切口。如圖3所示，工藝切口布置在易破裂的凸起邊緣。模擬設置拉延結束前10mm刺破。工藝切口的時間、位置和大小要在試沖試驗后決定[10]。

圖3 拉延筋布置和工藝切口位置

2 試驗設計與優化分析

板料成形過程中，許多因素會影響零件的最終成形質量。采用正交試驗設計，從眾多因素中挑選一些具有代表性、典型性的因素，應用正交表安排多因素試驗，可極大減少試驗次數，提高模擬分析效率[11]。壓邊力和拉延筋阻力系數是研究比較多的工藝參數，且對后支柱里板拉延成形質量影響顯著。本文選取壓邊力和P1P2、P3P4、P5P6和P7P8段阻力系數為試驗因素，因素的水平范圍由單因素試驗和最陡爬坡試驗確定。然后利用正交試驗設計，采用多目標優化方法獲取最優的工藝參數組合。

2.1 正交試驗設計

本文采用5因素4水平正交試驗方案，正交試驗的因素和水平如表1所示。

表1 正交試驗的因素和水平

2.2 正交試驗結果

模擬發現，后支柱里板成形缺陷主要為破裂、起皺和拉深不足。對于內板件拉深不足要求相對低一些，可不作為重點考察。破裂一般可以由最大減薄率判斷，起皺參數可以準確地判斷零件的起皺趨勢。因此，以最大減薄率和起皺參數為成形質量評價目標。按照正交試驗設計方案分別進行了16次模擬試驗，將試驗結果記錄于表2。

表2 正交試驗結果

2.3 極差分析

極差分析可獲得壓邊力和各段拉延筋阻力系數對最大減薄率和起皺參數影響的敏感程度。表3是極差分析結果，由表可知：對最大減薄率來說影響順序為：F＞X1＞X3＞X4＞X2，對起皺參數來說影響順序：F＞X1＞X4＞X2＞X3。

表3 極差分析結果

2.4 多目標優化

為獲得合格的拉延件，采用多目標優化來獲取最優的工藝參數組合。對于普通板，最大減薄率應控制在25％以內。此外，內板件起皺參數不應超過0.005[12]。為了控制最大減薄率和起皺參數在合理的范圍，使兩者同時達到最優化，多目標優化的質量目標和約束為：

起皺參數＜0.005

表4是使用Design-Expert軟件，根據正交試驗結果獲得的部分多目標優化工藝方案。

其中期望度最高的即可作為最優的參數組合，所以多目標優化后的最佳工藝參數組合為：F= 700kN，X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。在這組參數下重新模擬運算，模擬結果最大減薄率為24.1％，起皺參數為0.00291。模擬結果和多目標優化期望結果相對誤差小于3％，多目標優化結果可信度較高。圖4是多目標優化參數組合下的模擬結果和成形極限圖，由圖可知，拉延件產品面內無破裂、起皺缺陷，發生起皺的區域位于修邊線以外。存在少量的拉深不足不會對零件造成很大的影響。

3 試驗驗證

采用多目標優化的工藝參數組合對后支柱里板進行試沖試驗。由于雙件沖壓，壓邊力此時用單件的兩倍，為1400kN。左右件拉延筋根據零件特點對稱布置，實際拉延筋是由虛擬拉延筋轉化獲得，板料采用武鋼DC05。汽車左后支柱里板拉延成形試沖件如圖5所示，由圖可知，零件產品面成形質量良好，不存在破裂/起皺缺陷，同時修邊線內拉深不足區域拉延較為充分。經試沖件實測厚度計算，產品面減薄率均在合格范圍之內，滿足生產要求。

4 結論

（1）結合正交試驗設計對左后支柱里板拉延成形進行數值模擬，采用多目標優化方法獲得了最優的工藝參數組合：壓邊力F=700kN，各段拉延筋阻力系數分別為X1=0.30，X2=0.80，X3=0.45，X4=0.75。

（2）通過極差分析得到壓邊力和各段拉延筋阻力系數對最大減薄率和起皺參數影響的敏感程度。對最大減薄率來說影響順序為：F＞X1＞X4＞X3＞X2，對起皺參數來說影響順序：F＞X1＞X4＞X2＞X3。

（3）在多目標優化參數組合下模擬結果最大減薄率為24.1％，起皺參數為0.00291。模擬結果和多目標優化期望結果相對誤差小于3％，多目標優化結果可信度較高。試沖試驗結果和優化模擬結果基本一致，滿足生產要求。表明基于正交試驗的多目標優化方法可用于沖壓成形工藝參數的優化。

表4 工藝優化方案

圖4 優化參數組合的成形極限圖

圖5 左后支柱里板拉延成形產品圖

[1]戚鵬，辛獻杰，倪樂波，等.基于遺傳算法的板料成形回彈工藝參數優化研究[J].鍛壓裝備與制造技術，2007，42（4）：58-61.

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[3]周杰，羅艷，王珣，等.基于響應面的封頭沖壓成形工藝多目標優化[J].吉林大學學報（工學版），2016，46（1）：205-212.

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M ulti-objective optim ization on draw ing process parameters of left HOOD OTR for automobile

ZHU Xingyuan1,WANG Banggui1,YIN Shidong2,LIU Pengxiang1
（1.School of Materials Science＆amp;Engineering，Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei China; 2.Stamping＆amp;Welding Factory,Dongfeng Die＆amp;Stamping Technologies Co.,Ltd.,Wuhan 430056,Hubei China）

Taking the left HOOD OTR of some model of car as research object,the finite element simulation design has been conducted to the process analysis and drawing process of the part.The numerical simulation has been established to the drawing process of the part by combining with orthogonal test.The multi-objective optimization method has been adopted to obtain the optimum process parameter combination.The blank holder force F is 700kN while each draw-bead resistance coefficient X1is 0.30，X2is 0.80，X3is 0.45 and X4is 0.75 respectively.The results by extreme difference analysis indicate that the influence order for maximum thinning rate is：F＞X1＞X3＞X4＞X2and for wrinkle parameter is：F＞X1＞X4＞X2＞X3.The stamping test has been carried out by use of the optimal parameters.It shows that the part is free of cracking and wrinkling defects,etc.The forming quality can meet the standards of production.

HOOD OTR;Drawing;Orthogonal experiment;Multi-objective optimization

TG386

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.025

1672-0121（2016）05-0085-04

2016-04-27；

2016-06-15

朱興元（1964-），男，副教授，博士，從事材料成形計算機模擬。E-mail：zhu.xingyuan@hotmail.com