CN106294889B - 一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于车轮轮辐制造领域，具体是一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法。主要解决高强钢轮辐中心孔翻边时存在的翻边开裂等技术问题。本发明通过建立正确的有限元模型模拟实际轮辐中心孔翻边过程，选择合适的韧性断裂准则描述翻边成形时材料的开裂行为，并通过设计合适的算法，进行锥角角度的优化，从而将锥角的角度从预先设定的一个宽区间优化缩小为长度小于设定标准的目标区间，所获区间为理论最优锥角角度所在区间。同时有限元数值模拟技术的应用能提高优化效率，节约成本，实现精确优化。
Description
技术领域
本发明属于车轮轮辐制造领域，具体是一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法。
背景技术
车轮轮辐是连接汽车轮辋和轮毂的主要连接件，也是车轮安全的关键部件，制造轮辐传统的材质主要有铝合金和低碳钢。随着汽车工业对安全性能和产品轻量化要求的不断提高，高强钢由于具有较低的屈强比、成本较轻质材料低等在安全性和经济性方面的优点而广泛应用于轮辐成形。
传统的钢制轮辐成形工艺有冲压和旋压两种。冲压成形工艺以生产效率高、生产成本低以及适合批量生产等特点而被广泛应用于钢制轮辐的成形。为了使轮辐最终能够和车轴实现连接，轮辐的冲压成形工艺中包括一道重要的成形工序——中心孔翻边。然而，由于轮辐的中心孔翻边变形量很大，生产时为了提高效率又往往将其与其他工序复合采用而使钢板的翻边变形受到额外的影响，从而导致轮辐的中心孔翻边在成形时经常出现翻边开裂等缺陷，从而报废零件，严重影响了钢制轮辐的成品率。
随着轧制工艺的发展和汽车工业的需求，强度高、成形难度大的高强钢板料在轮辐制造业的应用越来越广泛。高强钢板料在用于轮辐冲压成形时，由于其强度高，成形范围窄，导致成形难度大且成形质量不易控制；再加上轮辐中心孔翻边本身存在的特点，使得高强钢轮辐的中心孔翻边极易出现减薄等缺陷。目前，工厂减少轮辐中心孔翻边开裂主要通过改变中心孔冲模的形状，从而改善材料的流动情况而减轻开裂现象的发生。工厂中使用的中心孔翻边冲模形状主要有：锥形冲模、柱形冲模和抛物线冲模。在诸多形状的中心孔翻边冲模中，柱形冲模对翻边开裂的改善不大，而抛物线冲模加工较为困难。因此，锥形冲模相较其他两种冲模形状在实际生产中获得了更广泛的应用。然而，对于锥形冲模，如何获取其锥角角度是一个难题。现有的设计往往根据设计者经验，或者依靠反复试错法，存在周期长、成本高、结果不够准确等缺点，这就导致锥形冲模无法获得最优锥角进而减轻高强钢轮辐中心孔翻边时存在的开裂现象。目前，在冲压模具角度优化领域，专利（CN 103357734 A）为了减轻筒形件拉深时的开裂情况，提出了一种用于锥形压边圈进行压边的模具设计方案，同时给出了获取锥形压边圈最优锥角角度的优化方法，以实现在模具设计变量和材料特性给定情况下得到最优的锥角角度进而提供实用的筒形件拉深锥形压边配套模具。然而，轮辐中心孔翻边过程中冲模锥角角度优化尚不存在科学的指导方法。为此，急需开发一种高效准确的钢制轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法，为实际生产通过改变锥角角度减轻开裂提供指导，推动高强钢轮辐成形工艺的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强钢轮辐中心孔翻边锥形冲模锥角角度的优化方法，主要解决高强钢轮辐中心孔翻边时存在的翻边开裂等技术问题。本发明的思路：通过建立正确的有限元模型模拟实际轮辐中心孔翻边过程，选择合适的韧性断裂准则描述翻边成形时材料的开裂行为，并通过设计合适的算法，进行锥角角度的优化，从而将锥角的角度从预先设定的一个宽区间优化缩小为长度小于设定标准的目标区间，所获区间为理论最优锥角角度所在区间。同时有限元数值模拟技术的应用能提高优化效率，节约成本，实现精确优化。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法，包括以下步骤：
（1）建立高强钢轮辐中心孔翻边成形的三维有限元模型并验证可靠性：
收集记录实际生产中中心孔翻边所在的成形工序的模具形状尺寸，在有限元模拟软件中建立不同模具和板料的几何模型；根据单向拉伸试验获得所用高强钢材料的力学性能参数，同时，为了描述中心孔翻边开裂现象，选择合适的韧性断裂准则并将其耦合到本构关系中，从而建立起材料模型；
