基于Dynaform的冲压成形工艺因素影响分析

梅云松

摘 要：文章结合生产中的实际需要，利用Dynaform 软件对某汽车横梁的冲压成形过程进行了数值模拟分析。根据成形零件的质量评价指标，分析压边力、冲压速度、摩擦系数和拉延筋参数变化对冲压件质量产生的影响。在分析过程中较多参数影响导致结果不好，验证开发周期。利用MDO（multidisciplinary design optimization）技术对零件在冲压成形过程中遇到的质量问题，为冲压件工艺设计、模具设计提供设计方案，可以达到有效缩短模具设计及生产调试周期的目的。

关键词：冲压成形 数值模拟 工艺因素 影响程度分析 Dynaform MDO优化

0 引言

由于板料冲压成形具有生产效率高、加工成本低、产品尺寸精度稳定等优点，被广泛应用于汽车制造领域[1]。但板料冲压成形是一个材料非线 性、接触摩擦边界非线性和几何非线性的大变形、 大位移、大转动的弹塑性力学过程，其成形过程中 会产生拉裂、起皱、回弹等缺陷。随着计算机技术的发展， 基于有限元理论对板料冲压成形过程进行数值模拟，预测其在成形加工中可能遇到的质 量问题，代替实际试模，为冲压件工艺设计、模具设 计提供可靠的理论依据和合理的工艺参数，已成为当前冲压工艺设计、模具设计中的一种重要手段[2]因此本文结合生产中的实际需要，利用 Dynaform 软件再加上MDO技术对某汽车横梁冲压成形过程进行数值模拟，利用DOE样本生成响应面，通过响应面优化能够快速找出最优冲压工艺参数。

1 有限元模型的建立

本文根据整车厂提出的某汽车横梁三维数模技术要求，结合企业冲压工序，先在UG 软件中对原数模进行工艺补充，建立满足数值模拟要求、与冲压成形生产工序相吻合的零件三维模型。然后导入Dynaform 分析软件，利用自适应网格技术采用四边形对模型进行网格划分，完成网格检查修补。并通过复制命令，得到凸模和凹模三维模型，依据实际冲压情况调整冲压方向，设置毛坯板料、压边圈及模具间隙，完成定位，得到冲压成形数值模拟的有限元模型如图1所示。

2 冲压成形影响因素

2.1 压边力因素

压边力是指作用在压边圈上的压力，在板料成形过程中，通过压边圈产生的摩擦力来增加板料中的拉应力，控制材料的流动，保证成形顺利进行。压边力的大小与起皱和破裂有着十分紧密的联系。压边力过小将无法有效控制材料的流动 板料容易起皱。而压边力过大则会引起零件厚薄不均匀，甚至破裂出现废品。因此，板料冲压成形 中选择一个合理的压边力有着重要的意义。

确定板料冲压成形过程中的压边力，一般可以按照以下公式估算：

（1）

式中—压边力（N）

—压边圈与板料的接触面积（mm2）

—单位面积上的压边力（MPa）

对于厚度大于0.5mm的钢板，q值一般在2至2.5MPa之间。由公式（1），估算得到汽车横梁冲压成形时对压边圈施加的压边力约为60KN。在DYNAFORM中，接触类型选择FPRM-ING_ONE_WAY_S_S，静摩擦系数取0.125，冲压速度为2000mm/s，凸凹模的间隙取1.1t（t为板料的厚度），下模固定不动。分别取压边力为40KN、50KN、60KN、70KN四种方案进行数值模拟分析，图2为压边力是60KN时数值模拟的成形极限图。

从图2可以看出，成形后零件没有出现破裂，但在零件的边缘位置有起皱现象，这说明在此位置材料流动不充分，造成局部的增厚，需要进行工艺改进。而零件的最大厚度和最小厚度均出现在废料区，对零件最终质量没有影响。

2.2 冲压速度因素

在不同的冲压速度下，板料的变形速度不同， 这将影响到材料的成形极限，并表现出不同的加工硬化特性。此外，冲压速度的变化还会使模具和板料摩擦状态发生变化，呈现不同的冲压性能。图3为冲压速度为2000mm/s时的厚度变化。

