Automobile Technology & Material
基于正交试验的侧围外板拉延成形工艺参数优化研究
摘要：针对侧围外板拉延成形易产生开裂、起皱以及塑性变形不充分等问题，以某车型侧围外板为研究对象，对影响侧围外板拉延成形质量的工艺参数进行研究。运用单因素变量法，研究了压边力、冲压速度、摩擦系数、模具型面间隙以及拉延筋阻力系数五个变量因素对侧围外板拉延成形质量的影响。运用正交试验法和极差分析法，以降低最大减薄率为目标进行优化，筛选出最佳工艺参数组合。明确了各变量因素对侧围外板最大减薄率主次影响的优化方法，并分析了试验结果方差，得出了影响减薄率的显著因素。运用优化后的工艺参数进行成形仿真，获得了良好的成形效果。利用成形仿真结果指导现场试模，得到无开裂、起皱、塑19.8%，最大增厚率为3.6%。研究表明，将正交试验应用于成形仿真可以改性变形充分的零件，最大减薄率为善侧围外板拉延成形质量，并能提高试模成功率。
关键词：侧围外板 成形工艺 成形仿真 正交试验 极差分析 方差分析 减薄率中图分类号：U466；TG386 文献标识码：B 10.19710/J.cnki.1003-8817.20210284
DOI:作者简介：蒋磊（1987—），男，工程师，学士学位，研究方向为车身覆盖件成形工艺及装备。基金项目：国家自然科学基金面上项目(51775397, 51675392)，国家重点研发计划项目(2019YFB1704502)。
参考文献引用格式：
蒋磊, 王龙, 李十全, 等.基于正交试验的侧围外板拉延成形工艺参数优化研究[J].汽车工艺与材料, 2021（9）：42-50.
JIANG L, WANG L, LI S, et al. Research on Optimization of Drawing Process Parameters for Side Outer Panel Based on Orthogonal Test [J]. Automo⁃ bile Technology & Material, 2021(9): 42-50.
1 前言
侧围外板是车身上尺寸最大、功能最多的覆盖件之一，其产品结构复杂、特征圆角多样、成形深度
大而不均匀，表面质量和尺寸精度要求高[1~3]。在拉
延成形过程中，受材料、几何、边界非线性的影响，极
[4~6]。
易出现开裂、起皱以及塑性变形不充分等问题因此，对于侧围外板的拉延成形预测，仅凭经验很难在工程设计阶段对成形效果做出合理的判断，从而导致生产准备阶段冲压模具制造难度大、调
试周期长，进而增加冲压模具的开发成本[7~8]
。为了能够准确判断车身覆盖件成形效果，各种先进的数值模拟技术被不断应用于车身覆盖件的冲压成形仿真。利用数值模拟技术可以在产品开发前期及早识别成形缺陷，提高产品制造工艺可行性，指导冲压工艺参数优化，从而降低冲压模具制造难度，缩短冲压模具调试周期，降低冲压模具开发成本。
在运用数值模拟技术进行侧围外板成形过程分析和冲压工艺参数优化方面，诸多学者进行了
Autoform相应的研究。吴志兵[9]等利用 软件构建侧围外板工艺方案模型，并根据仿真结果改进车
身外造型概念面（Concept A Surface, CAS）分缝，解
C
决了侧围外板 柱起皱问题。王冲[10]等在产品同步工程阶段对侧围外板成形性进行有限元分析，通过修改产品结构解决了侧围外板拉延开裂问
CAE
题。侯小刚[11]等将 分析结果与精细化模面设计相结合，提高了模具研合率，解决了侧围外板轮
R GS
角起皱问题。熊文韬[12]
廓 等利用 理论和神经
Dynaform
网络遗传算法函数寻优法，在 中分析了侧围外板拉延成形过程，优化了冲压工艺参数，解决了侧围外板门槛开裂问题。吴磊[13]等将网格应变法应用于侧围外板成形数值模拟，分析了材料尺寸和拉延筋阻力系数对拉伸破裂的影响规律，
