本發(fā)明屬于車輪輪輻制造領(lǐng)域，具體是一種高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊沖模錐角角度優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

車輪輪輻是連接汽車輪輞和輪轂的主要連接件，也是車輪安全的關(guān)鍵部件，制造輪輻傳統(tǒng)的材質(zhì)主要有鋁合金和低碳鋼。隨著汽車工業(yè)對安全性能和產(chǎn)品輕量化要求的不斷提高，高強(qiáng)鋼由于具有較低的屈強(qiáng)比、成本較輕質(zhì)材料低等在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)點而廣泛應(yīng)用于輪輻成形。

傳統(tǒng)的鋼制輪輻成形工藝有沖壓和旋壓兩種。沖壓成形工藝以生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低以及適合批量生產(chǎn)等特點而被廣泛應(yīng)用于鋼制輪輻的成形。為了使輪輻最終能夠和車軸實現(xiàn)連接，輪輻的沖壓成形工藝中包括一道重要的成形工序——中心孔翻邊。然而，由于輪輻的中心孔翻邊變形量很大，生產(chǎn)時為了提高效率又往往將其與其他工序復(fù)合采用而使鋼板的翻邊變形受到額外的影響，從而導(dǎo)致輪輻的中心孔翻邊在成形時經(jīng)常出現(xiàn)翻邊開裂等缺陷，從而報廢零件，嚴(yán)重影響了鋼制輪輻的成品率。

隨著軋制工藝的發(fā)展和汽車工業(yè)的需求，強(qiáng)度高、成形難度大的高強(qiáng)鋼板料在輪輻制造業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。高強(qiáng)鋼板料在用于輪輻沖壓成形時，由于其強(qiáng)度高，成形范圍窄，導(dǎo)致成形難度大且成形質(zhì)量不易控制；再加上輪輻中心孔翻邊本身存在的特點，使得高強(qiáng)鋼輪輻的中心孔翻邊極易出現(xiàn)減薄等缺陷。目前，工廠減少輪輻中心孔翻邊開裂主要通過改變中心孔沖模的形狀，從而改善材料的流動情況而減輕開裂現(xiàn)象的發(fā)生。工廠中使用的中心孔翻邊沖模形狀主要有：錐形沖模、柱形沖模和拋物線沖模。在諸多形狀的中心孔翻邊沖模中，柱形沖模對翻邊開裂的改善不大，而拋物線沖模加工較為困難。因此，錐形沖模相較其他兩種沖模形狀在實際生產(chǎn)中獲得了更廣泛的應(yīng)用。然而，對于錐形沖模，如何獲取其錐角角度是一個難題?，F(xiàn)有的設(shè)計往往根據(jù)設(shè)計者經(jīng)驗，或者依靠反復(fù)試錯法，存在周期長、成本高、結(jié)果不夠準(zhǔn)確等缺點，這就導(dǎo)致錐形沖模無法獲得最優(yōu)錐角進(jìn)而減輕高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊時存在的開裂現(xiàn)象。目前，在沖壓模具角度優(yōu)化領(lǐng)域，專利（CN 103357734 A）為了減輕筒形件拉深時的開裂情況，提出了一種用于錐形壓邊圈進(jìn)行壓邊的模具設(shè)計方案，同時給出了獲取錐形壓邊圈最優(yōu)錐角角度的優(yōu)化方法，以實現(xiàn)在模具設(shè)計變量和材料特性給定情況下得到最優(yōu)的錐角角度進(jìn)而提供實用的筒形件拉深錐形壓邊配套模具。然而，輪輻中心孔翻邊過程中沖模錐角角度優(yōu)化尚不存在科學(xué)的指導(dǎo)方法。為此，急需開發(fā)一種高效準(zhǔn)確的鋼制輪輻中心孔翻邊沖模錐角角度優(yōu)化方法，為實際生產(chǎn)通過改變錐角角度減輕開裂提供指導(dǎo)，推動高強(qiáng)鋼輪輻成形工藝的發(fā)展。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊錐形沖模錐角角度的優(yōu)化方法，主要解決高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊時存在的翻邊開裂等技術(shù)問題。本發(fā)明的思路：通過建立正確的有限元模型模擬實際輪輻中心孔翻邊過程，選擇合適的韌性斷裂準(zhǔn)則描述翻邊成形時材料的開裂行為，并通過設(shè)計合適的算法，進(jìn)行錐角角度的優(yōu)化，從而將錐角的角度從預(yù)先設(shè)定的一個寬區(qū)間優(yōu)化縮小為長度小于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)區(qū)間，所獲區(qū)間為理論最優(yōu)錐角角度所在區(qū)間。同時有限元數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用能提高優(yōu)化效率，節(jié)約成本，實現(xiàn)精確優(yōu)化。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊沖模錐角角度優(yōu)化方法，包括以下步驟：

