1、第 卷 第期 年 月成都工业学院学报 ，：收稿日期：基金项目：福建省教育厅中青年教师教育科研项目（科技类）（）第一作者简介：刘伟宝（），男，讲师，硕士，研究方向：机械设计、汽车轻量化，电子邮箱：。汽车 柱内板热冲压成形工艺优化的模拟分析刘伟宝，柯桂颜（黎明职业大学 智能制造工程学院，福建 泉州）摘要：针对某品牌汽车 柱内板的成形工艺问题，研究了零件 高强度钢的热冲压成形参数对成形质量的影响，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，通过正交实验和极差分析，获得零件热冲压成形的最优工艺参数，并完成最优工艺参数的成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件的厚度分布均匀，零件最大减薄率为，最大增厚率
2、为，零件的回弹量小，最大回弹量为 ，该零件成形质量符合设计要求，表明了该零件热冲压成形优化方案的可行性。关键词：柱内板；热冲压；工艺参数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；目前，中国汽车工业飞速发展，汽车保有量逐年上升，同时也面临能源、环保等问题，如何开发节能环保的“绿色汽车”受到各汽车厂商的重视。实现“绿色汽车”的主要方法为应用新能源、优化引擎性能和汽车轻量化等，其中汽车轻量化是较为有效的方法。据相关研究表明，汽车质量减少，百公里可节省.燃油。汽车轻量化的方法主要为材料优化和结构优化两种，材料优化是使用高性能或轻质材料替代普通材料，例如使用高强钢或铝合金材料替代普通钢铁材料
3、达到车身减重的目的；结构优化是通用对零件的内部结构进行改进和优化达到减少材料用量。汽车 柱内板属于钣金件，很难通过结构优化实现轻量化，采用材料优化是比较合理的方法。高强钢具有安全性高、成本低廉等优点，是汽车轻量化用材应用最广泛的材料，但在冷冲压成形中易出现开裂和回弹问题，为了解决这些问题，可采用热冲压成形技术。在热冲压成形中板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度等工艺参数对零件成形质量有较大影响，因此，对热冲压成形工艺参数优化具有十分重要的意义。本文以某汽车 柱内板为例，运用 软件对热冲压成形中的板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度进行优化，获得最优工艺参数，并完成模拟分析。汽车
4、 柱内板热冲压成形仿真参数设计.有限元模型设计图 为某品牌汽车 柱内板的三维设计图。零成都工业学院学报：第 卷件是位于汽车前门与后门的交界处，起着支撑和安全保护作用，需具备高强度和抗碰撞能力。零件呈 字形状，尺寸为 ，设计厚度为.，型面形状复杂且拉延深度大，在成形过程中易出现开裂和回弹现象。图 汽车 柱内板的三维设计图利用 软件中的 模块完成汽车 柱内板工艺补充面和压料面设计，并通过 模块进行凸模、凹模、压边圈和坯料等工具的设计，在 模块对各个工具进行定位及参数设置，完成有限元模型设计，如图 所示。图 有限元模型.板料模型及参数设计汽车 柱内板设计材料为 高强度钢，根据材料的各向同性可知，材料
5、模型有 （）和 （）种模型可选，同时还需要考虑材料在热冲压成形过程中热力耦合和组织转变下弹性变形，使用 材料模型能更加准确反映材料性能与温度变化的关系，可以提高成形仿真的精度，因此本实验 高强度钢板选用 材料模型。高强度钢的性能随温度变化而变化，温度变化范围为 ，实验主要的各温度点的弹性模量、泊松比、考珀西蒙黏性影响系数（和）如表 所示。表 高强度钢实验主要温度点性能温度 弹性模量 泊松比.汽车 柱内板热冲压成形质量优化.热冲压成形质量评价设计汽车 柱内板形状复杂，拉深深度大，在成形中材料内部发生滑移会造成板料厚度不均匀，造成零件开裂或折皱现象，可通过零件的最大减薄率和最大增厚率判别其是否合格
6、。最大减薄率 和最大增厚率 为：，（）。（）式中：为板料成形前的厚度；为板料成形后的厚度。最大减薄率达到一定值时，材料变形超过极限会发生开裂，严重影响零件的安全性，汽车 柱内板的设计要求最大减薄率不超过，即；最大增厚率达到一定值时，材料会出现起皱或堆积，对零件的强度和有效性带来影响，汽车 柱内板设计要求最大增厚率不超过，即。在热冲压过程中，板料在发生塑性变形过程中有部分区域仍是弹性变形，卸载后弹性变形会恢复原状即回弹现象，回弹会影响零件的尺寸精度，造成零件无法顺利安装。可通过零件的最大回弹量评判其是否合格，最大回弹量 为：（）。（）式中：为回弹件测量点位置；为设计件测量点位置。汽车 柱内板属于
7、多点位配合件，安装精度要求高，最大回弹量要求不超过 ，即 。.热冲压成形正交实验设计热冲压成形涉及多个工艺参数，如果将每个工艺参数都进行组合需要花费大量的时间。正交实验是基于数理统计理论和正交性原理设计出具有代表性的实验组合，能够合理地减少实验数量，是工艺分析中最常用的方法之一。年第 期刘刘伟伟宝宝，等等：汽汽车车 柱柱内内板板热热冲冲压压成成形形工工艺艺优优化化的的模模拟拟分分析析实验选取板料初始温度、模具初始温度、压边力和冲压速度作为试验因素，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标完成热冲压成形工艺参数优化。板料初始温度会影响板料进入奥氏体化和组织 的 均 匀 性，进 而 影 响
