汽车引擎盖内板冲压工艺设计及数值分析

*汽车引擎盖内板冲压工艺设计及数值分析 刘靖，廖敏，杨飞( 西华大学机械工程与自动化学院，成都 610039)摘要: 针对复杂的汽车引擎盖内板在冲压成形中容易产生破裂缺陷的问题，利用 AutoForm 有限元软件对引擎盖内板进行工艺设计以及数值分析。将正交试验设计方法与冲压数值分析相结合，探讨冲压方向、压边力、拉深筋圆角半径、拉 深筋深度和摩擦因数对汽车引擎盖内板冲压成形质量的影响，并利用直观分析法，确定最优工艺参数组合，最终达到理 想效果。关键词: 引擎盖内板; 工艺设计; 数值分析; 正交试验; 直观分析法中图分类号: TG386 41 文献标志码: A 文章编号: 16713133( 2013) 03007805The stamping process design and numerical simulationof automobile hood innerLiu Jing，Liao Min，Yang Fei( College of Mechanical Engineering and Automation，Xihua University，Chengdu 610039，China)Abstract: By utilizing the finite element software to process design and numerical simulation of the automobile hood inner to solve the problem of the complex automobile hood inner is easy to produce the rupture of defects during stamping Combining with the orthogonal experiments design method and stamping numerical simulation，to discuss the stamping direction，the depth of draw- bead，the fillet radius of drawbead，friction coefficient blank holder force within the influence of the quality of stamping forming By using visual analysis method to determine the optimum process parameter combination and finally reach the ideal effectKey words: hood inner; process design; numerical simulation;orthogonal experiments; visual analysis methodForm 有限元软件，对汽车引擎盖内板进行冲压工艺设计与拉深成形数值分析，通 过 大 量 试 验，找 出 各 工 艺 参数对其拉深成形的影响，选 出 理 想 方 案，为 制 造 引 擎盖内板提供数据参考。0引言汽车覆盖件作为一种形状复杂、尺寸较大的三维曲面1，在其成形过程中，与 冲 压 方 向、工 艺 补 充 面、拉深筋设计、压边力及摩擦因数等一系列因素都有重 要的关系2。而汽车覆盖件成形是一个非线性物理过程，其成 形涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性和 边界 条 件非线性等问题的计 算，是非常复杂的过 程3，传统 的 设计手段无法解决上述复杂的非线性 问题。但随着有限元数学理论的进步，钣金成形有限元 软件也得到了很大的发展，利用此类软件可以方便地 对汽车覆盖件进行设计，大幅缩短研发周期和 成 本， 增强企业在市场的竞争力4。汽车引擎盖内板的特点是: 材料薄、形状复杂、左 右对称、形状尺寸精度要求高和刚度好等。结合 Auto-1静力隐式算法在进行有限元分析时，通常是先将非线性的模型离散 化，再通过设定一些条件属性，最 终 归 结 为 一 个离散 结 构 模 型 的 基 本 运 动 方 程。 公 式 表 达 如 式5( 1):M x + C x + Kx = Q( 1)式中: x、x 、x 分别为加速度、速度、位移; M、C、K、Q 分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、荷载矢量。