Sigma穩健性分析在沖壓模具調試中的應用

杜武昌

（天津柯麥特模具技術有限公司技術中心，天津 300300）

1 引言

近年來，隨著汽車工業的快速發展，汽車制造的短周期顯得尤為重要，同時對汽車沖壓模具制造調試提出更高的要求，汽車覆蓋件制件多為空間自由曲面、形狀復雜、尺寸較大等特點，其成形過程涉及材料非線性、幾何非線性和接觸非線性等問題[1～2]，在制造調試過程中影響因素很多，調試人員往往很難快速判斷具體的影響因素。

本案例為某車型覆蓋件車門內板在模具制造調試時，發生嚴重開裂，經過多次調試仍無法解決開裂問題。在現場調試時，影響制件開裂的因素有很多，如材料參數、摩擦系數、拉伸筋強度、板料形狀及位置等[3]。AutoForm-Sigma模塊能夠進行虛擬調試（即使用計算機仿真調試代替實際生產調試），綜合分析各個因素的影響程度，能夠更快、更準確地找出主要影響因素，從而能夠及時的解決生產問題。

2 車門內板沖壓模具工藝分析

在汽車覆蓋件沖壓模具調試準備的過程中，首先要解讀沖壓工藝分析內容，理解沖壓工藝思路，如制件形狀、材料性能、板料信息以及成形過程存在的潛在問題等，其目的是對當前需要調試的模具有一定的了解和問題的認知。

2.1 車門內板制件信息和材料屬性

本案例是某車型前車門內板，材質為JSC270D，料厚為0.65/1.2mm同材質不等料厚的拼焊板，制件形狀如圖1所示（其中左邊深色區域為0.65mm薄板料，右邊淺色區域為1.2mm厚板料區域），板材參數如表1所示。

圖1 制件數模

表1 JSC270D材料參數

根據制件數模形狀及板材參數，按照車門內板拉伸工藝補充制作標準，所做出的拉伸數模和所需板料形狀分別如圖2和圖3所示。

圖2 拉伸工藝數模

圖3 板料形狀

2.2 車門內板成形性分析

汽車沖壓模具成形性分析能夠直觀的反應制件在成形過程中的動態變化以及成形完成后的最終狀態。通過軟件自有的各項評判指標能夠對當前制件的起皺、開裂等缺陷進行評判。結果數據Formability和Thinning參數能夠對當前制件的起皺和開裂做出直觀的評判，如圖4、圖5所示，制件在拉伸后無明顯起皺、開裂以及減薄率過大等缺陷。

圖4 起皺

圖5 減薄率

3 車門內板現場調試結果及原因分析

如上所述，該制件在進行沖壓成形分析時，沒有出現開裂或減薄率過大的問題，然而在現場進行模具調試時，制件出現較大的開裂問題，如圖6所示。實際生產與CAE仿真結果出現不吻合，表明CAE分析所設置的仿真參數和生產現場實際的情況相差較大。針對實際生產的制件開裂部位和開裂時機等現象，說明該區域開裂的原因是由于傳力區的傳力能力小于變形區材料產生塑性變形所需要的力，因此解決破裂的關鍵是提高傳力區強度[4]。其措施有：采用更好的材料；加大傳力區的凸模圓角；減小壓邊力；增加潤滑；減小毛坯尺寸；降低拉伸筋高度；研平壓料面；增大凹模圓角等。由于影響因素較多，如果進行各個因素逐個進行試驗，不僅模具整改周期長，還影響模具質量。

圖6 拉伸開裂的制件

4 Sigma穩健性分析結果評估和影響因素的確定

現在主流的沖壓成形CAE仿真軟件，對于一些關鍵的參數，如材料模型，材料積分點，模具和板件制件的接觸取決于軟件本身特點，該軟件的參數設定取決于工藝人員的選擇，其中關鍵的因素包括拉伸筋模型，壓邊圈模型，板料網格尺寸，摩擦因素，收斂準則，網格細化水平，間距等[5～6]。與此同時沖壓成形分析軟件Sigma模塊，分別針對沖壓工藝優化、穩健性分析、虛擬調試等提供參考的參數設置。