8、板 料 的 成 形 性，根 据 高强度钢奥氏体化温度（）及板料加热后到达模具成形需要一定时间会使温度下降，本实验板料初始温度选取，；模具初始温度会影响成形时板料温度下降速度和模具的寿命，本实验模具初始温度选取，；压边力会影响板料在成形过程的流动性和模具的磨损程度，根据压边力的计算公式（式）可得压边力为，本实验压边力选取，；冲压速度会影响热冲压成形的效率和板料塑性变形程度，根据塑性变化理论和冲压机设备参数，本实验冲压速度选取，。各因素和各水平的取值范围见表。（）式中：为压边力，；为压边圈的面积，；为单位压边力，。表 各因素和各水平的取值范围水平板料初始温度 模具初始温度 压边力 冲压速度（）.热
9、冲压成形正交实验结果及分析根据正交实验设计原理完成 因素 水平的（）正交实验表，并将正交表中的各参数组合通过 软件进行成形仿真和回弹分析，获得零件的最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量 个评价目标，如表 所示，零件的最大减薄率在.，方案 的最大减薄率为.，超过设计要求（）；零件的最大增厚率在.，方案、方案、方案 和方案 的最大增厚率超过设计要求（）；零件的最大回弹量在.，所有方案的最大回弹量均符合设计要求（）。表 为各评价目标的极差分析统计表。根据最大减薄率的极差分析结果可知，以最大减薄率为评价指标时，影响零件最大减薄率的因素主次关系为模具初始温度板料初始温度冲压速度压边力，最优工艺参数为模具初
10、始温度 、板料初始温度 、冲压速度 、压边力；根据最大增厚率的极差分析结果可知，以最大增厚率为评价指标时，影响零件最大增厚率的因素主次关系为板料初始温度模具初始温度冲压速度压边力，最优工艺参数为板料初始温度 、模具初始温度 、冲压速度 、压边力；根据最大回弹量的极差分析结果可知，以最大回弹量为评价指标时，影响零件最大回弹量的因素主次关系为压边力模具初始温度冲压速度板料初始温度，最优工艺参数为压边力 、模具初始温度 、冲压速度 、板料初始温度。由上述分析可知，根据不同的评价目标热冲压最优工艺参数不一致，因此需要进行多目标优化，使各评价目标值同时达到最小值，利用 软件进行多目标优化求解，获得最优工
11、艺参数为板料初始温度 、模具初始温度 、压边力 、冲压速度 。表 正交实验结果统计方案号板料初始温度 模具初始温度 压边力 冲压速度（）最大减薄率 最大增厚率 最大回弹量.成都工业学院学报：第 卷表 各评价目标的极差分析统计评价指标板料初始温度 模具初始温度 压边力 冲压速度（）最大减薄率的极差分析均值.均值.均值.极差.最大增厚率的极差分析均值.均值.均值.极差.最大回弹量的极差分析均值.均值.均值.极差.最优工艺参数的仿真分析将上述多目标优化后的最优工艺参数导入 软件进行热冲压成形仿真和回弹分析，获得零件的成形极限见图，厚度分布见图，回弹分布见图。图 零件成形极限图 零件厚度分布图 零件回
12、弹量分布由图 可知，零件成形极限大部分区域处于安全状态，未出现开裂现象，只有少部分区域处于起皱状态，零件是内板件少部分起皱不会对性能造成很大影响；由图 可知，零件的最小厚度为.，最大厚度为.，对应的最大减薄率为.，最大增厚率为.，个评价指标均在允许范围内；由图 可知，零件的最大回弹量为.，最大回弹发生在右上角区域，整体的回弹量分布符合零件后续的装配要求。结论本文以某品牌汽车的 柱内板件为实例，完成成形质量评价设计，通过正交实验和极差分析法，以最大减薄率、最大增厚率和最大回弹量为评价目标，求解出热冲压成形最优工艺参数，并对最优工艺参数组合进行热冲压成形仿真和回弹分析，仿真结果表明零件最大减薄率为
13、.、最大增厚 率 为.、最大回弹量为.，个评价目标均符合设计要求，本文的优化方案可以为同类零件的热冲压成形优化提供参考。参考文献：刘建荣，郝小妮.考虑环保意识的低碳出行行为研究.交通运输系统工程与信息，（）：.陈志耀，马天战，马丹萍.汽车轻量化的技术动向.汽车零部件，（）：.李洺君，王明明，吕文静.汽车轻量化材料的应用及现状.时代汽车，（）：.王童，杜轶群，陈轶嵩，等.基于结构轻量化的城市客车车身生命周期评价.汽车工程，（）：.刘芳.乘用车车身结构轻量化设计影响因素研究.湖南文理学院学报（自然科学版），（）：，.（下转第 页）年第 期宋宋新新建建：以以共共享享发发展展理理念念提提升升农农村村基
14、基础础教教育育公公平平周露芳.难为与能为：立足区域差异分析教育公平的短板与补板路径.教育理论与实践，（）：.柏龙彪.共享发展理念下的农村基础教育资源优化配置策略研究.农村经济，（）：.金丹丹.“互联网”视域下乡村教育问题及策略研究.农村经济与科技，（）：.教育部，中央组织部，中央编办，等.教育部等六部门关于加强新时代乡村教师队伍建设的意见.中华人民共和国教育部公报，（）：.葛丰.保障教育公平要有真招实效.中国经济周刊，（）：.张娟，吕嘉捷.新型城镇化背景下乡村教育治理的现实困境与路径优化.百色学院学报，（）：.佚名.关于全面深化新时代全省教师队伍建设改革的实施意见（摘要）.山东人力资源和社会保
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