AutoForm 有限元软件采用静力隐式算法，此算法 在 t 时间内位移、速度、加速度关系如式( 2) :* 四川省教育厅重点项目( 10ZA101) ; 四川省重点实验室开放研究基金项目( SZJJ2009-025)78刘靖，等: 汽车引擎盖内板冲压工艺设计及数值分析2013 年第 3 期1表明根据最小的拉深深度为原则确定的冲压方向满 2xt + t = xt + x t + ( ) xt + xt + tt2( 2)足要求。x t + ( 1 ) x t + x t + ttx t + t =将式( 2) 代入式( 1) 可得: 1 ( Kt + t +2 M +C) xt + t = Qt + t +ttM 1 x +x + ( 1) x +11tttt2t2C x + ( 1) x 1) x + t(ttt 2图 1 引擎盖内板冲压方向及负角检测式中: 、 为 Newmark 法积分参数，其取不同的值代表不同的数值方案。从式( 2) 中 可 以 看 出，当采用静力隐式算 法 进 行 数值模拟时，在不考虑精度的要求下，t 时 间 步 长 不 受限制。所以在进行数值模拟时，通 过 调 整 计 算 时 间，可以在效率与精度之间达到一个较好的平 衡3。 所以求解一些受力、接触并不是特别复杂的问 题 时， 采用静力隐式算法是非常高效的。2 3工艺补充对汽车引擎盖内板要进行三部分拉深造型。1) 对汽车引擎盖内板进行内部工艺补充，其做法是将模型内部的孔洞进行补充，使模型成为一个没有内孔的零件，目的在于创造一个好的拉深成形环境。2) 对压 料 面 进 行 设 计，这是工艺补充的重要部 分，压料面直接影响着拉深件成形效果、拉 深 件 的 深 度均匀程度等。在这里采用水平压料面。原因如下: 一是水平压料面便于对阻力的控制，方便调整拉深成 形过程中的压料面阻力状态; 二是水平压料面可以使 成形的深度在各个部分保持一致，能使材料流动和塑 性变形均匀6。3) 进行 外 部 工 艺 补 充，目的是创造好的拉深条 件。在设计外部工艺补充部分时需注意，由于这部分 会在后续 工 序 中 被 切 除 掉，所以要尽量减小工艺补 充，提高材料的利用率和合理控制成本。引擎盖内板 拉深造型效果如图 2 所示。22 1引擎盖内板工艺性分析材料选取选取引 擎盖内板材料为 ST14 冷 轧 钢，料 厚 为1mm，材料的物理性能如表 1 所示。2 2冲压方向选 择 冲 压 方 向 主 要表 1 材料的物理性能有三种 方 法，即 平 均 化 的型面法 向、最 小 的 拉 深 深 度 和 最 大 的 拔 模 斜 度。 根据模 型 的 形 状，结 合 有 限元软 件 的 试 验 检 测，观 察出利用此三种 方 法 计物理量数值弹性模量 / GPa泊松比 屈服强度 / MPa 抗拉强度 / MPa 晶向综合指数 硬化指数2100 131723101 690 18算出的冲压方向差别非常小。最终选择 冲压方向依据的方法 是最小的拉深深 度法。根据模型的形状，找出一个成形深度最小的角 度作为冲压的方向，图 1 中箭头代表冲压方向。选择 最小的拉深深度作为冲压方向的目的是为了能够减 小材料流动，保证进料阻力的均匀。材料流动和变形 差减小，对冲压成形有利。在确定冲压 方 向 后，要检测其是否有负角部分。 检测负角的目的在于反映拔模斜度，在冲压工艺中不 允许拔模斜度小于 0，出现这种情况需要调整冲压角 度。设定负角的安全度数为 3，即当冲压方向与模型 型面的夹角大于 3时，满足工艺要求。经软件检验后图 2 引擎盖内板拉深造型2 4拉深筋设计设置拉深 筋的目的是为成形板 材提供足够的拉 力，并且在增加板料流动阻力、调节进料阻力的 分 布和降低对压料面精度等方面都有着重要的作用1。792013 年第 3 期现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)拉深筋是 调节控制压料面作用 力有效实用的方 法之一，通过改变拉深筋的参数可以很容易地控制压 料力，而压料力大小将直接影响模型的质量和拉深成 形的效果7，所以拉深筋的设计十分重要。为了能较 好地控制拉深筋的阻力，选取圆形筋种类中的单筋作 为拉深筋 类 型 参 数。拉深筋参数的合理取值是 控 制 金属流动、防止出现起皱和破裂的重要手段。在数值 模拟中，通过改变拉深筋圆角半径和拉深筋深度来调 节拉深件成形效果。内板成形效果的因素能有较为准确的反映。通过设计正交表，可以更清楚地表达正交试验的4设计方法。设计一个四因素四水平 L16 ( 4 ) 正交表，即压边 力、摩 擦 因 数、拉深筋圆角半径和拉深筋深 度 这 四个因子，每个因子有四个水平。