基于正交试验的汽车覆盖件冲压成形分析

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Analysis for Stamping Process of Automotive Body PartsBased on Orthogonal ExperimentsW ANG De-lun，WANG Fen-fei(School of Automobiles，Chongqing University of Technology，Chongqing 400050，China)Abstract：Combining stamping numerical simulations of the automotive body paas with the oahogonal ex-pefiment to analyze the influence of the stamping process parameters comprehensively，such as punchspeed，friction coeficient，die clearance and blank holder force.Then the optimal sets of the parameterswere determined.Taking an automotive fender as an application example，the Computer Aided Engineering(CAE)models of die model were constructed，and the drawing process of the fender was simulated usingFEM software DYNAFORM，and the oahogonal experiment was then conducted to make the proper schemeand plans for the simulation computations.With analysis of results from the simulations，the optimal set ofprocess parameter values was discovered.Conclusion provided guidance in process planning of automotivebody panel forming。

Key words：orthogonal experiment；automotive fender；stamping process；numerical simulation在汽车覆盖件冲压成形过程中，其模具系统和冲压工艺参数对覆盖件 的可成形程度和成形质量具有决定性 的影响。冲压工艺参数对汽车覆盖件成形质量的影响存在很多非线性时变和不确定因素，是成形过程工艺优化的难点之-l2 J。 人们对此已展开了大量研究 ，目的在与指导模具设计与制造和冲压工艺设置。板料 CAE近年来在仿真精度上，以及模拟运算速度上都有较大的提高，使得仿真结果更加准确、可靠，但是数值模拟的结果无法给出各因素变量与评价成形质量的目标之间具体的关系模型，因此我们必须建立多因素变量与成形结果 目标之间的数学模型，从而能够对成形质量进行多方面综合控制研究 。目前，常采用优化设计方法，该方法研究的参数具有均匀性和整齐性、试验具有 目的性。其中文献[3]在正交试验的基础上，建立均匀试验设计，让试验点充分均匀分散 ，这样每个试验点就更具有代表性，同时试验点数 目减少。文献[4]利用响应面法，在多维设计空间中对目标函数 (成形厚度、回弹量等)与多因素变量(冲压工艺参数)之间进行构造近似的显式函数关系，并通过对显式函数进行迭代寻优，最终获得较好的全局最优解。本文以某车型的翼子板为例 ，采用 DYNAFORM软件数值模拟结合正交试验进行优化研究，以提高复杂拉深件工艺参数优化设计的效率 ，减少试模时间，降低生产成本。这-方法适用于很多大型覆盖件的成形优化。

收稿日期：2012-12-10作者简介：王德伦(1954-)，男，博士，教授 ，主要从事汽车现代设计理论与方法研究。

130 四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.corn/2 正交试验方案设计根据正交试验设计理论 ，可以利用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点，应用正交表合理安排试验 。正交试验的设计方法具有两个性质：水平均匀性 ，选择的试验的每个因子的水平出现次数相同，每个水平的因子不重复出现，它们能够全面地反映试验；如在本试验中，因子冲压速度所对应的水平：2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s、5 000 mm/s各出现 4次；搭配均匀性 ，任何两个因子搭配都以相同的次数出现。如本文中冲压速度 2 000 mm/s、模 具 间 隙 1.1 mm 以及 冲 压 速 度3 000 mm/s、模具间隙0.2O mm这两种因子的搭配在正交表中都只出现了-次 ，所以，从各因子搭配上也能全面反映所有试验。

根据实际情况，确定试验 因子：压边力、冲压速度、摩擦系数、模具间隙。

选取-张适当的正交表，把因子和需要考察的交互作用合理地分布在正交表上。

冲压件破裂或者大面积起皱，就成为废品，所以本试验因子的水平选 以冲压件不发生开裂和大面积起皱为前提。

以前翼子板为例，冲压工艺参数-般包括压边力 、冲压速度 、摩擦系数、模具间隙等。在做前翼子板的初步模拟时，压边力以400 kN为参考，选取水平300 kN、400 kN、500 kN和600kN。当采用良好的润滑油时，摩擦系数以0.15为参考 ，故选水平为0.1、0.15、0.2和 0.25。冲压速度如果选用实际值，需要很长的计算时间，采用有限元分析时，为提高计算效率，通倡板料的拉深的实际冲压速度放大若干倍作为模拟实验的冲压速度，-般冲压虚拟速度建议取 1 000～5 000 mm/s ，故取水平为 2 000 mm/s、3 000 mm/s、4 000 mm/s和5 000 mm/s。模 具 间隙取 料 厚 的 110%、112%、t15% 和118%为水平。因此，这是-个 四因素四水平的正交试验设计，选取正交表。