（1）建立高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊成形的三維有限元模型并驗證可靠性：

收集記錄實際生產(chǎn)中中心孔翻邊所在的成形工序的模具形狀尺寸，在有限元模擬軟件中建立不同模具和板料的幾何模型；根據(jù)單向拉伸試驗獲得所用高強(qiáng)鋼材料的力學(xué)性能參數(shù)，同時，為了描述中心孔翻邊開裂現(xiàn)象，選擇合適的韌性斷裂準(zhǔn)則并將其耦合到本構(gòu)關(guān)系中，從而建立起材料模型；

根據(jù)實際輪輻成形工序的相關(guān)參數(shù)，完成有限元建模的其他部分，如：幾何模型裝配、邊界條件和摩擦的設(shè)定、網(wǎng)格的劃分等；

驗證模型可靠性，計算高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊所在成形工序中變形體動能與內(nèi)能的比值以及偽應(yīng)變能與內(nèi)能的比值，若所述動能與內(nèi)能的比值在成形過程中不超過預(yù)期的數(shù)值，則可以認(rèn)為板料變形在準(zhǔn)靜態(tài)下發(fā)生的，即模型是穩(wěn)定的；同時，為進(jìn)一步驗證計算模型的正確性，將輪輻的仿真結(jié)果與實際生產(chǎn)所獲輪輻成形件結(jié)果作對比，若輪輻相關(guān)尺寸的仿真結(jié)果與所給尺寸相吻合，則驗證了所建立模型的正確性；

如果發(fā)現(xiàn)模型能量比不穩(wěn)定或者模擬成形后尺寸與給定尺寸相差較大，則返回步驟重新建模、調(diào)試，直至模型滿足要求。

（2）選定優(yōu)化初始角度θ₁，優(yōu)化區(qū)間長度θ_K和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t，優(yōu)化初始角度θ₁一般即為工廠按照經(jīng)驗等預(yù)先設(shè)計的沖模錐角角度；優(yōu)化區(qū)間長度θ_K一般選為以θ₁為中心，左右各取相同長度構(gòu)成一個區(qū)間；優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t為一個短區(qū)間，體現(xiàn)了優(yōu)化區(qū)間長度的優(yōu)化程度，其越小表示優(yōu)化程度越大，同時計算量越大。

（3）生成第一個優(yōu)化區(qū)間，此時，K₁為以θ₁為中心，長度為θ_K的一個區(qū)間；生成優(yōu)化角度序列。

（4）采用所建立的有限元模型，將模型中沖模幾何模型的錐角角度按照優(yōu)化角度序列中角度進(jìn)行設(shè)定，并進(jìn)行模擬計算，獲得優(yōu)化角度序列中每個角度所對應(yīng)的損傷值，并生成損傷值序列D=（D₁，D₂，D₃，D₄，D₅），對比損傷值序列中的損傷值，取最小的D值對應(yīng)的角度，記為θ₂；判斷此時下一個優(yōu)化區(qū)間長度θ_K是否小于等于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t，如果是，則生成并輸出下一個優(yōu)化區(qū)間K₂，作為優(yōu)化目標(biāo)區(qū)間，如果為否，則進(jìn)行下一次優(yōu)化。（為了繼續(xù)說明本發(fā)明，此處假定優(yōu)化區(qū)間長度大于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)）。

（5）生成第二個優(yōu)化區(qū)間，此時，K₂為以θ₂為中心，長度為θ_K的一個區(qū)間；生成優(yōu)化角度序列。

（6）采用所建立的有限元模型，將模型中沖模幾何模型的錐角角度按照優(yōu)化角度序列設(shè)定，進(jìn)行模擬計算，獲得優(yōu)化角度序列中每個角度所對應(yīng)的損傷值，并生成損傷值序列D=（D₁，D₂，D₃，D₄，D₅），對比損傷值序列中的損傷值，取最小的D值對應(yīng)的角度，記為θ₃；判斷此時下一個優(yōu)化區(qū)間長度θ_K是否小于等于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t，如果是，則生成并輸出下一個優(yōu)化區(qū)間K₃，作為優(yōu)化目標(biāo)區(qū)間，如果為否，則進(jìn)行下一次優(yōu)化。按上述生成優(yōu)化區(qū)間的步驟采用所建立的有限元模型循環(huán)操作直至下一步。

(7)生成第i個優(yōu)化區(qū)間，i=1,2……n，此時，K_i為以θ_i為中心，長度為θ_K的一個區(qū)間；生成優(yōu)化角度序列。

（8）采用所建立的有限元模型，將模型中沖模幾何模型的錐角角度按照優(yōu)化角度序列設(shè)定，進(jìn)行模擬計算，獲得優(yōu)化角度序列中每個角度所對應(yīng)的損傷值，并生成損傷值序列D=（D₁，D₂，D₃，D₄，D₅），對比損傷值序列中的損傷值，取最小的D值對應(yīng)的角度，記為。