在拉深工 序 中 选 择 压 力 为 6 000kN 的 单 动 压 力 机，则压边力为压力机压力的 25% 左右，所以选定压 边力四个水平值为: 2 0 106 N、1 6 106 N、1 3 106N、1 0 106 N。拉深筋断面形状为圆筋的圆角半径和 拉深筋深度 范 围 均 在 2 5 mm。所以选定拉深筋圆 角半 径和拉深筋深度的四 个 水 平 值 均 为: 5 mm、4 mm、3 mm、2 mm。 摩 擦 因 数 四 个 水 平 值 选 择 为 0 05 、0 08 、0 12 、0 15 。设 计 的 正 交表及数值模拟 结果如表 2 所示。一般认为冲压件增厚不超过 10% 或 减 薄 不 超 过30 % 为合格8。通过表 2 所示可知所有的 试 验 数 据 中最大增厚率均没有超过 10% ，表明没有起皱现象的 产生。所以这里就不对起皱做过 多 探 讨。主 要 研 究 各因素对破裂现象产生的影响。3数值模拟3 1 数值模拟试验设计由于正 交 试 验 的 设计方法具有下列两个性质:1) 水平均匀性，即选择的试验对每个因子和因子的每 个水平都是均匀分配的，它们能够全面地反映 试 验;2) 搭配均匀 性，在所有的试验中，每个因子的水平出 现的次数相同，而且任何两个因子的搭配也都以相同 的次数出现。因此，从各因子搭配上也能全面反映所 有试验8。所以选用正交试验法，对影响汽车引擎盖表 2 正交表及数值模拟结果压边力 106 / N拉深筋圆角半径 / mm拉深筋深度 /mm最小厚度 /mm最大厚度 /mm最大减薄率 / %最大增厚率 / %试验序号摩擦因数123456789101112131415162 02 02 02 01 61 61 61 61 31 31 31 31 01 01 01 0543254325432543223453254452354320 050 080 120 150 120 150 050 080 150 120 080 050 080 050 150 120 756 40 723 20 717 30 413 90 735 10 696 20 666 40 648 90 659 80 681 00 734 70 687 80 716 00 720 60 648 60 727 21 099 01 076 11 039 11 012 41 081 51 070 91 034 31 026 91 055 61 039 41 091 11 047 61 063 91 068 91 050 21 068 9 24 3 27 7 28 2 58 9 26 5 30 4 33 7 35 1 34 0 31 9 26 5 31 2 28 4 27 9 35 1 27 39 97 63 91 08 17 13 42 75 63 99 14 76 36 95 06 9最优组合。分析因素与试验指标间的关系，找出指标随因素变化规律和趋势，为进一步试验指明方向。对表 2 所示的数据进行处理，计算出压边力、摩擦 因数、拉深筋圆角半径和拉深筋深度相对应的四个水 平的试验结果之和的平均值，各因素与最小厚度的关 系曲线如图 3 所示，通过图 3 所示可知各平均值的大 小以及各因素变化对板料最小厚度的影响规律与趋 势，并以此来判断各因素优水平和优组合。利 用 图 33 2试验数据处理直观分析法计算简便、直观。其基本的思路就是 将每组数据中最大的值减去最小的值，得到的数值即 为极差。极差 越 大，表明数据波动 的 范 围 也 越 大，对 结果影响也越大。利用直观 分析法可以分清各因 素对试验结果影 响的主要因素和次要因素; 判断因素对试验指标影响 的显著程度; 找出试验因素的优水平和试验范围内的80刘靖，等: 汽车引擎盖内板冲压工艺设计及数值分析2013 年第 3 期图 4a 和图 4b 中所示两个数字表示最大减薄率和最大 增 厚 率，数字为正的表示最大增厚率，数 字 为 负 的表示最大减薄率。图 3 各因素与最小厚度的关系曲线所示计算出各因素最小厚度极差，判断因素的主次顺序，各因素最小厚度极差如表 3 所示。4结语利用有限元数值模拟技术，探讨了汽车引擎盖内表 3各因素最小厚度极差影响因素最小厚度极差 / mm压边力拉深筋圆角半径 拉深筋深度 摩擦因数0 042 40 089 30 079 90 102 6板成形过程中各参数对冲压成形质量的影响，可以得出以下结论。1) 由表 3 所示可知，影响拉深成形最小厚度因素 的主次顺序依次为: 摩擦因数拉深筋圆角半径拉深筋深度压边力。2) 由图 3 所示可知，压边力、拉深筋深度、摩擦因 数与最小厚度成反比关系，随着压边力的增大、拉 深 筋深 度 的 增 加、摩擦因数的增大，板料的最小厚 度 会 逐渐减小。