羅江紅轻要，張艷彬
(新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,新疆烏魯木齊831401)
摘要：在某汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形工序中引入了刺破工藝】衙澹基于數(shù)值模擬結(jié)果冲泥，采用響應(yīng)面法對(duì)刺破刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了最優(yōu)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)為：刺破刀輪廓長(zhǎng)度100mm壁涎，寬度95mm凡恍，圓角半徑65mm，刺破刀距離車(chē)窗區(qū)域A左側(cè)壁和上側(cè)壁的距離分別為45粹庞、50mm咳焚。研究了刺破工藝對(duì)板料局部應(yīng)力的影響和零件拉延成形性的影響。結(jié)果表明：刺破工藝可以顯著降低板料易拉裂位置的局部應(yīng)力庞溜，還可以為零件刺破位置附近的易拉裂區(qū)域提供額外的板料流入量革半，從而降低其減薄率和拉裂風(fēng)險(xiǎn)。依據(jù)帶刺破工藝的拉延成形方案制造了該車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延模具并進(jìn)行了零件試生產(chǎn)流码，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果一致又官，得到了表面質(zhì)量好、無(wú)拉裂缺陷的汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板零件漫试。
關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén)內(nèi)板六敬；刺破工藝；結(jié)構(gòu)優(yōu)化驾荣；局部應(yīng)力釋放外构；成形性；
目前沖壓成形技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)覆蓋件生產(chǎn)播掷，在沖壓成形過(guò)程中审编，影響汽車(chē)覆蓋件質(zhì)量的主要缺陷有起皺、折疊歧匈、縮頸垒酬、破裂等[1-2]。對(duì)于該類問(wèn)題件炉，可基于數(shù)值模擬結(jié)果勘究，使用三維造型軟件對(duì)模具型面如凸凹、模圓角大小斟冕、拉延筋深度口糕、寬度等進(jìn)行修改和調(diào)整[3-4]，或基于正交試驗(yàn)磕蛇、響應(yīng)面法走净、BP網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)算法券时、多目標(biāo)粒子群算法等對(duì)成形工藝參數(shù)如虛擬拉延筋系數(shù)、壓邊力大小伏伯、潤(rùn)滑系數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化[5-6]橘洞，從而解決起皺、拉裂等缺陷说搅。然而炸枣，某些如四門(mén)兩蓋、地板等汽車(chē)的車(chē)身零件通常具有尺寸大弄唧、料薄适肠、型面結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，在零件中間區(qū)候引、復(fù)雜型面區(qū)以及高筋側(cè)壁等位置侯养，板料流入量有限，易出現(xiàn)板料局部應(yīng)力集中澄干、板料減薄率高逛揩、局部拉裂等情況[7-8]。在零件型面相對(duì)確定的情況下麸俘，僅通過(guò)修改模具型面或優(yōu)化工藝參數(shù)等方法辩稽，難以完全解決該問(wèn)題。因此从媚，本文以某汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板為研究對(duì)象逞泄，設(shè)計(jì)并建立了該零件的有限元模型，通過(guò)在拉延成形工序中增加刺破工藝[9]拜效，并采用中心復(fù)合試驗(yàn)和響應(yīng)面法對(duì)刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化喷众，研究了刺破工藝對(duì)該車(chē)門(mén)內(nèi)板易開(kāi)裂位置的局部應(yīng)力和拉延成形性的影響；最后通過(guò)數(shù)值模擬和生產(chǎn)試制紧憾，驗(yàn)證了該局部應(yīng)力釋放的方法可以有效解決車(chē)門(mén)內(nèi)板高筋側(cè)壁處出現(xiàn)的拉裂缺陷到千。
1工藝分析及有限元模型
1.1 車(chē)門(mén)內(nèi)板工藝分析
