汽車左上車踏板與電瓶框連接支架沖壓成形工藝參數(shù)的優(yōu)化*

趙博寧 ，韋東琦

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學院智能制造學院，廣西 柳州 545616；2.柳州工學院汽車技術(shù)學院，廣西 柳州 545000）

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架是汽車零部件中的一類，作為上車踏板與電瓶框之間的連接支架，其沖壓成形的質(zhì)量好壞也關(guān)乎著電瓶與駕駛員和乘客的安全。而左上車踏板與電瓶框連接支架的質(zhì)量好壞受沖壓成形工藝影響，成形過程中的沖壓參數(shù)大小等都會直接影響沖壓件起皺、破裂等不合理結(jié)果的產(chǎn)生與否。本研究針對汽車左上車踏板與電瓶框連接支架的結(jié)構(gòu)進行沖壓工藝的分析，通過分析沖壓成形結(jié)果判斷沖壓工藝的可行性，并完善沖壓工藝，使其符合使用要求[1]。

1 沖壓工序設計

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架如圖1 所示，采用冷沖壓成形，在常溫下通過壓力機對料片施加壓力，使料板產(chǎn)生塑性形變，達到所需形狀與尺寸的效果。本文選用的汽車左上車踏板與電瓶框連接支架，材料為SPHE，厚度為2 mm，抗拉強度σb=36 MPa，屈服強度σs=25 MPa，屈服比69%，延伸率δ=31%。

圖1 連接支架

制定沖壓方案時，要求工序要少且簡單明了，不采取增加多余或幾次加工的方案，使用的模具盡量簡單，使用的沖壓設備盡量少，工件經(jīng)過沖壓后符合技術(shù)要求，能正常投入使用，生產(chǎn)周期要短也是要求工序少的原因之一，最重要的是做到安全生產(chǎn)[2]。根據(jù)對汽車左上車踏板與電瓶框連接支架的工藝分析，汽車左上車踏板與電瓶框連接支架主要沖壓工藝有沖孔、翻邊、拉深。

通過觀察，零件所需的成形工藝有翻邊、拉深、沖孔。觀察零件表面結(jié)構(gòu)，零件有四處部位需要翻邊，有一處拉深部位，有不同形狀的兩種孔。如圖1所示，設定零件圖該朝向為正，部位B、部位C 的翻邊方向一致為正面，部位A 的翻邊方向則為反面，拉深部位的拉深方向為正面拉深，部位D的翻邊方向則向右。

因為沖壓工序要盡量簡單，可以在落料時沖孔，先部位A翻邊，然后因部位B、部位C與拉深部位沖壓方向相同，可以采用翻邊+拉深的工藝，最后部位D翻邊，并且計算各沖壓部位模具間隙與翻邊力等參數(shù)。

本研究最終采用的沖壓工序為：落料沖孔→翻邊+拉深→翻邊。

2 有限元建模

三維模型根據(jù)圖紙在UG 繪圖軟件中建立后以IGS 格式導出文件，再在DYNAFORM 軟件中導入三維模型的IGS 文件。在DYNAFORM 軟件中，先對模型取中面，步驟為在“前處理”中選擇抽取中面選項，切換至模型的零件層，零件層高亮顯示為已選擇，從而自動生成中面。在“零件層”選項中隱藏模型，只顯示已抽取的模型中面。在“坯料工程”中選擇“生成輪廓線”對工件材料進行定義。定義工件后，網(wǎng)格劃分工件，網(wǎng)格劃分時注意選擇抽取的中面為零件層。網(wǎng)格劃分時最大尺寸與最小尺寸根據(jù)需求選擇，本設計最大尺寸選擇5.20，最小尺寸選擇0.30，最終完成網(wǎng)格劃分[3-4]。

網(wǎng)格劃分以后退出這一步驟，選擇“運行”即可得到工件的輪廓線，在“零件層”中選擇顯示輪廓線，并且隱藏其他零件層就可以很清楚地觀察工件的輪廓線，如圖2 所示。在“工具”中建立沖壓模型，如圖3所示。

圖2 板料輪廓線

圖3 有限元模型

3 數(shù)值模擬

汽車左上車踏板與電瓶框連接支架三維模型不具規(guī)則性且十分復雜，沖壓成形質(zhì)量受到各種因素的影響，要想得到一件高品質(zhì)的沖壓件，應該比較和選擇沖壓成形過程中的幾種主要的影響因素，制定出一套合理的加工工藝方案，達到工件成形質(zhì)量的要求。而工藝參數(shù)的優(yōu)化，則是利用有限元方法，調(diào)整各種影響因素，獲得適合沖壓加工實踐的最優(yōu)工藝參數(shù)。利用數(shù)值仿真技術(shù)與正交試驗相結(jié)合的方式，對各工藝參數(shù)進行單獨的數(shù)值仿真，并對四種主要的工藝參數(shù)進行對比分析，得到一套最優(yōu)的工藝參數(shù)[5-6]。

