CN104765912A - 一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法

技术领域

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

目前，汽车工业正面临越来越严峻的安全、能源和环保问题。研究表明，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。大量研究表明，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CO2、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。

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。铝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。

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究工作，并取得了一些有价值的成果。Christian Leppin等通过大量的实验，建立了铝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；O.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.A1tan教授对2000系列和6000系列铝合金拉深成形工艺进行了研究，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，研究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。

这些研究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

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。

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：

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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，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次应变按式(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：

$R=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r}_i^2;r_i=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1^i-\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\ϵ}}_2^i\right),{\mathrm{\ϵ}}_1^i>\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\ϵ}}_2^i\right)\\ 0,{\mathrm{\ϵ}}_1^i\≤\mathrm{\φ}\left({\mathrm{\ϵ}}_2^i\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

$W=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i^2;w_i=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i,{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i<\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\\ 0,{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i\&GreaterEqual;\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(1)、(2)中：m表示节点数，表示第i个节点的主应变，表示第i个节点的次应变，r_i表示第i个节点距离破裂安全裕度线的距离；表示第i个节点处于破裂临界时的主应变，由keeler经验公式得到；表示第i个节点处于起皱临界时的主应变，由keeler经验公式得到；w_i表示第i个节点距 离起皱安全裕度线的距离；R值为零时，表示板料没发生破裂，R值为正且数值越大，表示板料破裂越厉害；W值为零时，表示板料没发生起皱，W值为正且数值越大，表示板料起皱越厉害；

步骤五

定义每次模拟实验的质量评价指标为F_j，按式(3)计算F_j值，

F_j＝λR+(1-λ)W         (3)

式中：λ为常数，取值0.7；

根据冲压件行业检测标准，零件冲压成形时主要质量指标为破裂和起皱；所述质量指标破裂(R)和起皱(W)，为多目标问题，引入权因子λ，采用加权求和法转化为单目标问题，定义每次模拟实验的质量评价指标为F_j，可按式(3)计算F_j值，

步骤六

按式(4)计算信噪比(SN)：

$\mathrm{SN}=\mathrm{\&eta;}=-10{\log }_{10}\left(\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_j^2\right)---\left(4\right)$

式中：F_j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； 

信噪比(SN)是用来衡量产品稳健性的指标，表示系统偏离理想响应的程度，信噪比越高表示质量损失越少，系统具有更高的稳健性，此处质量评价指标为望小质量特性，因此，可按式(4)计算信噪比(SN)：

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值，作为最佳冲压工艺参数数值，并根据这些数值最终完善零件冲压工艺。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤一中，根据零件结构特征，如果零件曲面较平缓，且零件上没有较多凸包、凹陷、筋条等细节特征可以考虑采用直接压型的方式冲压成形；如果零件曲面形状复杂多变，且表面上几何特征较多，一般采用将零件全部或大部分放置在凸模上拉延成形，来保证制件的冲压成形质量，如果零件左右件对称，可以考虑左右件合模的方式冲压成形。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤一中，根据冲压工艺标准，初试工艺的侧壁角度设置为7°～15°，凹模圆角控制在6～15mm之间，凸模圆 角控制在6～25mm之间，压边力按每一米分模线长度20吨设置，摩擦力系数设置为0.11～0.17。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤一中，不设置拉延筋，由于铝板在冲压过程中流过拉延筋时，会发生较强的塑化行为(硬化和变薄)，常导致铝板在冲压过程中流过拉延筋时容易发生破裂，所以尽量不使用拉延筋。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤二中，所述的铝板材料参数是指铝板出厂时的屈服强度(σ_ε)、抗拉强度(σ_b)、硬化指数(n)、平均厚向异性系数