本文研究對(duì)象為某汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板，其三維模型如圖1所示稻励。該零件尺寸為1330mm×900mm父阻，屬于大型汽車(chē)車(chē)身覆蓋件愈涩；區(qū)域A屬大平面切邊區(qū)域望抽，在拉延成形工序中，該區(qū)域的成形性可不做考慮履婉；車(chē)窗區(qū)域A上下邊界處存在高筋區(qū)煤篙，區(qū)域A上下側(cè)壁高度約為25mm，可能存在拉裂風(fēng)險(xiǎn)毁腿；區(qū)域B屬車(chē)門(mén)內(nèi)板功能結(jié)構(gòu)區(qū)辑奈，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜苛茂，型面變化較多，導(dǎo)致該區(qū)域板料流動(dòng)困難鸠窗，成形過(guò)程易出現(xiàn)板料過(guò)度減薄妓羊、拉裂等缺陷。此外稍计，區(qū)域A與B之間存在一條長(zhǎng)且細(xì)的高筋區(qū)躁绸，由于該高筋區(qū)位于零件中心部位，左側(cè)為型面復(fù)雜的區(qū)域B臣嚣，且頂部端面與右側(cè)區(qū)域A的高度差約為35mm净刮，故在成形該高筋區(qū)的過(guò)程中，板料流動(dòng)阻力大硅则，板料流入量非常有限淹父，在不斷的拉延過(guò)程中，區(qū)域A上下和左側(cè)側(cè)壁以及圓角部位發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)較高怎虫。因此暑认，解決該零件區(qū)域A上下和左側(cè)側(cè)壁以及圓角區(qū)域的開(kāi)裂問(wèn)題是該車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延工序的關(guān)鍵。
1.2 拉延成形方案設(shè)計(jì)
使用三維造型軟件和Autoform設(shè)計(jì)并建立拉延成形方案1揪垄，即在拉延成形過(guò)程中使用常見(jiàn)的“上模-壓邊圈-下模”拉延成形方案穷吮，其有限元模型如圖2所示。零件材料為超深沖用DC-06鋼饥努，板料尺寸為1600mm×1100mm捡鱼，料厚0.7mm；根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)酷愧，采用油潤(rùn)滑驾诈，選擇摩擦系數(shù)為0.15，沖壓速度50mm/s溶浴；使用中心復(fù)合試驗(yàn)和響應(yīng)面法乍迄，獲得最優(yōu)壓邊力為427kN，取整為430kN士败。圖3為方案1的車(chē)門(mén)內(nèi)板零件減薄率云圖和成形性云圖闯两。模擬結(jié)果顯示，在區(qū)域A上側(cè)和左側(cè)側(cè)壁出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)度減薄現(xiàn)象谅将，拉裂風(fēng)險(xiǎn)較高漾狼，且在上述區(qū)域位置零件的減薄率均超過(guò)25%。該位置出現(xiàn)拉裂缺陷的原因是因?yàn)樵撥?chē)門(mén)內(nèi)板尺寸大饥臂、型面復(fù)雜逊躁，加之區(qū)域A上側(cè)的側(cè)壁垂直高度達(dá)25mm，左側(cè)側(cè)壁垂直高度達(dá)35mm隅熙，導(dǎo)致該處板料流動(dòng)困難稽煤，板料在拉延過(guò)程中減薄嚴(yán)重核芽，故而出現(xiàn)拉裂的缺陷。即使在對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后酵熙，零件區(qū)域A上下側(cè)壁和左側(cè)側(cè)壁依然存在較高的拉裂風(fēng)險(xiǎn)轧简。
為了解決該車(chē)門(mén)內(nèi)板拉裂缺陷，在方案1的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了方案2匾二，即增加了刺破工藝：在下模增加一組刺破刀吉懊，由于零件區(qū)域A在后續(xù)工序中會(huì)被切除，故在該位置增加刺破刀不會(huì)影響零件最終的成形質(zhì)量假勿。圖4為刺破工藝示意圖借嗽。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法
本文針對(duì)方案2的刺破工藝，研究了刺破工藝刀具位置和形狀對(duì)車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形性的影響转培。以刺破刀輪廓長(zhǎng)度H1恶导、寬度H2和圓角R以及刺破刀距離車(chē)窗區(qū)域A左側(cè)壁的距離X1、上側(cè)壁距離X2作為優(yōu)化因素浸须，如圖5所示惨寿。并在試驗(yàn)初期基于單因素變化的數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果確定了如表1所示的優(yōu)化因素取值水平。
為了消除車(chē)門(mén)窗區(qū)域A上下和左側(cè)側(cè)壁存在的拉裂缺陷删窒，以零件成形結(jié)束瞬時(shí)狀態(tài)下的最大減函數(shù)Y1（式（1））和區(qū)域A上下和左側(cè)側(cè)壁以及圓角區(qū)域內(nèi)的局部最大等效應(yīng)力Y2（式（2））作為評(píng)價(jià)零件開(kāi)裂的目標(biāo)函數(shù)裂垦。
式中：t0為板料初始厚度；tmin為拉延成形結(jié)束后板料的最小厚度肌索；σ1為板料單元格節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力蕉拢。
確定評(píng)價(jià)函數(shù)后，利用Design-Expert軟件以刺破刀的長(zhǎng)度H1诚亚、寬度H2和刺破刀圓角R以及刺破刀距離車(chē)窗區(qū)域A左側(cè)壁距離X1晕换、上側(cè)壁距離X2作為變量因素，以零件最大減薄函數(shù)Y1和區(qū)域A上下側(cè)壁及圓角區(qū)域的最大等效應(yīng)力Y2為響應(yīng)函數(shù)站宗，設(shè)計(jì)中心復(fù)合試驗(yàn)并通過(guò)數(shù)值模擬的方法獲得試驗(yàn)結(jié)果闸准，如表2所示。
