一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明旨在提供涉及一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，属于铝板冲压技术领 域。
【背景技术】
[0002] 目前，汽车工业正面临越来越严峻的安全、能源和环保问题。研宄表明，约75%的 油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。大量研宄表明，汽车质量 每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。因此，油耗的下降，意味着C02、氮氧化物（NOx) 等有害气体排放量的下降。汽车车身、底盘（含悬挂系统）、发动机三大件约占轿车总重量 的65%以上，其中车身外、内覆盖件的重量又居首位，因此减少汽车车身重量对降低发动 机的功耗和减少汽车总重量具有双重的效应，是汽车轻量化的重要途径，实现轻质车身，最 主要就是大量应用使车身轻量化的材料，同时进行车身轻量化的结构优化设计和制造。在 众多轻质合金材料中，铝合金材料因密度小、强度高、耐腐蚀等优点受到各大汽车厂商的青 睐。
[0003] 尽管铝合金具有以上众多优点，但仍存在一些不足，主要表现在：①成形性仍需继 续改善。错合金板料冲压成形时材料流动性能不好，更容易出现开裂、起皱等缺陷，特别是 形状比较复杂的零件。②材料性能变动大。室温下，固溶淬火后的合金，在脱溶过程中，其 力学性能、化学性能等随着时间发生变化，这种现象称为自然时效。铝合金由于存在时效硬 化现象，其材料参数会随着存放时间而发生变动。
[0004] 针对铝合金板料冲压成形中的难题，国内外学术界、工业界进行了大量的研宄工 作，并取得了一些有价值的成果。ChristianLeppin等通过大量的实验，建立了错合金板材 在冲压过程中产生的颈缩、破裂、剪切断裂等失效现象的模型和评价标准，并用有限元方法 进行了验证，对铝合金板材在冲压过程中的成形极限预测具有指导意义；0.S.Orlov等通 过了实验分析，建立了铝合金微观组织结构的相场模型，从而对变形过程中各种失效现象 的产生和发展提供预测。T.Altan教授对2000系列和6000系列铝合金拉深成形工艺进行 了研宄，对拉深间隙、凸模圆角半径、凹模圆角半径、工艺补充面等参数的选取提出了相关 建议；孙成智等通过数值模拟和实验，研宄了变压边力对铝合金板成形过程中应变路径的 变化规律，提出了改善铝合金板冲压性能的变压边力方法；安治国等采用有限元数值模拟 带法兰圆筒形件拉伸过程，分析了工艺参数对AA5754铝镁合金板料成形性能的影响。
[0005] 这些研宄成果对于揭示铝合金板料冲压成形规律，改善铝合金板料冲压工艺有很 好的指导意义，但是很少涉及铝板冲压工艺的稳健性问题。然而，铝合金板在铝厂的最后一 道工序是固溶处理，此后不可避免的要经过一定时间的室温停留（如运输、库存等）并产生 自然时效之后，才能进入生产车间进行冲压成形，其材料参数会随着存放时间而发生变动， 导致冲压成形不稳定，合格率低。目前，针对铝板冲压工艺的稳健性问题，还没有一套成熟 的冲压工艺优化方法来削弱时效硬化造成的铝板材料参数变动对其成形性能的影响。
【发明内容】
[0006] 本发明针对实际生产中铝板冲压成形不稳定问题，提出一种铝板冲压工艺的稳健 性优化方法。
[0007] 本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，包括下述步骤：
[0008] 步骤一
[0009] 根据零件的冲压成形方式，按照冲压工艺行业标准，设定初试冲压工艺参数，并以 此参数为条件建立冲压工艺数型；
[0010] 零件的冲压成形方式是根据零件特征来确定，如直接压型、拉延、左右合模等，按 照冲压工艺行业标准，初试冲压工艺参数结合零件曲面特征来设置，如凸模圆角、凹模圆 角、侧壁角度、压边力、摩擦系数、拉延筋类型和参数等，并以此为依据建立零件冲压工艺数 型；
[0011] 步骤二
[0012] 根据步骤一的冲压工艺数型，用有限元方法建立凸模、凹模、压边圈、板材的网格 模型，输入铝板材料参数，进行冲压仿真模拟；
[0013] 冲压仿真模拟时，先定义冲压过程中接触处理、板材的硬化规律和屈服准则后， 再输入铝板的材料参数和步骤一中设定的压边力、摩擦系数，进行冲压仿真模拟；所述凸 模、凹模、压边圈和板材的网格模型所用网格单元为全积分壳单元，单元厚向积分点个数取 为5 ;所述铝板冲压过程中接触处理问题主要有接触搜索和接触力计算两个方面，接触搜 索算法为主从面法，接触力计算方法为罚函数法或拉格朗日乘子法；所述板材的硬化规律 一般采用硬化曲线区域的函数来描述，本发明采用Hockett-Sherby函数，板材的屈服准则 为Barlat-89 模型；
[0014] 步骤三
[0015] 将步骤二得到的数值模拟结果导入成形极限图，选择模拟结果处于成形极限图安 全区所对应的冲压工艺参数数值，作为基础冲压工艺参数数值；
[0016] 采用成形极限图（FLD)评判铝板冲压仿真模拟结果时，选择模拟结果处于成形极 限图安全区所对应的凸模圆角、凹模圆角、侧壁角度、压边力、摩擦力系数等冲压工艺参数 数值，作为基础冲压工艺参数数值；
[0017] 步骤四
[0018] 以冲压工艺参数作为影响冲压质量的控制因子，以铝板材料参数作为影响冲压质 量的噪声因子；
[0019] 根据控制因子的数目和水平以及噪声因子的数目和水平，选择正交表；