根据实际轮辐成形工序的相关参数，完成有限元建模的其他部分，如：几何模型装配、边界条件和摩擦的设定、网格的划分等；
验证模型可靠性，计算高强钢轮辐中心孔翻边所在成形工序中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，若所述动能与内能的比值在成形过程中小于5%，伪应变能与内能的比值小于1%，则可以认为板料变形在准静态下发生的，即模型是稳定的；同时，为进一步验证计算模型的正确性，将轮辐的仿真结果与实际生产所获轮辐成形件结果作对比，若轮辐相关尺寸的仿真结果与所给尺寸相吻合，则验证了所建立模型的正确性；
如果发现所述动能与内能的比值在成形过程中大于等于5%，伪应变能与内能的比值大于等于1%，或者轮辐相关尺寸的仿真结果与给定尺寸不吻合，则返回步骤①重新建模、调试，直至模型满足要求。
（2）选定优化初始角度θ 1 ，优化区间长度θ K 和优化标准θ t ，优化初始角度θ 1 一般即为工厂按照经验等预先设计的冲模锥角角度；优化区间长度θ K 一般选为以θ 1 为中心，左右各取相同长度构成一个区间；优化标准θ t 为一个短区间，体现了优化区间长度的优化程度，其越小表示优化程度越大，同时计算量越大。
（3）生成第一个优化区间，此时，K 1 为以θ 1 为中心，长度为θ K 的一个区间；生成优化角度序列。
（4）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列中角度进行设定，并进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为θ 2 ；判断此时下一个优化区间长度 θ K 是否小于等于优化标准θ t ，如果是，则生成并输出下一个优化区间K 2 ，作为优化目标区间，如果为否，则进行下一次优化。（为了继续说明本发明，此处假定优化区间长度大于优化标准）。
（5）生成第二个优化区间，此时，K 2 为以θ 2 为中心，长度为 θ K 的一个区间；生成优化角度序列。
（6）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列设定，进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为θ 3 ；判断此时下一个优化区间长度 θ K 是否小于等于优化标准θ t ，如果是，则生成并输出下一个优化区间K 3 ，作为优化目标区间，如果为否，则进行下一次优化。按上述生成优化区间的步骤采用所建立的有限元模型循环操作直至下一步。
(7)生成第i个优化区间，i=1,2……n，此时，K i 为以θ i 为中心，长度为 θ K 的一个区间；生成优化角度序列。
（8）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列设定，进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为。
（9）在进行第i+1次优化之前，比较 θ K 与θ t 的大小，如果 θ K ≤θ t ，则生成并输出下一个优化区间K i+1 作为目标区间，如果 θ K >θ t ，则继续进行第i+1次优化，直至优化区间长度小于优化标准。
至此，利用有限元模拟的方法及设计的算法，将以θ 1 为中心，以θ K 为长度的优化区间优化为以长度小于θ t 的目标区间，此目标区间中包括理论上的最优锥角角度，实现了对冲模锥角的优化，获得了优化后的锥角角度。如果需要提高优化精度，只要减小优化标准，增加优化次数便能获得满意的结果，而有限元模拟的使用避免了大量调模、制造模具、试生产等造成的人力物力及时间的浪费，节约成本的同时提高了效率。值得注意的是，当损伤值序列D中的最小值出现在优化区间两端时（此时理论最优锥角角度可能不在优化区间内），仍然可以通过使用该算法进行优化区间的外扩而同时缩短优化区间长度，但是此时由于区间的减半可能出现理论最优锥角角度收敛较慢的情况，因此，需要将初始优化区间的长度尽量加大，以防止由于理论最优锥角角度不在优化区间导致的收敛较慢而影响优化效率。
本发明的有益效果是：通过建立正确的高强钢轮辐中心孔翻边工序的有限元模型，以损伤值作为衡量轮辐中心孔翻边开裂几率大小的指标，经过设定的算法，将较宽的优化区间缩小为较小的目标区间，获得理论最优锥角角度所在的较精确的区间。从而能够有效改进工艺设计方案并优化模具参数，提高轮辐产品质量，避免试错法的缺陷，进而在高强钢轮辐生产时降低生产成本和缩短产品研发周期，推动高强钢车轮的应用和发展。