根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果與5個(gè)優(yōu)化因素之間的關(guān)系梢灭，建立二階多項(xiàng)式夷家，得到試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)函數(shù)之間的關(guān)系為：
為了檢驗(yàn)所建模型的可靠性，對(duì)其進(jìn)行方差分析敏释，分析結(jié)果如表3所示库快。從表中可以看出，兩個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)最大減薄函數(shù)Y1和最大等效應(yīng)力Y2的響應(yīng)模型“P>F”概率均小于0.0001颂暇，結(jié)果顯著缺谴；此外但惶，兩個(gè)響應(yīng)模型的決定系數(shù)和修正系數(shù)均大于0.8耳鸯，二者差值小于0.15湿蛔；綜上結(jié)果可以判斷，所建立的響應(yīng)模型具有較高的可靠性县爬， 能夠較好的反映優(yōu)化因素與評(píng)價(jià)函數(shù)之間的關(guān)系阳啥，預(yù)測(cè)精度較高。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 多目標(biāo)優(yōu)化與驗(yàn)證
基于已建立的最大減薄函數(shù)Y1與最大等效應(yīng)力Y2響應(yīng)模型财喳，對(duì)刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化察迟。為避免零件車(chē)窗區(qū)域A上下側(cè)壁和左側(cè)側(cè)壁以及圓角區(qū)域出現(xiàn)開(kāi)裂，要求最大減薄率小于25%耳高，即Y1<25%扎瓶；同時(shí)要求最大等效應(yīng)力Y2取得最小值∶谇梗基于上述優(yōu)化目標(biāo)概荷，對(duì)相應(yīng)函數(shù)進(jìn)行求解，獲得刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)（取整）為：H1=100mm碌燕，H2=95mm误证，R=65mm，X1=45mm修壕，X2=50mm愈捅，此時(shí)預(yù)測(cè)最大減薄函Y1=21.4%，最大等效應(yīng)力Y2=295.5MPa慈鸠。
利用Autoform軟件蓝谨，以優(yōu)化后的刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證青团。圖6為優(yōu)化后該車(chē)門(mén)零件減薄率云圖和等效應(yīng)力分布云圖像棘。從圖可以看出，零件最大減薄率為23.1%壶冒，小于25%缕题，與響應(yīng)模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為7.94%，零件開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)低胖腾；最大主等效應(yīng)力為308.4MPa烟零，與響應(yīng)模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差4.37%，零件危險(xiǎn)位置卸載前的等效應(yīng)力得到了有效降低咸作。圖7為刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化后锨阿，該車(chē)門(mén)內(nèi)板零件的成形性圖。從圖中可以看到记罚，零件區(qū)域A上下側(cè)壁和左側(cè)側(cè)壁以及圓角處的成形性為安全墅诡，零件其它有效型面區(qū)域的成形性同樣為安全，不存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)桐智。由此可推斷末早，其一烟馅，通過(guò)在車(chē)門(mén)內(nèi)板車(chē)窗區(qū)域A內(nèi)加入刺破工藝，并對(duì)刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化然磷，可以有效解決區(qū)域A上下側(cè)壁和左側(cè)側(cè)壁以及圓角處的開(kāi)裂問(wèn)題郑趁；其二，由數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了基于中心復(fù)合試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化方法的可靠性和有效性姿搜。
2.2 刺破工藝對(duì)零件局部應(yīng)力的影響