3 模拟结果分析正交试验的考察指标为翼子板坯料在成型过程中材料不发生塑性变形时的极性应变值是否超出 FLD图中的安全区域(即成形过程中是否发生破裂)，由翼子板局部最旭度 、最大厚度、是否起皱、拉深是否充分 、有无破裂的地方来确定翼子板的最优工艺参数。局部最旭度指标主要是用于评定拉深零件是否产生局部破裂。局部最大厚度指标主要是平顶拉深件是否产生局部起皱。对于卞成形 ，-般要求其减后率不超过 30%，增厚率不超过 6%，否则很有可能发生破裂或者起皱，所以要求翼子板最薄处应该在 0.80 mm以上。如果在数值模拟中发现拉伸零件起皱，则要由其出现的位置来判别对产品影响的严重性 ；若起皱部位分布在法兰边或工艺补充面上，则可以在切边工序中将法兰边和工艺补充面切掉，因此可以不考虑 ；若起皱部位分布在拉伸零件上，则应调整拉伸筋的布置或者调整相应的工艺参数。所以本文中的最旭度指零件部分，法兰部分不考虑(即局部最小厚度)。如表 2所示即为设计的正交表及其模拟结果。

表 2 正交表及其模拟结果0.100.150.200.250.100.150.200.250.1O0.150.2O0.250.100.150.200.251.101.121.151.181.121.101.181.151.151.181.101.121.181.151.121.102 0003 0004 0oo5 0004 O005 0002 O003 0005 0004 0003 00o2 0003 00o2 0005 Oo04 0000.8500.8470.8450.8340.8520.8390.8430.8360.8450.8420.8360.8350.8450.8380.8360.8341.0281.0261.0271.0181.0291.0241.0251.0221.0211.0201.02l1.0211.0281.0181.0191.017法 兰 区法 兰 区法 兰区法 兰区法兰区法兰区法兰区法兰区法兰 区法兰 区法 兰 区法 兰区法兰区法兰区法兰区法兰区有折皱有折皱有折皱有微小折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有折皱有微小折皱有微小折皱有微小折皱∞ ∞ ∞ ∞∞ 加 舳 m ∞ ∞ m ∞ m 舳 瑚 伽 姗姗姗姗伽伽伽伽姗姗姗 咖鲫咖鲫 2 3 4 5 6 7 8 9 m n B王德伦，等：基于正交试验的汽车覆盖件冲压成形分析 l31对表2的数据进行分析(如表 3)。其 中 I-Ⅳ分别表示各因素：压边力、摩擦系数、模具间隙、冲压虚拟速度的水平对应的试验结果之和的平均值。极差是-组数据中最大值减去最小值，反映了-组数据的离散程度。

由表2可以得出，各程序的冲压件质量满足要求。其中图4是程序7的厚度图。

图4 程序 7厚度图袁 3 结果分析篡赢4 结论由表3的极差数据可知，各因素对冲压件最旭度的影响，按从大到小的顺序排列为摩擦系数 >压边力 >冲压虚拟速度 >模具间隙。

在程序 1-16中，仅从最旭度考虑，从表 2中选出-组最优参数：压边力 400 kN；摩擦系数 0.1；模具间隙1.12 mm；冲压虚拟速度 4 000 mm/s。

冲压工艺参数中冲压速度、摩擦系数、模具间隙和压边力对覆盖件的成形质量都有-定影响，但其中摩擦系数的影响最为突出；通过仿真模拟翼子板的拉深成形过程，能够找出-组最佳组合的冲压工艺参数，根据实际工程经验和本次正交试验结果推荐摩擦系数设置值为0.1；推荐模具间隙设置值为坯料厚度的1.12倍，这对于指导实际冲压工艺参数的设置具有指导意义。