一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明旨在提供涉及一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，屬于鋁板沖壓技術領 域。
【背景技術】
[0002] 目前，汽車工業正面臨越來越嚴峻的安全、能源和環保問題。研宄表明，約75%的 油耗與整車質量有關，降低汽車質量就可有效降低油耗以及排放。大量研宄表明，汽車質量 每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。因此，油耗的下降，意味著C02、氮氧化物（NOx) 等有害氣體排放量的下降。汽車車身、底盤（含懸掛系統）、發動機三大件約占轎車總重量 的65%以上，其中車身外、內覆蓋件的重量又居首位，因此減少汽車車身重量對降低發動 機的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應，是汽車輕量化的重要途徑，實現輕質車身，最 主要就是大量應用使車身輕量化的材料，同時進行車身輕量化的結構優化設計和制造。在 眾多輕質合金材料中，鋁合金材料因密度小、強度高、耐腐蝕等優點受到各大汽車廠商的青 睞。
[0003] 盡管鋁合金具有以上眾多優點，但仍存在一些不足，主要表現在：①成形性仍需繼 續改善。錯合金板料沖壓成形時材料流動性能不好，更容易出現開裂、起皺等缺陷，特別是 形狀比較復雜的零件。②材料性能變動大。室溫下，固溶淬火后的合金，在脫溶過程中，其 力學性能、化學性能等隨著時間發生變化，這種現象稱為自然時效。鋁合金由于存在時效硬 化現象，其材料參數會隨著存放時間而發生變動。
[0004] 針對鋁合金板料沖壓成形中的難題，國內外學術界、工業界進行了大量的研宄工 作，并取得了一些有價值的成果。ChristianLeppin等通過大量的實驗，建立了錯合金板材 在沖壓過程中產生的頸縮、破裂、剪切斷裂等失效現象的模型和評價標準，并用有限元方法 進行了驗證，對鋁合金板材在沖壓過程中的成形極限預測具有指導意義；0.S.Orlov等通 過了實驗分析，建立了鋁合金微觀組織結構的相場模型，從而對變形過程中各種失效現象 的產生和發展提供預測。T.Altan教授對2000系列和6000系列鋁合金拉深成形工藝進行 了研宄，對拉深間隙、凸模圓角半徑、凹模圓角半徑、工藝補充面等參數的選取提出了相關 建議；孫成智等通過數值模擬和實驗，研宄了變壓邊力對鋁合金板成形過程中應變路徑的 變化規律，提出了改善鋁合金板沖壓性能的變壓邊力方法；安治國等采用有限元數值模擬 帶法蘭圓筒形件拉伸過程，分析了工藝參數對AA5754鋁鎂合金板料成形性能的影響。
[0005] 這些研宄成果對于揭示鋁合金板料沖壓成形規律，改善鋁合金板料沖壓工藝有很 好的指導意義，但是很少涉及鋁板沖壓工藝的穩健性問題。然而，鋁合金板在鋁廠的最后一 道工序是固溶處理，此后不可避免的要經過一定時間的室溫停留（如運輸、庫存等）并產生 自然時效之后，才能進入生產車間進行沖壓成形，其材料參數會隨著存放時間而發生變動， 導致沖壓成形不穩定，合格率低。目前，針對鋁板沖壓工藝的穩健性問題，還沒有一套成熟 的沖壓工藝優化方法來削弱時效硬化造成的鋁板材料參數變動對其成形性能的影響。

【發明內容】

[0006] 本發明針對實際生產中鋁板沖壓成形不穩定問題，提出一種鋁板沖壓工藝的穩健 性優化方法。
[0007] 本發明一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，包括下述步驟：
[0008] 步驟一
[0009] 根據零件的沖壓成形方式，按照沖壓工藝行業標準，設定初試沖壓工藝參數，并以 此參數為條件建立沖壓工藝數型；
[0010] 零件的沖壓成形方式是根據零件特征來確定，如直接壓型、拉延、左右合模等，按 照沖壓工藝行業標準，初試沖壓工藝參數結合零件曲面特征來設置，如凸模圓角、凹模圓 角、側壁角度、壓邊力、摩擦系數、拉延筋類型和參數等，并以此為依據建立零件沖壓工藝數 型；
[0011] 步驟二
[0012] 根據步驟一的沖壓工藝數型，用有限元方法建立凸模、凹模、壓邊圈、板材的網格 模型，輸入鋁板材料參數，進行沖壓仿真模擬；
[0013] 沖壓仿真模擬時，先定義沖壓過程中接觸處理、板材的硬化規律和屈服準則后， 再輸入鋁板的材料參數和步驟一中設定的壓邊力、摩擦系數，進行沖壓仿真模擬；所述凸 模、凹模、壓邊圈和板材的網格模型所用網格單元為全積分殼單元，單元厚向積分點個數取 為5 ;所述鋁板沖壓過程中接觸處理問題主要有接觸搜索和接觸力計算兩個方面，接觸搜 索算法為主從面法，接觸力計算方法為罰函數法或拉格朗日乘子法；所述板材的硬化規律 一般采用硬化曲線區域的函數來描述，本發明采用Hockett-Sherby函數，板材的屈服準則 為Barlat-89 模型；
[0014] 步驟三
[0015] 將步驟二得到的數值模擬結果導入成形極限圖，選擇模擬結果處于成形極限圖安 全區所對應的沖壓工藝參數數值，作為基礎沖壓工藝參數數值；
[0016] 采用成形極限圖（FLD)評判鋁板沖壓仿真模擬結果時，選擇模擬結果處于成形極 限圖安全區所對應的凸模圓角、凹模圓角、側壁角度、壓邊力、摩擦力系數等沖壓工藝參數 數值，作為基礎沖壓工藝參數數值；
[0017] 步驟四
[0018] 以沖壓工藝參數作為影響沖壓質量的控制因子，以鋁板材料參數作為影響沖壓質 量的噪聲因子；
