基于Dynaform的沖壓成形工藝因素影響分析

梅云松

摘 要：文章結合生產中的實際需要，利用Dynaform 軟件對某汽車橫梁的沖壓成形過程進行了數值模擬分析。根據成形零件的質量評價指標，分析壓邊力、沖壓速度、摩擦系數和拉延筋參數變化對沖壓件質量產生的影響。在分析過程中較多參數影響導致結果不好，驗證開發周期。利用MDO（multidisciplinary design optimization）技術對零件在沖壓成形過程中遇到的質量問題，為沖壓件工藝設計、模具設計提供設計方案，可以達到有效縮短模具設計及生產調試周期的目的。

關鍵詞：沖壓成形 數值模擬 工藝因素 影響程度分析 Dynaform MDO優化

0 引言

由于板料沖壓成形具有生產效率高、加工成本低、產品尺寸精度穩定等優點，被廣泛應用于汽車制造領域[1]。但板料沖壓成形是一個材料非線 性、接觸摩擦邊界非線性和幾何非線性的大變形、 大位移、大轉動的彈塑性力學過程，其成形過程中 會產生拉裂、起皺、回彈等缺陷。隨著計算機技術的發展， 基于有限元理論對板料沖壓成形過程進行數值模擬，預測其在成形加工中可能遇到的質 量問題，代替實際試模，為沖壓件工藝設計、模具設 計提供可靠的理論依據和合理的工藝參數，已成為當前沖壓工藝設計、模具設計中的一種重要手段[2]因此本文結合生產中的實際需要，利用 Dynaform 軟件再加上MDO技術對某汽車橫梁沖壓成形過程進行數值模擬，利用DOE樣本生成響應面，通過響應面優化能夠快速找出最優沖壓工藝參數。

1 有限元模型的建立

本文根據整車廠提出的某汽車橫梁三維數模技術要求，結合企業沖壓工序，先在UG 軟件中對原數模進行工藝補充，建立滿足數值模擬要求、與沖壓成形生產工序相吻合的零件三維模型。然后導入Dynaform 分析軟件，利用自適應網格技術采用四邊形對模型進行網格劃分，完成網格檢查修補。并通過復制命令，得到凸模和凹模三維模型，依據實際沖壓情況調整沖壓方向，設置毛坯板料、壓邊圈及模具間隙，完成定位，得到沖壓成形數值模擬的有限元模型如圖1所示。

2 沖壓成形影響因素

2.1 壓邊力因素

壓邊力是指作用在壓邊圈上的壓力，在板料成形過程中，通過壓邊圈產生的摩擦力來增加板料中的拉應力，控制材料的流動，保證成形順利進行。壓邊力的大小與起皺和破裂有著十分緊密的聯系。壓邊力過小將無法有效控制材料的流動 板料容易起皺。而壓邊力過大則會引起零件厚薄不均勻，甚至破裂出現廢品。因此，板料沖壓成形 中選擇一個合理的壓邊力有著重要的意義。

確定板料沖壓成形過程中的壓邊力，一般可以按照以下公式估算：

（1）

式中—壓邊力（N）

—壓邊圈與板料的接觸面積（mm2）

—單位面積上的壓邊力（MPa）

對于厚度大于0.5mm的鋼板，q值一般在2至2.5MPa之間。由公式（1），估算得到汽車橫梁沖壓成形時對壓邊圈施加的壓邊力約為60KN。在DYNAFORM中，接觸類型選擇FPRM-ING_ONE_WAY_S_S，靜摩擦系數取0.125，沖壓速度為2000mm/s，凸凹模的間隙取1.1t（t為板料的厚度），下模固定不動。分別取壓邊力為40KN、50KN、60KN、70KN四種方案進行數值模擬分析，圖2為壓邊力是60KN時數值模擬的成形極限圖。

從圖2可以看出，成形后零件沒有出現破裂，但在零件的邊緣位置有起皺現象，這說明在此位置材料流動不充分，造成局部的增厚，需要進行工藝改進。而零件的最大厚度和最小厚度均出現在廢料區，對零件最終質量沒有影響。

2.2 沖壓速度因素

在不同的沖壓速度下，板料的變形速度不同， 這將影響到材料的成形極限，并表現出不同的加工硬化特性。此外，沖壓速度的變化還會使模具和板料摩擦狀態發生變化，呈現不同的沖壓性能。圖3為沖壓速度為2000mm/s時的厚度變化。

隨著沖壓速度的增加，零件成形后的平均厚度逐漸變大，平均偏差在速度較小時數值較大，速度較大時數值減少。這表明在沖壓速度較大時，零件成形后的均勻性較好。因此在實際生產中，在滿足減薄率和增厚率要求的前提下，根據沖壓設備的實際情況，可選擇沖壓速度較大的工藝方案，提高成形后板料厚度的均勻性。