4.1 Sigma穩健性分析的參數設置

Tryout穩健性分析，是將設定的諸多影響因素和波動范圍按照統計學的規律組合起來，形成多組組合參數進行分析，得出各個因素影響制件缺陷的概率，找出最主要影響因素，進而能夠快速的解決問題。本案例車門內板Sigma穩健性分析是將壓邊力、摩擦系數、拉伸筋系數、板料尺寸等4個現場影響調試因素作為Sigma浮動參數，具體設定值和波動范圍如表2所示。

表2 影響因素和波動范圍的設定

4.2 Sigma穩健性分析結果評估

任何仿真軟件的仿真分析都需要對仿真分析結果的正確性進行評判，由Sigma的分析結果顯示，在實際調試模具的開裂部位的“受控值”均非常接近100%，如圖7和表3所示，表明此處開裂問題的影響因素參數設置比較全面，模擬仿真的數量足夠，因此仿真結果正確、可信。

表3 開裂部位的受控值

圖7 實際開裂部位的“受控值”

Sigma穩健性分析在生產過程中通常使用過程能力Cp和過程能力指數Cpk來評價工序模具的關鍵影響因素，由圖8、圖9所示表明，車門內板側壁在實際生產中受所設置的影響因素影響較大，與實際調試時開裂部位吻合，并且0.67≤Cp/CpK＜1.00，有0.14%～2.25%的結果超出限值，是不可靠的。

圖8 減薄率Cp結果

圖9 減薄率Cpk結果

4.3 模具開裂影響因素的確定

在模具生產調試過程中，針對制件開裂的問題，一般使用最大失效和變薄率的穩定性來評估，由減薄率的影響圖，如圖10所示，摩擦系數的影響占比約為91%，壓邊力影響占比約為13%，板料尺寸和拉伸筋系數這兩個影響因素在置信水平以內，因此可忽略不計。同理，如圖11所示的同一位置的最大失效影響因素結果表明：摩擦系數的影響是制件此處開裂的主要影響因素。具體影響值見表4所示。

圖10 減薄率影響因素

圖11 最大失效影響因素

表4 同一位置的減薄率和最大失效受控值

依據沖壓成形分析軟件Sigma模塊對車門內板拉伸制件的穩健性分析，分別查看減薄率和最大失效的穩定性影響因素，均表明摩擦系數對拉伸制件實際開裂部位的影響最大。在確定摩擦因素是影響此車門內板拉伸制件開裂的主要因素之后，為了驗證Sigma穩健性分析結果的準確性，將摩擦系數設置為0.165進行成形分析模擬，其結果顯示開裂部位與實際調試制件開裂部位相同，如圖12所示。

圖12 摩擦系數為0.165的成形結果

根據Sigma穩健性分析結果和修改摩擦系數的成形分析結果表明，摩擦系數是此車門內板拉伸制件開裂部位的主要影響因素，其解決方案為降低摩擦系數，提高模具光潔度，能夠降低拉伸制件開裂部位的減薄率。因此提高拉伸制件實際開裂部位以及相鄰部位的上、下模凸圓角的模具光潔度，能夠直接、快速的解決此車門內板拉伸制件的開裂。圖13顯示的是提升上、下模開裂部位及相鄰的凸圓角模具光潔度后，調試出合格的拉伸制件。

圖13 調試合格的制件

為了防止在母線連續高速沖壓時頻繁出現制件開裂，需要對最終調試完成的拉伸模具進行鍍鉻處理，以降低摩擦系數，提高模具穩定性。

5 結論

通過Sigma穩健性分析在汽車車門內板制造調試過程中的應用，能夠及時找到制件在成形過程中開裂的原因，順利解決生產問題，得出以下結論：

（1）沖壓成形分析軟件的Sigma穩健性分析的各工藝參數的設定浮動范圍及影響與實際生產現場吻合度較高，通過虛擬調試，能夠準確地指導生產調試，提高模具調試效率。

（2）通過Sigma穩健性分析在汽車車門內板制造調試中的成功應用，將制件開裂的各個影響因素進行分析，確定影響制件開裂的主要因素，指導現場進行調試，及時解決問題，順利調試出合格的制件。本案例的成功應用，為縮短模具調試周期，提高生產效率具有重要意義，同時為汽車覆蓋件沖壓模具制造調試提供參考。