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，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、壳单元和实体单元中的一种；膜单元可以很好的离散模具表面，计算速度快，但由于其忽略弯曲效应，无法预测波纹和起皱；实体单元考虑了弯曲效应和剪切效应，但求解时间太长；壳单元既能处理弯曲和剪切效应，且求解速度较快，所以优选壳单元进行冲压数值模拟。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤二中，所述铝板冲压过程接触处理问题主要有两个方面：接触搜索和接触力计算；在接触搜索方面，最主要的算法有：级域法、一体化算法和主从面法；由于冲压是两个已知界面的接触，所以优选主从面法；接触力计算方法，最常用的是罚函数法和拉格朗日乘子法，由于拉格朗日乘子法的计算精度高，所以优选拉格朗日乘子法。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤二中，所述板材的硬化规律为Ludwik、Swift、Ghosh、Hockett-Sherby和Combined S-H函数关系中的一种，由于Hockett-Sherby函数能较好地描述铝板硬化规律，所以此处优选Hockett-Sherby函数。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤二中，所述板材的屈服准则为Hill-48、Hill-90、Barlat-89、Banabic中的一种，由于Barlat-89是在应力空间中指定的，特别适合铝合金的描述，所以屈服准则优选Barlat-89。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤四中，所述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(R_d)、侧壁角度(α)、压边力(P)、摩擦力系数(μ)中的至少3个；工程中考虑生产成本及模具调试方便 性，通常通过调整冲压工艺参数来达到优化的目的，冲压工艺参数一般包括凸模圆角、凹模圆角、工艺补充面侧壁斜角、拉延筋系数、压边力、摩擦系数。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤四中，所述噪声因子的数目至少为2个，具体是指铝板的屈服强度(σ_ε)、抗拉强度(σ_b)、硬化指数(n)、平均厚向异性系数中的至少2个；由于铝板时效硬化会造成其屈服强度，抗拉强度，硬化指数，各项异性系数，平均厚向异性系数等材料参数发生变动。因为屈服强度与抗拉强度之间存在关联，平均厚向异性系数与0°，45°，90°方向上的厚向异性系数之间存在函数关系，故噪声因子一般选取屈服强度(或抗拉强度)，硬化指数，平均厚向异性系数。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤四中，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。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤四中，所述实验表格规定为：内表用于安排控制因子，外表用于安排噪声因子，内表的每一行控制因子对应外表的每一列噪声因子进行试验，可以理解为对内表进行重复试验，相当于在噪声变差范围内实施了一个系统的伪蒙特卡洛试验。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，步骤四中，所述破裂临界时的主应变和起皱临界时的主应变由公式(7)得到，由Keeler等人给出的经验公式可知：

破裂临界线的经验公式如下：

起皱临界线的经验公式如下：

ψ(ε₂)＝-ε₂；(ε₂<0)           (6) 

式(5)、(6)中，n为硬化指数，ε₂为次应变，t为板料厚度，单位为mm，FLD₀为平面应变状态极限应变点。

考虑冲压成形安全裕度，有：

式(7)中，φ(τ₂)为破裂安全裕度线，η(ε₂)为起皱安全裕度线，Δε为破裂安全裕度，工程中铝板的取值一般为20％；θ为起皱安全裕度，工程中铝板的取值一般为5°。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，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(R_d)、侧壁角度(α)、压边力(P)、摩擦力系数(μ)。

本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，可以分别用拉伸试验测得的刚出厂、存放3个月和存放6个月的铝板材料参数对根据本发明确定的稳健方案完成的冲压工艺和初始冲压工艺进行冲压仿真模拟，对比模拟结果，验证铝板冲压工艺稳健设计方案的可靠性。