附图说明
图1是高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法流程图；
图2是本发明实施例中所用翻边冲模及锥角角度示意图；
图3是本发明实施例建立板料和成形模具几何模型示意图；
图4是本发明实施例有限元模型示意图；
图5是本发明实施例模型动能/内能、伪应变能/内能的比值图；
图6是本发明实施例试验与模拟壁厚变化率对比示意图；
其中：1.上模芯 2. 板料 3.下模芯 4.压边圈 5.下模芯套。
具体实施方式
本发明是一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法。现以某公司车轮轮辐反拉深-翻边复合成形工序为对象，梅钢B550CL高强钢作为轮辐材料，给出本发明的具体实施例，对反拉深-翻边复合成形工序中的中心孔翻边冲模锥角角度进行优化（锥角角度如图2），参照图1，其步骤如下：
（1）建立高强钢轮辐中心孔翻边成形的三维有限元模型并验证可靠性：
本实施例选用的有限元模拟软件为ABAQUS，首先根据反拉深-翻边复合成形工序的板料和模具形状尺寸，建立板料和模具的几何模型如图3所示（由于对称性，建模为实际的1/4）；采用单向拉伸试验获得高强钢B550CL的力学性能参数，建立其板料的材料模型。为了描述材料在翻边过程的开裂行为，本实施例选用了韩国学者YK KO等人2007年在Journal of Materials Processing Technology(材料加工技术杂志)发表的论文“Prediction of fracture in hub-hole expanding process using a new ductilefracture criterion” （一种用于预测轮辐中心孔扩孔工序开裂的新型韧性断裂准则）中的断裂准则，表达式为D=，通过ABAQUS的VUMAT接口将耦合了韧性断裂准则的本构子程序嵌入到有限元模型中；
根据实际轮辐成形工序的相关参数，将几何模型进行装配，完成边界条件和摩擦的设定并对网格进行划分，最终建立的有限元模型如图4；
为了验证模型可靠性，计算轮辐拉深冲孔过程中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，如图5所示。由图可见，模拟过程中的大部分时间内动能与内能的比值较小（小于5%），因此轮辐成形过程中没有明显的动态效应；此外模型的伪应变能与内能的比值也很小（小于1%），说明模型的沙漏情况较轻，因此计算模型中采用的网格精度是足够的，因此建立的有限元模型是稳定合理的；
为进一步验证计算模型的正确性，在试验所得轮辐和模拟结果上相同位置取16个节点，分别计算其壁厚变化率，如图6所示。从图中可以看出，模拟与试验结果的壁厚变化率分布趋势一致，最大误差不过5%，从而说明了所建模型的准确性。
（2）根据工程设计角度和生产经验，选定优化初始角度θ 1 为10°，优化区间长度θ K 为10°，优化标准θ t 为3°。
（3）生成第一个优化区间K 1 =[5°，15°]和第一个优化角度序列（5°，7.5°，10°，12.5°，15°）。
（4）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模的锥角角度（如图2所示，冲模安装在上模芯1的对称中心处）依次设为优化角度序列（5°，7.5°，10°，12.5°，15°），进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，生成的损伤值序列D=（1.472,1.570,1.538,1.393,1.395），可以发现最小的D值1.393对应的角度为12.5°，记为θ 2 ；由于下一个优化区间长度 θ K 等于5°，大于优化标准θ t ，所以继续进行下一次优化。
（5）生成第二个优化区间K 2 =[10°，15°]和优化角度序列（10°，11.25°，12.5°，13.75°，15°）。
（6）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列设定，进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（1.538,1.418,1.393,1.360,1.395），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值1.360对应的角度13.75°，记为θ 3 ；此时下一个优化区间长度 θ K =2.5°小于优化标准θ t ，则生成并输出K 3 =[12.5°,15°]作为优化目标区间。