2.3 拉延筋因素

拉延筋是沖壓成形的重要控制手段之一，尤其在大型復雜沖壓件的成形中有著舉足輕重的地位。拉延筋設置是否合理，不僅關系到沖壓件成形質量的好壞，而且影響整個沖壓成形的成敗。對于此零件，在上下兩側分別布置兩道拉延筋，布置方式如圖4所示。

3 MDO優化

3.1 DOE樣本抽樣

采樣方法是拉丁超立方采樣法（LHS）。在統計學中，LHS用于承受多維分布規則約束下的類隨機參數中創建一組數值。該方法由Michael McKay等提出[3]。其主要思想是，在一個正方形網格中確定樣本值，而樣本的位置是拉丁方框。拉丁方框是一組排列在方框中的數字，方框內的每一行或每一列都不包含兩個兩次的數字。圖5畫出了拉丁方框的概念示意圖。

拉丁方框的思想可以推廣到高維問題。在統計學中，LHS由于它的正交性而成為一種有效的采樣方法。正交采樣能很好反應出相關隨機變量的真實變化。然而，LHS是一種選擇合適樣本的純統計學方法，它沒有考慮相關模型物理特性。

本次沖壓成型主要有三大主要影響因素：壓邊力、沖壓速度、方筋高度。若每個參數有5個變量以上將會產生125種不同組合，若更多變量將會出現更多不同組合，其計算量較大，研發時間周期較長。本次采用拉丁超立方進行均勻選取，可把樣本數將至最低30個樣本。圖6和圖7為沖壓成型樣本群。

3.2 響應面方法

利用響應面法構造近似模型，需要在給定輸入的基礎上進行一系列所謂的試驗設計（DOEs）。這些輸入需要滿足一定的標準，例如用來定義設計范圍的上下限。為了獲得最優響應，需要考慮一種可靠的響應面法。文獻中已完善了幾種響應面法，例如Gaussian process[4]，Kriging[5]，Radial basis functions[6]，Moving least square[7-8]，等等。一般意義上，響應面法是相關物理量的函數的近似方法。近似的數學形式通常可如下表示為：

（2）

其中u^h （x）是利用響應面法重構的近似函數，x對于某些隨機特性可以是確定的或者隨機的輸入值，Ψ_I（x）是響應面法的基函數，CI是待定的廣義系數，N是基函數的個數。

3.3 優化結果

經過優化后，該零件最終工藝參數取值壓邊力為60KN，沖壓速度為2000mm/s，靜摩擦系數為0.125，筋高0.3mm，采用圖8所示拉延筋布置方式，與實際生產情況相比，一致性較好。

4 結論

沖壓成形后零件的減薄率、增厚率、應力和應變分布都是表征成形質量的重要指標，在零件有效區內這些指標的最大值需要重點關注，而沖壓成形后板料的均勻程度可以通過數據處理采用平均厚度和平均偏差來表征[9]。

本文以某汽車橫梁沖壓件為例，研究了壓邊力、沖壓速度、靜摩擦系數以及拉延筋對零件沖壓成形質量的影響，分析其變化趨勢，結合生產實際情況，確定了該零件的最終工藝參數。數值模擬結果與實際生產情況相比，一致性較好。

利用MDO技術和沖壓成形的仿真分析可以研究多因素對沖壓質量的影響程度，替代實際生產中反復試模及工藝參數調整工作，達到對沖壓工藝制定的預見性和科學性，提高模具設計的準確性和可靠性，有效縮短模具設計及制造調試周期的目的，對實際生產具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]余雷，袁國定，岳陸游.有限元數值模擬在汽車覆蓋件設計和制造中的應用[J].鍛壓技術，2002.

[2]李曉星.板材成型模擬的研究和應用[J].金屬成型工藝，2003.

[3]McKay， Michael od/RyZUUvFr068Jp5HtWD9x5Y3TUO8Wzc9sRUfJydmw=D.; Beckman， Richard J.; Conover， William J. A comparison of three methods for selecting values of input variables in the analysis of output from a computer code. Technometrics， 2000， 42.1： 55-61．

[4]Rasmussen， Carl Edward. Gaussian processes in machine learning. In： Summer School on Machine Learning. Springer， Berlin， Heidelberg， 2003. p. 63-71.

[5]Stein， Michael L. Interpolation of spatial data： some theory for kriging. Springer Science & Business Media， 2012.

[6]Madych， W. R.; Nelson， S. A. Multivariate interpolation and conditionally positive definite functions. II. Mathematics of Computation， 1990， 54.189： 211-230.

[7]Lancaster， Peter; Salkauskas， Kes. Surfaces generated by moving least squares methods. Mathematics of computation， 1981， 37.155： 141-158.

[8] proximedia. "Pareto Front". www.cenaero.be. Retrieved October 8， 2018.

[9]林忠欽，李淑惠.車身覆蓋件沖壓成型仿真[Z].