原理和优势： 

本发明提出的铝板冲压工艺的稳健性优化方法具有一定的创新性和可行性。在板料冲压成型的数值模拟中，凸模、凹模、压边圈和板材网格模型所用网格单元是影响数值模拟结果的重要因素之一，因此选用基于板壳理论的壳单元既能考虑弯曲效应和剪切效应，而且计算速度较快，数值模拟结果能精确描述铝板实际冲压结果。在板料成型过程中，由于模具型面的复杂性，使得板料和模具之间的接触问题变得非常复杂，同时接触边界条件处于连续变化之中，导致接触面之间的相互作用是动态变化和复杂的，采用主从面法进行接触搜索和拉格朗日乘子法进行接触力的计算，能很好地解决接触问题。数值模拟选用AutoForm软件，在CAE分析过程中，铝板塑性变形时的硬化规律与钢板的硬化规律不同，不能套用钢板冲压数值模拟过程中的硬化规律，选用Hockett-Sherby函数能较好地描述铝板硬化规律；铝板冲压变形过程中屈服规律与钢板不同，不能沿用钢板常用的Hill屈服准则对其屈服现象进行描述，Barlat-89屈服准则考虑了在平面应力条件下面内各向异性的情况，特别适用于铝合金的描述。

根据冲压过程的理论研究和工程实践经验，铝合金车身结构件冲压成型质量受到多方面的因素影响：①产品形状特征；②材料参数；③工艺参数。实际工 程中，工程师们常常根据板材供应商提供的出厂材料参数进行数值模拟，并以此为依据进行车身结构件的冲压工艺设计，而铝板由于存在时效硬化现象，在实际生产过程中，随着存放时间的增长，其材料参数会发生变化，使得铝板冲压成型不稳定。本发明一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，在以供应商提供的出厂材料参数进行模拟，并以此为依据设计冲压工艺后，以工艺参数为控制因子，材料参数为噪声因子。确定控制因子、噪声因子的数目和水平，根据控制因子和噪声因子的数目和水平选择合适的正交表作为内表和外表，把它们安排在同一张表上，外表旋转了九十度放置，控制因子列于内表，噪声因子列于外表，严格按照安排的试验表格进行冲压数值模拟，内表的每一行控制因子对应外表的每一列噪声因子进行数值模拟试验，将得到的质量评价指标填入表内，并计算出内表每一行所对应的SN比。SN比是用来衡量产品稳健性的指标，表示系统偏离理想响应的程度，SN比越高表示质量损失越少，系统具有更高的稳健性，选择SN比最高的控制因子组合为最佳工艺参数组合。

本发明对铝板冲压工艺进行稳健性优化，分别用拉伸试验测得的刚出厂、存放3个月和存放6个月的铝板材料参数对本发明确定的稳健方案完成的冲压工艺和初始冲压工艺进行冲压仿真模拟，模拟结果表明，经过稳健设计后的铝板冲压工艺在铝板规定使用期内无破裂风险，并且起皱趋势也明显下降。根据铝板冲压工艺稳健设计方案制造的模具，实际生产过程中，制件冲压成型稳定，且合格率达到要求。

与现有技术相比本发明所具有的优势为：

A、目前针对铝合金板冲压成型过程，还没有一套成熟有效的数值模拟方法。在目前极少数研究铝合金车身结构件冲压数值模拟的文献中，很多研究者都是套用钢板的冲压行业标准。本发明数值模拟过程中采用适合描述铝板硬化规律的Hockett-Sherby函数，适合描述铝板屈服现象的Barlat-89屈服准则，并且采用基于板壳理论，既能考虑弯曲效应和剪切效应，而且计算速度较快的壳单元，数值模拟结果能精确描述铝板实际冲压结果。

B、目前已有的改进铝板冲压稳健性的方法只考虑了产品形状特征和工艺参数的影响，而忽视了材料参数的变动。本发明着重考虑材料参数的变动，将铝板冲压工艺设计过程看作一个系统，以工艺参数为控制因子，材料参数为噪声因子， 以破裂和起皱为系统质量评价指标，并且对评价铝板冲压数值模拟结果的成形极限图进行了量化，使得评价指标更直观、显著。