至此，通过有限元建模和设定算法，将优化区间从[5°,15°]优化为[12.5°,15°]，实现了对冲模锥角角度的优化。
以上所述，仅是本发明的实施实例，并非对本发明的技术范围作任何限制，如果想要提高精度，可以通过缩短实施例中优化标准的长度来实现。故凡是根据本发明的技术实质对以上实例所作的任何细微修改，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (2)
1.一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法，其特征是包括以下步骤：
（1）建立高强钢轮辐中心孔翻边成形的三维有限元模型并验证可靠性：
收集记录实际生产中中心孔翻边所在的成形工序的模具形状尺寸，在有限元模拟软件中建立不同模具和板料的几何模型；根据单向拉伸试验获得所用高强钢材料的力学性能参数，同时，为了描述中心孔翻边开裂现象，选择合适的韧性断裂准则并将其耦合到本构关系中，从而建立起材料模型；
根据实际轮辐成形工序的相关参数，完成有限元建模的其他部分：几何模型装配、边界条件和摩擦的设定、网格的划分；
验证模型可靠性，计算高强钢轮辐中心孔翻边所在成形工序中变形体动能与内能的比值以及伪应变能与内能的比值，若所述动能与内能的比值在成形过程中小于5%，伪应变能与内能的比值小于1%，则可以认为板料变形在准静态下发生的，即模型是稳定的；同时，为进一步验证计算模型的正确性，将轮辐的仿真结果与实际生产所获轮辐成形件结果作对比，若轮辐相关尺寸的仿真结果与所给尺寸相吻合，则验证了所建立模型的正确性；
如果发现所述动能与内能的比值在成形过程中大于等于5%，伪应变能与内能的比值大于等于1%，或者轮辐相关尺寸的仿真结果与给定尺寸不吻合，则返回步骤①重新建模、调试，直至模型满足要求；
（2）选定优化初始角度θ 1 ，优化区间长度θ K 和优化标准θ t ，优化初始角度θ 1 即为工厂预先设定的冲模锥角角度，优化区间长度θ K 选为以θ 1 为中心，左右各取相同长度构成一个区间；优化标准θ t 为一个短区间，体现优化区间长度的优化程度；
（3）生成第一个优化区间，此时，K 1 为以θ 1 为中心，长度为θ K 的一个区间；生成优化角度序列；
（4）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列中角度进行设定，并进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为θ 2 ；判断此时下一个优化区间长度 θ K 是否小于等于优化标准θ t ，如果是，则生成并输出下一个优化区间K 2 ，作为优化目标区间，如果为否，则进行下一次优化；
（5）生成第二个优化区间，此时，K 2 为以θ 2 为中心，长度为 θ K 的一个区间；生成优化角度序列；
（6）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列设定，进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为θ 3 ；判断此时下一个优化区间长度 θ K 是否小于等于优化标准θ t ，如果是，则生成并输出下一个优化区间K 3 ，作为优化目标区间，如果为否，则进行下一次优化；按上述生成优化区间的步骤采用所建立的有限元模型循环操作直至下一步；
(7)生成第i个优化区间，i=1,2……n，此时，K i 为以θ i 为中心，长度为 θ K 的一个区间；生成优化角度序列；
（8）采用所建立的有限元模型，将模型中冲模几何模型的锥角角度按照优化角度序列设定，进行模拟计算，获得优化角度序列中每个角度所对应的损伤值，并生成损伤值序列D=（D 1 ，D 2 ，D 3 ，D 4 ，D 5 ），对比损伤值序列中的损伤值，取最小的D值对应的角度，记为；
（9）在进行第i+1次优化之前，比较 θ K 与θ t 的大小，如果 θ K ≤θ t ，则生成并输出下一个优化区间K i+1 作为目标区间，如果 θ K >θ t ，则继续进行第i+1次优化，直至优化区间长度小于优化标准。
2.根据权利要求1所述的一种高强钢轮辐中心孔翻边冲模锥角角度优化方法，其特征是：当损伤值序列D中的最小值出现在优化区间两端时，仍然可以进行优化区间的外扩而同时缩短优化区间长度；为了提高优化效率，此时需要加大初始优化区间的长度。
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