汽車引擎蓋外板拉延成形工藝參數優化研究

魏建光

摘 要：為解決汽車引擎蓋外板拉延成形容易產生起皺、開裂、拉延不充分等缺陷問題，研究了影響汽車引擎蓋外板成形質量的工藝參數。采用單因素變量法研究了壓邊力、凸凹模間隙、摩擦系數、拉延筋高度和沖壓速度對引擎蓋外板拉延成形的影響;采用正交試驗法和極差分析法，以最大減薄率為優化目標，得到了最優工藝參數組合，確定了各種因素對引擎蓋外板最大減薄率影響主次順序的優化方法。

關鍵詞：汽車引擎蓋外板;拉延成形;工藝參數優化

0 引言

汽車覆蓋件的成形過程是一個大撓度、大變形的塑性變形過程，在不同的塑性成形過程中，涉及板料在復雜應力應變狀態下的塑性流動和塑性變形，容易引起破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷問題[1]。

為了準確掌握鈑金沖壓成形性，在當前鈑金沖壓生產中，利用先進的CAE技術進行汽車覆蓋件成形過程的數值模擬，能夠盡早發現問題，有效預防沖壓缺陷的產生，改進模具設計，優化沖壓參數，從而大大縮短調模式模周期，降低模具制造成本。

1 沖壓成形工藝分析

研究對象為汽車引擎蓋外板，該零件屬于汽車外觀件，具有尺寸大、造型復雜、表面質量要求高等特點。根據汽車覆蓋件技術標準要求，零件成形后最大減薄率低于25%，最大增厚率低于5%，零件沒有起皺、破裂、拉延不充分等沖壓缺陷[2]。引擎蓋外板的沖壓成形工藝主要包括落料獲得板料毛坯、拉延獲得零件外形、切邊切除邊角余料、沖孔獲得安裝孔、零件翻邊等。拉延成形工序是確保汽車引擎蓋外板成形質量最重要的工序。該工件采用材料為冷軋鋼板DC04，厚度為0.8 mm。材料性能參數為：屈服強度204 MPa;抗拉強度357.8 MPa;硬化指數0.211;各項異性系數1.62;密度7.85 g/cm3;楊氏模量2.07×105 MPa;泊松比0.3。

2 有限元分析模型建立

在Dynaform軟件中導進CATIA軟件中創建的汽車引擎蓋外板模型，網格生成的最大單位尺寸為15 mm，確定沖壓方向，并檢查沖壓負角;利用模面工程模塊創建生成零件的工藝補充面和壓料面，生成零件的有限元模型，該模型將作為有限元分析過程中的凹模[3];利用坯料工程模塊將凹模展開，可以得到所需要的坯料形狀;以工藝補充面的邊界裁剪壓料面得到壓邊圈模型，并在壓邊圈上設置等效拉延筋。

利用Dynaform軟件的快速設置功能，可以自動生成凸模、定義成形工具，設置沖壓參數。

3 工藝參數對拉延成形的影響

選取拉延筋高度、摩擦系數、沖壓速度、壓邊力、凸凹模間隙等5個工藝參數作為變量，以得到成形較好的沖壓零件作為目標，采用單因素變量法來研究這些工藝變量參數對拉延成形極限圖、最大減薄率和最大增厚率的影響，確定正交試驗取值范圍。最大減薄率超過25%則判定沖壓件破裂，最大增厚率超過5%則判定沖壓件起皺，沖壓件是否拉延充分則通過成形極限圖來判定。

（1）壓邊力對拉延成形的影響。壓邊力（BHF）的主要作用是增加板料的徑向拉應力，從而降低板料的切向壓應力，減少板料失穩起皺的趨勢。如果壓邊力過小，則無法控制板料發生起皺的趨勢;如果壓邊力過大，則增大了板料發生拉裂的趨勢。而且，較大的壓邊力還會加劇模具的磨損，影響模具壽命。有必要選擇合理的壓邊力，以保證零件的質量和尺寸精度。用毛坯的面積減去工藝補充面邊界圍成的平面面積即為壓邊圈下毛坯的投影面積。

4 拉延成形工藝參數優化

（1）正交試驗因素水平確定。工藝參數對最大減薄率的影響是多因素綜合作用的結果，單因素變量法存在局限性，無法找到最優的工藝參數組合。正交實驗法兼顧全面試驗和單因素法的優點，根據數學原理編制正交表，對試驗進行安排和分析試驗結果。正交試驗設計是安排多因素試驗，尋求最優水平組合的一種高效的試驗設計方法。它不僅可以使測試點的分布非常均勻，而且可以減少測試次數，得到最優的水平組合。

（2）正交試驗結果。以最大減薄率為優化目標，按照正交試驗標準，把對拉延成形影響較大的5個工藝參數作為正交實驗的5個因素，每個因素設置4個水平。

（3）極差分析。極差分析能直接反映各種因素對結果的影響程度。

（4）方差分析。極差分析不能估計試驗中以及試驗結果測定必然存在的誤差大小。為了彌補這一不足，可采用方差分析的方法。方差分析法是將因素水平的變化所引起的試驗結果間的差異與誤差波動所引起的試驗結果間的差異區分開來的一種數學方法。

5 仿真結果與試模結果對比

（1）模擬仿真結果。應用Dynaform有限元分析軟件，按照最優工藝方案為A1B1C2D4E3（壓邊力1300 kN、摩擦系數0.12、沖壓速度3000 mm/s、凸凹模間隙1.2t、半圓形拉延筋高度7mm）進行引擎蓋外板拉延成形的模擬仿真。

模擬結果顯示，應用正交試驗法得到的最優工藝參數進行模擬，引擎蓋外板成形效果良好，無拉延不充分、起皺和拉裂缺陷，最大減薄率為18.424%，最大增厚率為0.999%，符合汽車覆蓋件成形質量評價標準。

（2）仿真結果與試模結果對比。應用正交試驗優化得到的工藝參數組合，選用200 t壓力機進行拉延成形試模。

試模結果拉延成形效果較好，零件主體部分無破裂、起皺、拉延不充分等成形缺陷，工藝補充面部分有輕微起皺，后續工藝會切除，不影響零件使用。通過測量及計算，產品最大減薄率為19.585%，最大增厚率為1.047%，成形質量較好。試驗結果與有限元模擬結果相比，最大減薄率誤差為6.3%，最大增厚率誤差為4.8%，誤差較小。

6 結語

研究結果表明，應用基于正交試驗法的數值模擬技術能夠提高引擎蓋外板成形質量、減少試驗模擬的次數、減短生產的周期、有效減少生產的成本。

參考文獻：

[1]龔紅英，劉克素，董萬鵬，等.金屬塑形成形CAE應用-Dynaform

[M].北京：化學工業出版社，2014.

[2]熊煜，周杰，王輝，等.基于響應面法的拉延成形參數優化[J].兵器材料科學與工程，2016，39（05）：69-72.

[3]曹愛霞，逯振國，鐘佩思，等.基于Dynaform的汽車引擎蓋外板拉延成形仿真[J].鍛壓技術，2014，39（12）：19-21.