综上所述，本发明具有以下优点和积极效果

(1)提出了一套适用于铝板冲压数值模拟的方法，对铝板冲压工艺的设计提供数值模拟依据；

(2)依据经验公式对评价铝板冲压质量的成形极限图进行了量化，使得铝板制件评价指标更直观和显著。

(3)考虑了材料参数的变动对铝板冲压质量的影响，对模具的调试具有指导意义；

(4)提出了一种铝板冲压工艺的稳健性优化方法，提高了铝板冲压成型稳健性，缩短了铝合金车身结构件模具的开发周期。

附图说明：

附图1为本发明所用的试验表排列示意图；

附图2为本发明实施例1制备的结构件的外形图；

附图3为本发明实施实例1处理的结构件工艺数型；

附图4为本发明实施实例1用有限元方法建立的网格模型；

附图5为本发明实施实例1的冲压仿真模拟结果(成形极限图)；

附图6为本发明实施实例1的模具；

附图7为本发明实施实例1冲压件图片； 

附图8为本发明工艺流程图；

从图1中可以看出本发明试验表格的安排规则。

从图2中可以看出该车身结构件表面起伏大。

从图5可以看出该次仿真模拟，板料冲压成形后各个节点都位于安全区，无破裂风险。

从图6中可以看出根据本发明方法制造的模具实体。

从图7中可以看出根据本发明稳健性优化方法确定的冲压工艺实际冲压出的铝制件质量良好且合格率稳定。

具体实施方式：

实施例1

以上海通用某车身结构件(见附图2)拉延序冲压工艺为例，进行冲压工艺的稳健性优化。板料选择6021-T4铝板，厚度为1.2mm。

步骤一

由于该车身结构件属于内板件，表面起伏较大，且左右件对称，所以可以通过左右件合模拉延的方式成形；由于铝板在冲压过程中流过拉延筋时，会发生较强的塑化行为(硬化和变薄)，常导致在在冲压过程中，铝板流过拉延筋时容易发生破裂，所以该零件的拉延工艺不使用拉延筋；依据冲压工艺行业规定，初步设置5组冲压工艺参数，具体见表1：

表1 冲压工艺参数组合

以表1中的5组参数为条件分别建立冲压工艺数型，见附图3。

步骤二、

依据步骤一的工艺数型，用有限元方法在AutoForm中分别建立凸模、凹模、压边圈和板材的网格模型，见附图4，输入铝板材料参数，进行冲压仿真模拟；

建模时：

容错公差设置为0.1mm，最大边长设置为50mm，最大穿透半径为0.22mm，最大单元角度为22.5，最大细化级别为5；

模拟过程中： 

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；

铝板材料参数为屈服强度、硬化指数、平均厚向异性系数；

步骤三

将步骤二得到的模拟结果用成形极限图(FLD)来评判，发现工艺参数为凸模圆角11mm、凹模圆角12mm、侧壁角度10°、压边力40吨、摩擦力系数0.14时的模拟结果处于成形极限图安全区域，具体结果见附图5，以这些参数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；

选择步骤三确定的基础冲压工艺参数中的凸模圆角、凹模圆角、压边力、摩擦力系数4个因子作为控制因子，在步骤三确定的基础冲压工艺参数数值的±30％范围内，选取3组数值，具体数值见表2；

表2 控制因子及水平

控制因子	水平1	水平2	水平3
				凸模圆角Rp/mm	8	11	14
凹模圆角Rd/mm	10	12	14
				压边力P/吨	30	40	50
摩擦系数μ	0.11	0.14	0.17

从神户制钢生产的同一批次牌号为6021-T4，板料厚度为1.2mm，通过拉伸试验测得其在刚出厂、存放3个月、存放6个月基本材料参数(屈服强度、抗拉强度、硬化指数、延伸率、各项异性系数等)，具体见表3；

表3 6021-T4铝板规定使用期内(6个月)的材料参数 

因为屈服强度与抗拉强度之间存在关联，平均厚向异性系数与0°，45°， 90°方向上的厚向异性系数之间存在函数关系，故选取铝板的屈服强度(σ_ε)、硬化指数(n)、平均厚向异性系数3个因子作为噪声因子，在铝板规定使用期内(6个月)的材料参数变动范围内的2个水平的数值，具体数值见表4；

