一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明旨在提供涉及一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，屬于鋁板沖壓技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，汽車工業(yè)正面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的安全、能源和環(huán)保問題。研宄表明，約75%的 油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量就可有效降低油耗以及排放。大量研宄表明，汽車質(zhì)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(tǒng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)三大件約占轎車總重量 的65%以上，其中車身外、內(nèi)覆蓋件的重量又居首位，因此減少汽車車身重量對(duì)降低發(fā)動(dòng) 機(jī)的功耗和減少汽車總重量具有雙重的效應(yīng)，是汽車輕量化的重要途徑，實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)車身，最 主要就是大量應(yīng)用使車身輕量化的材料，同時(shí)進(jìn)行車身輕量化的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造。在 眾多輕質(zhì)合金材料中，鋁合金材料因密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)受到各大汽車廠商的青 睞。
[0003] 盡管鋁合金具有以上眾多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在：①成形性仍需繼 續(xù)改善。錯(cuò)合金板料沖壓成形時(shí)材料流動(dòng)性能不好，更容易出現(xiàn)開裂、起皺等缺陷，特別是 形狀比較復(fù)雜的零件。②材料性能變動(dòng)大。室溫下，固溶淬火后的合金，在脫溶過程中，其 力學(xué)性能、化學(xué)性能等隨著時(shí)間發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為自然時(shí)效。鋁合金由于存在時(shí)效硬 化現(xiàn)象，其材料參數(shù)會(huì)隨著存放時(shí)間而發(fā)生變動(dòng)。
[0004] 針對(duì)鋁合金板料沖壓成形中的難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界進(jìn)行了大量的研宄工 作，并取得了一些有價(jià)值的成果。ChristianLeppin等通過大量的實(shí)驗(yàn)，建立了錯(cuò)合金板材 在沖壓過程中產(chǎn)生的頸縮、破裂、剪切斷裂等失效現(xiàn)象的模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并用有限元方法 進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)鋁合金板材在沖壓過程中的成形極限預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義；0.S.Orlov等通 過了實(shí)驗(yàn)分析，建立了鋁合金微觀組織結(jié)構(gòu)的相場(chǎng)模型，從而對(duì)變形過程中各種失效現(xiàn)象 的產(chǎn)生和發(fā)展提供預(yù)測(cè)。T.Altan教授對(duì)2000系列和6000系列鋁合金拉深成形工藝進(jìn)行 了研宄，對(duì)拉深間隙、凸模圓角半徑、凹模圓角半徑、工藝補(bǔ)充面等參數(shù)的選取提出了相關(guān) 建議；孫成智等通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，研宄了變壓邊力對(duì)鋁合金板成形過程中應(yīng)變路徑的 變化規(guī)律，提出了改善鋁合金板沖壓性能的變壓邊力方法；安治國(guó)等采用有限元數(shù)值模擬 帶法蘭圓筒形件拉伸過程，分析了工藝參數(shù)對(duì)AA5754鋁鎂合金板料成形性能的影響。
[0005] 這些研宄成果對(duì)于揭示鋁合金板料沖壓成形規(guī)律，改善鋁合金板料沖壓工藝有很 好的指導(dǎo)意義，但是很少涉及鋁板沖壓工藝的穩(wěn)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(jīng)過一定時(shí)間的室溫停留（如運(yùn)輸、庫(kù)存等）并產(chǎn)生 自然時(shí)效之后，才能進(jìn)入生產(chǎn)車間進(jìn)行沖壓成形，其材料參數(shù)會(huì)隨著存放時(shí)間而發(fā)生變動(dòng)， 導(dǎo)致沖壓成形不穩(wěn)定，合格率低。目前，針對(duì)鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性問題，還沒有一套成熟 的沖壓工藝優(yōu)化方法來(lái)削弱時(shí)效硬化造成的鋁板材料參數(shù)變動(dòng)對(duì)其成形性能的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中鋁板沖壓成形不穩(wěn)定問題，提出一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健 性優(yōu)化方法。
[0007] 本發(fā)明一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，包括下述步驟：
[0008] 步驟一