而板料的最小厚度与拉深筋圆角半 径 成81经分 析最优参数组合 的 具 体 数 据: 压 边 力 为1 0 106 N，拉深筋圆角半径为 5mm，拉 深 筋 深 度 为2mm，摩擦因数为 0 12。利用最优工艺参数进行数值 模拟成形效果如图 4a 所示，成形极限图如图 5a 所示。选取表 2 试验 4 做对比，成形效果如图 4b 所示，成形 极限图如图 5b 所示。2013 年第 3 期现代制造工程( Modern Manufacturing Engineering)正比 关 系，随着拉深筋圆角半径的变大，板 料 的 最 小厚度会逐渐增大。3) 从防止拉深件破裂现象产生角度考虑，利用最 优参数组合得到的数值模拟结果: 最小厚度为0 751 8 mm、最大减薄率为 24 8% ，满足设计要求。与 试 验 4 做对比，试验 4 明显出现破裂现象，如图 4b 所示; 成形 极限图显示有相当多部分处于 红 色 破 裂 区，如 图 5b 所示。而选用最优参数组合的模拟结果成形效 果 较 好，如图 4a 和图 5a 所示。4) 通过调整 压 边 力 大 小、拉深筋圆角半径、拉 深 筋深度和摩擦因数这一系列的工艺参数，可以有效地 调整汽车覆盖件的成形效果，使其达到设计要求。4T de Souza，Rolfe B Multivariate modeling of variability insheet metal forming J Journal of Materials ProcessingTechnology，2008( 203) 李泷杲 金属板料成形有限元模拟基础M 北 京: 北 京 航空航天大学出版社，2008Xu Feng，Lin Zhongqin，Li Shuhui Study on the influencesof geometrical parameters on the formability of stretch curved flanging by numerical simulationJ Journal of Materials Processing Technology，2004( 145) 徐金波，董湘怀 板 料 形 状 压料筋设置对汽车覆盖件成 形起皱和未充分拉深的影 响J 塑 性 工 程 学 报，2003，13( 6) 陈吉清，王玉超，兰凤崇 基于正交试验的汽 车 覆 盖 件 冲 压工 艺 参 数 优 化J 计算机集成制造系 统，2007，13( 12) 5678参 考 文 献:1崔令江 汽车覆盖件冲压成形技术M 北京: 机 械 工 业出版社，2003陈文亮 材料成形 CAE 分析教程M 北京: 机械工业出 版社，2005刘细 芬，黄 华 艳 CAE 技术在汽车覆盖件模具设 计 中 的 研究与应用J 现代制造工程，2009( 10) 2作者 简 介: 刘 靖，硕 士 研 究 生，研 究 方 向: 汽 车 覆 盖 件 CAD / CAE / CAM技术。E-mail: 812821429 qq com收稿日期: 2012-06-083( 上接第 42 页)预先制作的报表模板生产数据报表如图 7 所 示，报表内容包括订单号、门 板 类 型、门 板 颜 色、门 板 长度、门板宽度 435 数量、门板宽度 485 数量和门板宽 度 535 数量。功能强大，方便实用，降低了操作人员的劳动强度，对提高生产线的生产效率有 着显著的作用和重要的 意义。参 考 文 献:1杨力，李月，恒于智 基于 WinCC V6 2 的 VB 脚本操作自定义 SQL 数据库J 工业控制计算机，2010 ( 9) : 7 8丛雪松 用 WinCC 脚 本 实 现 对 SQL _ Server 数 据 库 管 理J 装备制造技术，2012( 3) : 46 48高守传 精通 SQL 结构化查询语言详解M 北京: 人民 邮电出版社，2007孙长江，随顺科，周正 基于 WinCC 的工业加热炉监控系 统J 制造业自动化，2011，33( 8) : 30 32 苏秀丽，李媛，任俊杰 WinCC 脚本系统在传送带过程监 控中的应用J 工业控制计算机，2010，23( 7) : 75 772345图 7 生产数据报表4结语本系统经用户实际运行证明，不仅具有订单的自动导入、订单修改和查询功能，而且将数据导出到 Ex-cel 文件中，借 助 Excel 软件强大的报表编辑功能，可 生成满足现场工艺及用户要求的复杂报表。本 系 统82作者简介: 赵雪梅，副教授，硕士，研究方向: 智能控制与计算机应用。E-mail: zxmyhj 163 com收稿日期: 2012-10-25