為了驗(yàn)證刺破工藝對(duì)零件易拉裂位置的局部應(yīng)力的影響寡润，在零件易開(kāi)裂區(qū)域取點(diǎn)1~10號(hào)（圖 8），其中1~4舅柜、7~10為等距點(diǎn)梭纹，4~7為等距點(diǎn)，且距離為其它距離的2倍致份。對(duì)比取點(diǎn)位置在無(wú)刺破工藝條 件下零件成形結(jié)束瞬時(shí)的等效應(yīng)力和有刺破工藝條件下零件成形結(jié)束瞬時(shí)的等效應(yīng)力以及有刺破工藝條件下零件卸載后的等效應(yīng)力栗柒，結(jié)果如圖 9 所示。由圖可知知举，增加了刺破后瞬沦，在零件拉延成形結(jié)束瞬時(shí)，零件1~10號(hào)危險(xiǎn)位置的等效應(yīng)力由無(wú)刺破時(shí)的325.1~414.8 MPa下降至有刺破時(shí)的265.4~308.4MPa雇锡，1~10位置的局部等效應(yīng)力降低了5.1%~28.1%逛钻。其中，2號(hào)位置和9號(hào)位置的等效應(yīng)力降低最少锰提，這是因?yàn)榘辶洗唐坪螅?號(hào)和9號(hào)位置正好處于刺破區(qū)的圓角部位曙痘，板料需要上側(cè)側(cè)壁和左側(cè)側(cè)壁流動(dòng)，使得該處減薄率較高立肘，同時(shí)該圓角又處于板料應(yīng)力釋放的一個(gè)盲區(qū)边坤，故板料成形結(jié)束瞬時(shí)的等效應(yīng)力較其它位置偏高。另外谅年，零件1茧痒、3、8融蹂、10號(hào)位置旺订，板料的等效應(yīng)力降低最大。這是因?yàn)樵撎幬挥诹慵唐浦醒胛恢贸迹蕬?yīng)力釋放效果最明顯区拳。 卸載后，零件1~10號(hào)危險(xiǎn)位置的等效應(yīng)力由拉延成形結(jié)束瞬時(shí)的265.4~308.4MPa降低到了卸載后的 13.2~72.8MPa意乓，其中1樱调、4、8、10位置殘余應(yīng)力較高笆凌，這是因?yàn)樵撎幪幱诹慵唐浦醒胛恢檬チ裕唐坪螅撐恢玫膽?yīng)力的得到釋放菩颖，減薄率降低，但也導(dǎo)致該位置板料塑性變形量減少或塑性變形不充分为障，故卸載后殘余應(yīng)力較大晦闰。但綜合零件拉裂位置的等效應(yīng)力變化結(jié)果可以清楚地看到，刺破工藝可有效降低板料易開(kāi)裂位置的等效應(yīng)力鳍怨。
表4為在刺破條件下零件拉延成形結(jié)束瞬時(shí)呻右，零件刺破邊緣a~j號(hào)位置（圖10）的板料流入量。從表中可以看到鞋喇，方案2帶刺破工藝的板料成形結(jié)束瞬時(shí)声滥，零件區(qū)域A上側(cè)壁板料流入量增量較小，平均為1.43mm侦香；左側(cè)壁的板料流入量增量較大落塑，平均為5.9mm。這是因?yàn)榱慵植看唐坪蠊藓唐莆恢冒辶嫌稍瓉?lái)的受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎邢蘖鲃?dòng)的狀態(tài)憾赁，使得刺破邊緣的板料可向區(qū)域A上側(cè)和左側(cè)側(cè)壁流動(dòng)，為其提供額外的板料流入量散吵。
綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以看到龙考，在該車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形過(guò)程中，通過(guò)引入刺破工藝并對(duì)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化矾睦，將區(qū)域A內(nèi)的板料刺破晦款，一方面使得零件危險(xiǎn)區(qū)域板料所受應(yīng)力得到釋放，卸載后零件最大等效應(yīng)力小于75MPa枚冗；另一方面使得模具對(duì)刺破位置板料的約束力減小缓溅，為區(qū)域A上側(cè)和左側(cè)側(cè)壁提供了額外的板料流入量，有效降低了該位置的板料減薄率和拉裂風(fēng)險(xiǎn)赁温。
3生產(chǎn)驗(yàn)證
根據(jù)方案2設(shè)計(jì)肛宋，在該車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形模具下模安裝了刺破刀，如圖11所示束世。并進(jìn)行了試模生產(chǎn)酝陈，得到的試模零件如圖12所示。從圖12可以看到毁涉，刺破刀對(duì)應(yīng)位置的零件已被刺破沉帮，零件區(qū)域A上側(cè)和左側(cè)側(cè)壁處無(wú)拉裂缺陷。該試模結(jié)果證明，通過(guò)刺破工藝穆壕，可以釋放零件易拉裂位置的局部應(yīng)力待牵，同時(shí)還可以為零件易拉裂處提供額外的板料流入量，從而降低零件局部位置的減薄率并消除零件的拉裂缺陷喇勋。
4結(jié)論
（1）針對(duì)某汽車(chē)車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形時(shí)易出現(xiàn)拉裂缺陷的問(wèn)題缨该，設(shè)計(jì)了帶刺破工藝的拉延成形方案，通過(guò)響應(yīng)面法和數(shù)值模擬結(jié)合的方法川背，獲得最優(yōu)刺破工藝刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)H1=100mm贰拿，H2=95mm，R=65mm熄云，X1=45mm膨更，X2=50mm，并成功消除了零件的拉裂缺陷缴允，證明了評(píng)價(jià)函數(shù)的有效性和響應(yīng)模型的可靠性以及該優(yōu)化方法的可行性荚守。
（2）通過(guò)數(shù)值模擬分析了某車(chē)門(mén)內(nèi)板拉延成形過(guò)程中成形板料易拉裂位置的局部應(yīng)力變化，結(jié)果表明：刺破工藝不僅可有效降低成形板料易拉裂位置的應(yīng)力练般，同時(shí)還可以提高刺破位置板料的流動(dòng)性矗漾，為刺破位置附近易拉裂處提供額外的板料流入量，從而降低成形零件的減薄率和拉裂風(fēng)險(xiǎn)薄料。
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