[0009] 根據(jù)零件的沖壓成形方式，按照沖壓工藝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定初試沖壓工藝參數(shù)，并以 此參數(shù)為條件建立沖壓工藝數(shù)型；
[0010] 零件的沖壓成形方式是根據(jù)零件特征來(lái)確定，如直接壓型、拉延、左右合模等，按 照沖壓工藝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，初試沖壓工藝參數(shù)結(jié)合零件曲面特征來(lái)設(shè)置，如凸模圓角、凹模圓 角、側(cè)壁角度、壓邊力、摩擦系數(shù)、拉延筋類型和參數(shù)等，并以此為依據(jù)建立零件沖壓工藝數(shù) 型；
[0011] 步驟二
[0012] 根據(jù)步驟一的沖壓工藝數(shù)型，用有限元方法建立凸模、凹模、壓邊圈、板材的網(wǎng)格 模型，輸入鋁板材料參數(shù)，進(jìn)行沖壓仿真模擬；
[0013] 沖壓仿真模擬時(shí)，先定義沖壓過程中接觸處理、板材的硬化規(guī)律和屈服準(zhǔn)則后， 再輸入鋁板的材料參數(shù)和步驟一中設(shè)定的壓邊力、摩擦系數(shù)，進(jìn)行沖壓仿真模擬；所述凸 模、凹模、壓邊圈和板材的網(wǎng)格模型所用網(wǎng)格單元為全積分殼單元，單元厚向積分點(diǎn)個(gè)數(shù)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(jì)算兩個(gè)方面，接觸搜 索算法為主從面法，接觸力計(jì)算方法為罰函數(shù)法或拉格朗日乘子法；所述板材的硬化規(guī)律 一般采用硬化曲線區(qū)域的函數(shù)來(lái)描述，本發(fā)明采用Hockett-Sherby函數(shù)，板材的屈服準(zhǔn)則 為Barlat-89 模型；
[0014] 步驟三
[0015] 將步驟二得到的數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入成形極限圖，選擇模擬結(jié)果處于成形極限圖安 全區(qū)所對(duì)應(yīng)的沖壓工藝參數(shù)數(shù)值，作為基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)數(shù)值；
[0016] 采用成形極限圖（FLD)評(píng)判鋁板沖壓仿真模擬結(jié)果時(shí)，選擇模擬結(jié)果處于成形極 限圖安全區(qū)所對(duì)應(yīng)的凸模圓角、凹模圓角、側(cè)壁角度、壓邊力、摩擦力系數(shù)等沖壓工藝參數(shù) 數(shù)值，作為基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)數(shù)值；
[0017] 步驟四
[0018] 以沖壓工藝參數(shù)作為影響沖壓質(zhì)量的控制因子，以鋁板材料參數(shù)作為影響沖壓質(zhì) 量的噪聲因子；
[0019] 根據(jù)控制因子的數(shù)目和水平以及噪聲因子的數(shù)目和水平，選擇正交表；
[0020] 控制因子列于內(nèi)表，噪聲因子列于外表，外表旋轉(zhuǎn)了九十度放置，來(lái)安排試驗(yàn)表 格，內(nèi)表的每一行控制因子對(duì)應(yīng)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(wǎng)格模型中進(jìn)行沖壓仿真模擬；得到成形后鋁板的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)變或、次應(yīng)變e|，按式 (1)、式（2)分別計(jì)算模擬鋁板破裂評(píng)價(jià)指標(biāo)R、起皺評(píng)價(jià)指標(biāo)W:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在于，包括下述步驟： 步驟一 根據(jù)零件的沖壓成形方式，按照沖壓工藝行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定初試沖壓工藝參數(shù)，并以此參 數(shù)為條件建立沖壓工藝數(shù)型； 步驟二 根據(jù)步驟一的沖壓工藝數(shù)型，用有限元方法建立凸模、凹模、壓邊圈、板材的網(wǎng)格模型， 輸入鋁板材料參數(shù)，進(jìn)行沖壓仿真模擬； 步驟三 將步驟二得到的數(shù)值模擬結(jié)果導(dǎo)入成形極限圖，選擇模擬結(jié)果處于成形極限圖安全區(qū) 所對(duì)應(yīng)的沖壓工藝參數(shù)數(shù)值，作為基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)數(shù)值； 步驟四 以沖壓工藝參數(shù)作為影響沖壓質(zhì)量的控制因子，以鋁板材料參數(shù)作為影響沖壓質(zhì)量的 噪聲因子； 根據(jù)控制因子的數(shù)目和水平以及噪聲因子的數(shù)目和水平，選擇正交表； 控制因子列于內(nèi)表，噪聲因子列于外表，內(nèi)表的每一行控制因子對(duì)應(yīng)外表的每一列噪 聲因子，在步驟二建立的有限元網(wǎng)格模型中進(jìn)行沖壓仿真模擬，得到成形后鋁板的網(wǎng)格節(jié) 點(diǎn)的主應(yīng)變4、次應(yīng)變4，按式（1)、式（2)分別計(jì)算模擬鋁板破裂評(píng)價(jià)指標(biāo)R、起皺評(píng)價(jià)指 標(biāo)W :