[0020] 控制因子列于内表，噪声因子列于外表，外表旋转了九十度放置，来安排试验表 格，内表的每一行控制因子对应外表的每一列噪声因子（见附图1)，在步骤二建立的有限 元网格模型中进行冲压仿真模拟；得到成形后铝板的网格节点的主应变或、次应变e|，按式 (1)、式（2)分别计算模拟铝板破裂评价指标R、起皱评价指标W:
【主权项】
1. 一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于，包括下述步骤： 步骤一 根据零件的冲压成形方式，按照冲压工艺行业标准，设定初试冲压工艺参数，并以此参 数为条件建立冲压工艺数型； 步骤二 根据步骤一的冲压工艺数型，用有限元方法建立凸模、凹模、压边圈、板材的网格模型， 输入铝板材料参数，进行冲压仿真模拟； 步骤三 将步骤二得到的数值模拟结果导入成形极限图，选择模拟结果处于成形极限图安全区 所对应的冲压工艺参数数值，作为基础冲压工艺参数数值； 步骤四 以冲压工艺参数作为影响冲压质量的控制因子，以铝板材料参数作为影响冲压质量的 噪声因子； 根据控制因子的数目和水平以及噪声因子的数目和水平，选择正交表； 控制因子列于内表，噪声因子列于外表，内表的每一行控制因子对应外表的每一列噪 声因子，在步骤二建立的有限元网格模型中进行冲压仿真模拟，得到成形后铝板的网格节 点的主应变4、次应变4，按式（1)、式（2)分别计算模拟铝板破裂评价指标R、起皱评价指 标W :
式⑴、⑵中表示节点数，与表示第i个节点的主应变，<表示第i个节点的次应 变，A表示第i个节点距离破裂安全裕度线的距离，列〇表示第i个节点处于破裂临界时 的主应变，>7(〇表示第i个节点处于起皱临界时的主应变，Wi表示第i个节点距离起皱安 全裕度线的距离； 步骤五 定义每次模拟实验的质量评价指标为Fj，按式（3)计算Fj值， Fj= AR+(1-A)W (3) 式中：λ为常数，取值0.7 ; 步骤六 按式⑷计算信噪比（SN):
(4) 式中A为第j次模拟实验计算得到的质量指标数值，k为模拟次数； 步骤七 选择步骤六所得信噪比（SN)值最高时所对应的一组控制因子数据，作为最佳冲压工 艺参数数值。
2. 根据权利要求1所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于：所述初 试冲压工艺参数、基础冲压工艺参数、最佳冲压工艺参数是指冲压模具的凸模圆角（R p)、凹 模圆角（Rd)、侧壁角度（α )、压边力（P)、摩擦力系数（μ )。
3. 根据权利要求1所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于：步骤二 中，所述凸模、凹模、压边圈和板材的网格模型所用单元为膜单元、壳单元、实体单元中的一 种。
4. 根据权利要求1所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于：步骤二 中，仿真模拟时： 接触处理的接触搜索采用主从面法， 接触力计算采用拉格朗日乘子法， 板材硬化规律采用Hockett-Sherby函数， 板材屈服准则采用Barlat-89模型。
5. 根据权利要求1-4任意一项所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在 于：步骤二中，所述的铝板材料参数是指铝板的屈服强度（σ J、抗拉强度（〇b)、硬化指数 (η)、平均厚向异性系数（f)。
6. 根据权利要求5所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于：步骤四 中，控制因子的数目至少为3个，具体是凸模圆角（R p)、凹模圆角（Rd)、侧壁角度（α)、压边 力（P)、摩擦力系数（μ)中的至少3个； 噪声因子的数目至少为2个，具体是指铝板的屈服强度（σ J、抗拉强度（〇b)、硬化指 数（η)、平均厚向异性系数（f)中的至少2个。
7. 根据权利要求6所述的一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，其特征在于：控制因 子的水平，是在基础冲压工艺参数数值的±30%范围内选择至少3组数值； 噪声因子的水平，是以铝板规定使用期内的材料参数数值变动范围内选择至少2组数 值。
【专利摘要】本发明涉及一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，属于铝板冲压技术领域。本发明包括下述步骤：(1)设定初试冲压工艺参数，并以此参数为条件建立零件冲压工艺数型；(2)建立冲压工艺数型的有限元模型，进行冲压仿真模拟；(3)选择模拟结果处于安全区所对应的冲压工艺参数数值，作为基础冲压工艺参数数值；(4)以冲压工艺参数作为影响冲压质量的控制因子，以铝板材料参数作为影响冲压质量的噪声因子，并安排试验表格；(5)定义每次模拟实验的质量评价指标；(6)计算信噪比(SN)；(7)选择信噪比(SN)值最高时所对应的一组控制因子数值，作为最佳冲压工艺参数数值。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104765912
【申请号】CN201510133549
【发明人】谢晖, 王诗恩, 刘翔, 褚卫东, 张文彦, 王东福
【申请人】湖南大学, 上海拖拉机内燃机有限公司
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年3月25日