表4噪声因子及水平

选择四因素三水平正交表L9(3⁴)作为内表，选择三因素两水平正交表L4(2³)作为外表，内表、外表具体布置，见表5；

按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；得到冲压成形后铝板的网格节点的主应变次应变按式(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；

$R=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_i^2;r_i=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i-\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right),{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i>\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\\ 0,{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i\&le;\mathrm{\&phi;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

$W=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i^2;w_i=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)-{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i,{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i<\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\\ 0,{\mathrm{\&epsiv;}}_1^i\&GreaterEqual;\mathrm{\&eta;}\left({\mathrm{\&epsiv;}}_2^i\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(1)、(2)中：m表示节点数，表示第i个节点的主应变，表示第i个节点的次应变，r_i表示第i个节点距离破裂安全裕度线的距离；表示第i个节点处于破裂临界时的主应变，由keeler经验公式得到；表示第i个节点处于起皱临界时的主应变，由keeler经验公式得到；w_i表示第i个节点距离起皱安全裕度线的距离；R值为零时，表示板料没发生破裂，R值为正且数值越大，表示板料破裂越厉害；W值为零时，表示板料没发生起皱，W值为正且数值越大，表示板料起皱越厉害；

步骤五

定义每次模拟试验的质量评价指标为F_j，按式(3)计算F_j值并填入表5相应位置，

F_j＝λR+(1-λ)W          (3)

式中：λ为常数，取值0.7；

按式(4)计算信噪比SN，具体数值见表5：

$\mathrm{SN}=\mathrm{\&eta;}=-10{\log }_{10}\left(\frac{1}{k}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{F}_j^2\right)---\left(4\right)$

式中：F_j为质量指标的实测值，k为模拟次数； 

表5 试验表和试验数据

步骤七

选择SN比最高的控制因子组合为最佳工艺参数组合，根据表5，SN比最高值为19.0587，对应第6组控制因子数据：R_p的第2水平， R_d的第3水平，P的第1水平，μ的第2水平；即。结合已确定的工艺参数，最终该零件铝板冲压工艺参数的稳健优化结果为：凸模圆角11mm，凹模圆角14mm，工艺补充面侧壁斜角10°，压边力30吨，摩擦系数0.14。

铝板冲压工艺参数的稳健性优化结果验证：

分别用1.2mm的6021-T4铝板刚出厂、存放3个月和存放6个月的铝板材料参数进行冲压仿真模拟，以破裂(R)和起皱(W)为评价指标，将其结果与初始工艺方案进行比较，具体结果见表6，本发明稳健性优化后的冲压工艺，对存放时间在6个月内的铝板进行冲压成形无破裂风险；对存放时间为刚出厂、3个月、6个月的铝板冲压后起皱趋势分别下降了51.4％，48.6％，47.5％。经过本发明稳健性优化后的冲压工艺，零件成形质量明显提高且稳定。

表6 初始、稳健方案对比

实际生产表明经过稳健性优化后的冲压工艺，能有效削弱铝板时效硬化造成的材料参数变动对其成形性的影响。以本发明铝板冲压工艺的稳健性优化方法设定工艺参数为依据，制造的模具(见附图6)，在铝板规定使用期内(6个月)冲压出的制件(见附图7)，质量合格且稳定。

Claims (7)

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次应变按式(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(1)、(2)中：m表示节点数，表示第i个节点的主应变，表示第i个节点的次应变，r_i表示第i个节点距离破裂安全裕度线的距离，表示第i个节点处于破裂临界时的主应变，表示第i个节点处于起皱临界时的主应变，w_i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F_j，按式(3)计算F_j值，

F_j＝λR+(1-λ)W   (3)

式中：λ为常数，取值0.7；

步骤六

按式(4)计算信噪比(SN)：

式中：F_j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(R_d)、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_ε)、抗拉强度(σ_b)、硬化指数(n)、平均厚向异性系数

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(R_d)、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_ε)、抗拉强度(σ_b)、硬化指数(n)、平均厚向异性系数中的至少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。