3.1 單因素分析

3.1.1 沖壓速度分析

金屬材料都具有一定的應變率效應，所以在不同的沖壓速度下零件成形的效果不一致，不同的沖壓速度會影響沖壓成形的效果[7]。進行沖壓速度分析，沖壓速度為變量，設定壓邊力為60 kN，板料厚度為2.0 mm，模具間隙為1.1t mm（本文中出現(xiàn)的t 都是代表板料厚度，單位為mm），摩擦系數(shù)為0.125。

沖壓速度分析如表1所示，由表1可知，不同沖壓速度下，最小厚度和最大減薄率在1 000 m/s～2 000 m/s速度下差距不大，但是沖壓速度在3 000 m/s 以上時，最小厚度和最大減薄率都快速變化，最小厚度減小0.203 mm，最大減薄率增大約10%。

表1 沖壓速度分析

3.1.2 摩擦系數(shù)分析

摩擦系數(shù)的大小體現(xiàn)出摩擦力的大小，在板料沖壓成形過程中，摩擦力作為一種阻力，一直影響著材料的形變，摩擦力太大會增加零件拉裂的風險，但是太小的摩擦力又沒辦法起到控制板料流動的作用，也會增加起皺的風險[8]。

對摩擦系數(shù)進行分析，摩擦系數(shù)為變量，設定壓邊力為60 kN，板料厚度為2.0 mm，沖壓速度為1 000 m/s，模具間隙為1.1t mm。

摩擦系數(shù)分析如表2 所示，由表2 可知，摩擦系數(shù)在0.075～0.15 范圍內(nèi)時，最小厚度變化范圍在1.577 mm～1.602 mm，變化不大；最大減薄率范圍也變化不大。

表2 摩擦系數(shù)分析

3.1.3 模具間隙分析

模具間隙的大小會影響板料在凸模和凹模之間的流動狀態(tài)，進而影響零件成形質(zhì)量，過小的模具間隙可能會導致零件變薄嚴重，甚至拉裂，過大的模具間隙會引起零件的起皺。一般模具間隙取值為板料厚度的1.1倍[9]。

對模具間隙進行分析，模具間隙為變量，設定壓邊力為60 kN，沖壓速度為1 000 m/s，摩擦系數(shù)為0.125。

模具間隙分析如表3 所示，由表3 可知，在不同模具間隙下，最小厚度范圍變化不大；最大減薄率在不同模具間隙下變化較大，最大減薄率在1.1t mm 與1.2t mm時相差約5%。

表3 模具間隙分析

3.1.4 壓邊力分析

對壓邊力進行分析，壓邊力為變量，所以只改變壓邊力大小，摩擦系數(shù)為0.125，板料厚度為2.0 mm，沖壓速度1 000 m/s，模具間隙1.1t mm。

壓邊力分析如表4所示，由表4可知，從40 kN開始至100 kN，最小厚度都在1.569 mm～1.601 mm 范圍內(nèi)，最大減薄率也相差不大。

表4 壓邊力分析

3.2 正交試驗分析

本次模擬試驗屬于4 因素4 水平的試驗，具備分散性均衡性和整齊可比性的特征，其因素和水平如表5 所示，由前面的單因素分析，確定沖壓速度、摩擦系數(shù)、壓邊力、模具間隙的范圍。

表5 水平與因素

通過水平因素表對模型重新進行計算，將水平因素表內(nèi)相應數(shù)據(jù)代入正交試驗表內(nèi)對模型進行數(shù)值成型模擬，得出最大減薄率和最大增厚率的數(shù)據(jù)，如表6所示。把數(shù)據(jù)匯總起來計算極差R，計算結(jié)果在表7中。

表6 通過正交試驗獲得的最大增厚率和最大減薄率數(shù)據(jù)

表7 最大增厚率和最大減薄率數(shù)據(jù)組合與計算

通過計算對比出最佳組合可以知道優(yōu)化最大減薄率的最佳組合為A1B2C2D1，最大增厚率的最佳組合為A4B4C1D4。判斷沖壓成形后零件質(zhì)量好壞最主要的根據(jù)是破裂和起皺，通常以厚度減薄率和增厚率來衡量破裂和起皺[10]。因此通過對比分析表7 最大減薄率和最大增厚率優(yōu)化后的數(shù)值模擬，以最大減薄率和最大增厚率最小為評價標準，優(yōu)化后A1B2C2D1 組合的減薄率為16.935%，最小厚度為1.661 mm；優(yōu)化后A4B4C1D4 組合的減薄率為35.122%，最小厚度為1.298 mm。減薄率分布如圖4所示，厚度分布如圖5所示。

圖4 減薄率分布

圖5 厚度分布

4 總結(jié)

對兩種方案進行對比，發(fā)現(xiàn)A1B2C2D1組合成形效果比A4B4C1D4組合成形效果好，所以最終方案選擇A1B2C2D1 組合，即壓邊力為50 kN，摩擦系數(shù)為0.1，沖壓速度為2 000 m/s，模具間隙為2.2 mm。雖然本設計已經(jīng)完成，但是還不夠完善，一方面是技術(shù)水平不夠，另一方面是對沖壓成形工藝的了解不夠，仍有多處不夠合理，也有許多方面沒有考慮。希望后續(xù)研究設計能考慮更多問題，完善設計。