B
解决了侧围外板 柱下部开裂问题。
上述研究均采用有限元分析软件对侧围外板拉延成形过程进行了模拟，或借助一些算法模型对冲压工艺参数进行优化，并进行试模验证，得到了质量合格的零件，证明了数值模拟技术的可靠性。然而，由于未对影响成形效果的变量因素进
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行系统对比分析，导致仿真分析与试模结果仍然存在一定误差。同时，大多数研究仅是单方面追求减薄率和增厚率的最小化，而较少考虑塑性变形是否充分。充分的塑性变形是保证汽车覆盖件强度和刚度的必要条件。因此，有必要在拉延成形过程中对塑性变形充分与否进行评价。针对上述问题，本研究以某车型侧围外板为
Autoform
例，运用 软件对侧围外板拉延成形过程进行仿真分析，以最大减薄率为优化目标进行正交试验和极差分析，得到了最佳的冲压工艺参数组合，并对试验结果进行方差分析，筛选出影响最大减薄率的显著因素。将优化后的冲压工艺参数应用于成形仿真和试模验证，均获得了良好的成形效果，并保持了高度的一致性。
2 侧围外板工艺分析
1
侧围外板几何模型如图 所示，产品为非
3 095 mm×
对称结构、造型起伏大，外形尺寸为
1 136 mm×375 mm
。材料选用超深冲冷轧板，牌
JAC270F-45/45，等同于宝钢DC56D+ZF，料厚
号为
t=0.65 mm，属于一种热镀锌铁合金镀层软钢薄板， 8%~15%，材料性能参数
合金镀层中铁含量通常为
1
如表 所示。根据汽车覆盖件冲压成形技术要求和质量标准，零件成形后不允许出现开裂、起皱、塑性变形不
20%，最大增厚率
充分等缺陷，最大减薄率不得大于
5%。综合考虑产品结构特点和零件尺寸
不得大于精度要求，一般需要四道工序完成侧围外板冲压成形，即拉延、修边+整形+冲孔、翻边+整形、翻边+冲孔，其中拉延是保证侧围外板成形质量最重要的工序，同时也是成形效果预测难度最大的一道工序。
1
由图 可知，侧围外板腰线圆角为锐棱化设计，
R2.5 mm，在拉延成形过程中存在
棱线圆角半径仅棱线滑移的风险，因此在设定冲压方向时，应使棱线两侧型面与材料接触时机尽量一致；同时，在设计拉延筋时，应保证棱线两侧材料流动阻力平衡。
3 有限元模型建立
IGS Autoform将侧围外板几何模型以 格式导入软件中，首先确定冲压方向，基于成形质量、材料利
用率以及后工序工艺可行性的考虑，以车身坐标系
19°
X轴为中心旋转 作为侧围外板拉延序冲压方
Autoform
向。其次，定义仿真材料，利用 材料编辑
器，导入材料本构模型、屈服准则、FLC
曲线以及表
1
中各项材料力学性能参数，生成相应的仿真材料
MTB
参数 文件。然后在模面设计模块进行压料面
利用设计好的拉延工艺模面自动生成凸模、压边圈和凹模，并在压边圈上设置拉延筋，为了能够更准确地模拟压料面的闭合状态，拉延筋选用
3D
闭合 实体筋，所得到的拉延成形有限元模型如
4
图 所示。
4 工艺参数的影响
为了验证工艺参数对侧围外板拉延成形的影设计和工艺补充面设计，得到如图 所示的拉延工艺模面。为了进一步降低腰线在拉延过程中产生滑移线的风险，在轮拱工艺补充面区域设计了半径R25 mm、高度为20 mm
为 的隆起式余肉造型。最后在落料设计模块进行坯料形状和尺寸设计，所设计3
的坯料如图 所示。响，选取压边力、冲压速度、摩擦系数、模具型面间隙以及拉延筋阻力系数这五个工艺参数作为变量，以获得最佳成形效果为目标，运用单因素变量
FLD法分析工艺参数对成形效果的影响，并根据（成形极限图）、最大减薄率、最大增厚率等成形结果评价指标确定正交试验的取值范围。4.1 压边力的影响压边力是汽车覆盖件拉延成形过程中的重要工艺参数之一，合适的压边力能够保证材料均匀