随着冲压速度的增加，零件成形后的平均厚度逐渐变大，平均偏差在速度较小时数值较大，速度较大时数值减少。这表明在冲压速度较大时，零件成形后的均匀性较好。因此在实际生产中，在满足减薄率和增厚率要求的前提下，根据冲压设备的实际情况，可选择冲压速度较大的工艺方案，提高成形后板料厚度的均匀性。

2.3 拉延筋因素

拉延筋是冲压成形的重要控制手段之一，尤其在大型复杂冲压件的成形中有着举足轻重的地位。拉延筋设置是否合理，不仅关系到冲压件成形质量的好坏，而且影响整个冲压成形的成败。对于此零件，在上下两侧分别布置两道拉延筋，布置方式如图4所示。

3 MDO优化

3.1 DOE样本抽样

采样方法是拉丁超立方采样法（LHS）。在统计学中，LHS用于承受多维分布规则约束下的类随机参数中创建一组数值。该方法由Michael McKay等提出[3]。其主要思想是，在一个正方形网格中确定样本值，而样本的位置是拉丁方框。拉丁方框是一组排列在方框中的数字，方框内的每一行或每一列都不包含两个两次的数字。图5画出了拉丁方框的概念示意图。

拉丁方框的思想可以推广到高维问题。在统计学中，LHS由于它的正交性而成为一种有效的采样方法。正交采样能很好反应出相关随机变量的真实变化。然而，LHS是一种选择合适样本的纯统计学方法，它没有考虑相关模型物理特性。

本次冲压成型主要有三大主要影响因素：压边力、冲压速度、方筋高度。若每个参数有5个变量以上将会产生125种不同组合，若更多变量将会出现更多不同组合，其计算量较大，研发时间周期较长。本次采用拉丁超立方进行均匀选取，可把样本数将至最低30个样本。图6和图7为冲压成型样本群。

3.2 响应面方法

利用响应面法构造近似模型，需要在给定输入的基础上进行一系列所谓的试验设计（DOEs）。这些输入需要满足一定的标准，例如用来定义设计范围的上下限。为了获得最优响应，需要考虑一种可靠的响应面法。文献中已完善了几种响应面法，例如Gaussian process[4]，Kriging[5]，Radial basis functions[6]，Moving least square[7-8]，等等。一般意义上，响应面法是相关物理量的函数的近似方法。近似的数学形式通常可如下表示为：

（2）

其中u^h （x）是利用响应面法重构的近似函数，x对于某些随机特性可以是确定的或者随机的输入值，Ψ_I（x）是响应面法的基函数，CI是待定的广义系数，N是基函数的个数。

3.3 优化结果

经过优化后，该零件最终工艺参数取值压边力为60KN，冲压速度为2000mm/s，静摩擦系数为0.125，筋高0.3mm，采用图8所示拉延筋布置方式，与实际生产情况相比，一致性较好。

4 结论

冲压成形后零件的减薄率、增厚率、应力和应变分布都是表征成形质量的重要指标，在零件有效区内这些指标的最大值需要重点关注，而冲压成形后板料的均匀程度可以通过数据处理采用平均厚度和平均偏差来表征[9]。

本文以某汽车横梁冲压件为例，研究了压边力、冲压速度、静摩擦系数以及拉延筋对零件冲压成形质量的影响，分析其变化趋势，结合生产实际情况，确定了该零件的最终工艺参数。数值模拟结果与实际生产情况相比，一致性较好。

利用MDO技术和冲压成形的仿真分析可以研究多因素对冲压质量的影响程度，替代实际生产中反复试模及工艺参数调整工作，达到对冲压工艺制定的预见性和科学性，提高模具设计的准确性和可靠性，有效缩短模具设计及制造调试周期的目的，对实际生产具有一定的指导意义。

参考文献：

[1]余雷，袁国定，岳陆游.有限元数值模拟在汽车覆盖件设计和制造中的应用[J].锻压技术，2002.

[2]李晓星.板材成型模拟的研究和应用[J].金属成型工艺，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]林忠钦，李淑惠.车身覆盖件冲压成型仿真[Z].