[0019] 根據控制因子的數目和水平以及噪聲因子的數目和水平，選擇正交表；
[0020] 控制因子列于內表，噪聲因子列于外表，外表旋轉了九十度放置，來安排試驗表 格，內表的每一行控制因子對應外表的每一列噪聲因子（見附圖1)，在步驟二建立的有限 元網格模型中進行沖壓仿真模擬；得到成形后鋁板的網格節點的主應變或、次應變e|，按式 (1)、式（2)分別計算模擬鋁板破裂評價指標R、起皺評價指標W:
【主權項】
1. 一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟一 根據零件的沖壓成形方式，按照沖壓工藝行業標準，設定初試沖壓工藝參數，并以此參 數為條件建立沖壓工藝數型； 步驟二 根據步驟一的沖壓工藝數型，用有限元方法建立凸模、凹模、壓邊圈、板材的網格模型， 輸入鋁板材料參數，進行沖壓仿真模擬； 步驟三 將步驟二得到的數值模擬結果導入成形極限圖，選擇模擬結果處于成形極限圖安全區 所對應的沖壓工藝參數數值，作為基礎沖壓工藝參數數值； 步驟四 以沖壓工藝參數作為影響沖壓質量的控制因子，以鋁板材料參數作為影響沖壓質量的 噪聲因子； 根據控制因子的數目和水平以及噪聲因子的數目和水平，選擇正交表； 控制因子列于內表，噪聲因子列于外表，內表的每一行控制因子對應外表的每一列噪 聲因子，在步驟二建立的有限元網格模型中進行沖壓仿真模擬，得到成形后鋁板的網格節 點的主應變4、次應變4，按式（1)、式（2)分別計算模擬鋁板破裂評價指標R、起皺評價指 標W :
式⑴、⑵中表示節點數，與表示第i個節點的主應變，<表示第i個節點的次應 變，A表示第i個節點距離破裂安全裕度線的距離，列〇表示第i個節點處于破裂臨界時 的主應變，>7(〇表示第i個節點處于起皺臨界時的主應變，Wi表示第i個節點距離起皺安 全裕度線的距離； 步驟五 定義每次模擬實驗的質量評價指標為Fj，按式（3)計算Fj值， Fj= AR+(1-A)W (3) 式中：λ為常數，取值0.7 ; 步驟六 按式⑷計算信噪比（SN):
(4) 式中A為第j次模擬實驗計算得到的質量指標數值，k為模擬次數； 步驟七 選擇步驟六所得信噪比（SN)值最高時所對應的一組控制因子數據，作為最佳沖壓工 藝參數數值。
2. 根據權利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于：所述初 試沖壓工藝參數、基礎沖壓工藝參數、最佳沖壓工藝參數是指沖壓模具的凸模圓角（R p)、凹 模圓角（Rd)、側壁角度（α )、壓邊力（P)、摩擦力系數（μ )。
3. 根據權利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于：步驟二 中，所述凸模、凹模、壓邊圈和板材的網格模型所用單元為膜單元、殼單元、實體單元中的一 種。
4. 根據權利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于：步驟二 中，仿真模擬時： 接觸處理的接觸搜索采用主從面法， 接觸力計算采用拉格朗日乘子法， 板材硬化規律采用Hockett-Sherby函數， 板材屈服準則采用Barlat-89模型。
5. 根據權利要求1-4任意一項所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在 于：步驟二中，所述的鋁板材料參數是指鋁板的屈服強度（σ J、抗拉強度（〇b)、硬化指數 (η)、平均厚向異性系數（f)。
6. 根據權利要求5所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于：步驟四 中，控制因子的數目至少為3個，具體是凸模圓角（R p)、凹模圓角（Rd)、側壁角度（α)、壓邊 力（P)、摩擦力系數（μ)中的至少3個； 噪聲因子的數目至少為2個，具體是指鋁板的屈服強度（σ J、抗拉強度（〇b)、硬化指 數（η)、平均厚向異性系數（f)中的至少2個。
7. 根據權利要求6所述的一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，其特征在于：控制因 子的水平，是在基礎沖壓工藝參數數值的±30%范圍內選擇至少3組數值； 噪聲因子的水平，是以鋁板規定使用期內的材料參數數值變動范圍內選擇至少2組數 值。
【專利摘要】本發明涉及一種鋁板沖壓工藝的穩健性優化方法，屬于鋁板沖壓技術領域。本發明包括下述步驟：(1)設定初試沖壓工藝參數，并以此參數為條件建立零件沖壓工藝數型；(2)建立沖壓工藝數型的有限元模型，進行沖壓仿真模擬；(3)選擇模擬結果處于安全區所對應的沖壓工藝參數數值，作為基礎沖壓工藝參數數值；(4)以沖壓工藝參數作為影響沖壓質量的控制因子，以鋁板材料參數作為影響沖壓質量的噪聲因子，并安排試驗表格；(5)定義每次模擬實驗的質量評價指標；(6)計算信噪比(SN)；(7)選擇信噪比(SN)值最高時所對應的一組控制因子數值，作為最佳沖壓工藝參數數值。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104765912
【申請號】CN201510133549
【發明人】謝暉, 王詩恩, 劉翔, 褚衛東, 張文彥, 王東福
【申請人】湖南大學, 上海拖拉機內燃機有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請日】2015年3月25日