式⑴、⑵中表示節(jié)點(diǎn)數(shù)，與表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)變，<表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的次應(yīng) 變，A表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)距離破裂安全裕度線的距離，列〇表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處于破裂臨界時(shí) 的主應(yīng)變，>7(〇表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)處于起皺臨界時(shí)的主應(yīng)變，Wi表示第i個(gè)節(jié)點(diǎn)距離起皺安 全裕度線的距離； 步驟五 定義每次模擬實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為Fj，按式（3)計(jì)算Fj值， Fj= AR+(1-A)W (3) 式中：λ為常數(shù)，取值0.7 ; 步驟六 按式⑷計(jì)算信噪比（SN):
(4) 式中A為第j次模擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值，k為模擬次數(shù)； 步驟七 選擇步驟六所得信噪比（SN)值最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的一組控制因子數(shù)據(jù)，作為最佳沖壓工 藝參數(shù)數(shù)值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在于：所述初 試沖壓工藝參數(shù)、基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)、最佳沖壓工藝參數(shù)是指沖壓模具的凸模圓角（R p)、凹 模圓角（Rd)、側(cè)壁角度（α )、壓邊力（P)、摩擦力系數(shù)（μ )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)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(wǎng)格模型所用單元為膜單元、殼單元、實(shí)體單元中的一 種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在于：步驟二 中，仿真模擬時(shí)： 接觸處理的接觸搜索采用主從面法， 接觸力計(jì)算采用拉格朗日乘子法， 板材硬化規(guī)律采用Hockett-Sherby函數(shù)， 板材屈服準(zhǔn)則采用Barlat-89模型。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任意一項(xiàng)所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在 于：步驟二中，所述的鋁板材料參數(shù)是指鋁板的屈服強(qiáng)度（σ J、抗拉強(qiáng)度（〇b)、硬化指數(shù) (η)、平均厚向異性系數(shù)（f)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在于：步驟四 中，控制因子的數(shù)目至少為3個(gè)，具體是凸模圓角（R p)、凹模圓角（Rd)、側(cè)壁角度（α)、壓邊 力（P)、摩擦力系數(shù)（μ)中的至少3個(gè)； 噪聲因子的數(shù)目至少為2個(gè)，具體是指鋁板的屈服強(qiáng)度（σ J、抗拉強(qiáng)度（〇b)、硬化指 數(shù)（η)、平均厚向異性系數(shù)（f)中的至少2個(gè)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，其特征在于：控制因 子的水平，是在基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)數(shù)值的±30%范圍內(nèi)選擇至少3組數(shù)值； 噪聲因子的水平，是以鋁板規(guī)定使用期內(nèi)的材料參數(shù)數(shù)值變動(dòng)范圍內(nèi)選擇至少2組數(shù) 值。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁板沖壓工藝的穩(wěn)健性優(yōu)化方法，屬于鋁板沖壓技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括下述步驟：(1)設(shè)定初試沖壓工藝參數(shù)，并以此參數(shù)為條件建立零件沖壓工藝數(shù)型；(2)建立沖壓工藝數(shù)型的有限元模型，進(jìn)行沖壓仿真模擬；(3)選擇模擬結(jié)果處于安全區(qū)所對(duì)應(yīng)的沖壓工藝參數(shù)數(shù)值，作為基礎(chǔ)沖壓工藝參數(shù)數(shù)值；(4)以沖壓工藝參數(shù)作為影響沖壓質(zhì)量的控制因子，以鋁板材料參數(shù)作為影響沖壓質(zhì)量的噪聲因子，并安排試驗(yàn)表格；(5)定義每次模擬實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)；(6)計(jì)算信噪比(SN)；(7)選擇信噪比(SN)值最高時(shí)所對(duì)應(yīng)的一組控制因子數(shù)值，作為最佳沖壓工藝參數(shù)數(shù)值。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104765912
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510133549
【發(fā)明人】謝暉, 王詩(shī)恩, 劉翔, 褚衛(wèi)東, 張文彥, 王東福
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué), 上海拖拉機(jī)內(nèi)燃機(jī)有限公司
【公開日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年3月25日