（9）在進(jìn)行第i+1次優(yōu)化之前，比較θ_K與θ_t的大小，如果θ_K≤θ_t，則生成并輸出下一個優(yōu)化區(qū)間K_i+1作為目標(biāo)區(qū)間，如果θ_K>θ_t，則繼續(xù)進(jìn)行第i+1次優(yōu)化，直至優(yōu)化區(qū)間長度小于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)。

至此，利用有限元模擬的方法及設(shè)計的算法，將以θ₁為中心，以θ_K為長度的優(yōu)化區(qū)間優(yōu)化為以長度小于θ_t的目標(biāo)區(qū)間，此目標(biāo)區(qū)間中包括理論上的最優(yōu)錐角角度，實現(xiàn)了對沖模錐角的優(yōu)化，獲得了優(yōu)化后的錐角角度。如果需要提高優(yōu)化精度，只要減小優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，增加優(yōu)化次數(shù)便能獲得滿意的結(jié)果，而有限元模擬的使用避免了大量調(diào)模、制造模具、試生產(chǎn)等造成的人力物力及時間的浪費，節(jié)約成本的同時提高了效率。值得注意的是，當(dāng)損傷值序列D中的最小值出現(xiàn)在優(yōu)化區(qū)間兩端時（此時理論最優(yōu)錐角角度可能不在優(yōu)化區(qū)間內(nèi)），仍然可以通過使用該算法進(jìn)行優(yōu)化區(qū)間的外擴(kuò)而同時縮短優(yōu)化區(qū)間長度，但是此時由于區(qū)間的減半可能出現(xiàn)理論最優(yōu)錐角角度收斂較慢的情況，因此，需要將初始優(yōu)化區(qū)間的長度盡量加大，以防止由于理論最優(yōu)錐角角度不在優(yōu)化區(qū)間導(dǎo)致的收斂較慢而影響優(yōu)化效率。

本發(fā)明的有益效果是：通過建立正確的高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊工序的有限元模型，以損傷值作為衡量輪輻中心孔翻邊開裂幾率大小的指標(biāo)，經(jīng)過設(shè)定的算法，將較寬的優(yōu)化區(qū)間縮小為較小的目標(biāo)區(qū)間，獲得理論最優(yōu)錐角角度所在的較精確的區(qū)間。從而能夠有效改進(jìn)工藝設(shè)計方案并優(yōu)化模具參數(shù)，提高輪輻產(chǎn)品質(zhì)量，避免試錯法的缺陷，進(jìn)而在高強(qiáng)鋼輪輻生產(chǎn)時降低生產(chǎn)成本和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，推動高強(qiáng)鋼車輪的應(yīng)用和發(fā)展。

附圖說明

圖1是高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊沖模錐角角度優(yōu)化方法流程圖；

圖2是本發(fā)明實施例中所用翻邊沖模及錐角角度示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例建立板料和成形模具幾何模型示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例有限元模型示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例模型動能/內(nèi)能、偽應(yīng)變能/內(nèi)能的比值圖；

圖6是本發(fā)明實施例試驗與模擬壁厚變化率對比示意圖；

其中：1. 上模芯 2. 板料 3. 下模芯 4. 壓邊圈 5. 下模芯套。

具體實施方式

本發(fā)明是一種高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊沖模錐角角度優(yōu)化方法?，F(xiàn)以某公司車輪輪輻反拉深-翻邊復(fù)合成形工序為對象，梅鋼B550CL高強(qiáng)鋼作為輪輻材料，給出本發(fā)明的具體實施例，對反拉深-翻邊復(fù)合成形工序中的中心孔翻邊沖模錐角角度進(jìn)行優(yōu)化（錐角角度如圖2），參照圖1，其步驟如下：

（1）建立高強(qiáng)鋼輪輻中心孔翻邊成形的三維有限元模型并驗證可靠性：

本實施例選用的有限元模擬軟件為ABAQUS，首先根據(jù)反拉深-翻邊復(fù)合成形工序的板料和模具形狀尺寸，建立板料和模具的幾何模型如圖3所示（由于對稱性，建模為實際的1/4）；采用單向拉伸試驗獲得高強(qiáng)鋼B550CL的力學(xué)性能參數(shù)，建立其板料的材料模型。為了描述材料在翻邊過程的開裂行為，本實施例選用了韓國學(xué)者YK KO等人2007年在Journal of Materials Processing Technology(材料加工技術(shù)雜志)發(fā)表的論文“Prediction of fracture in hub-hole expanding process using a new ductile fracture criterion” （一種用于預(yù)測輪輻中心孔擴(kuò)孔工序開裂的新型韌性斷裂準(zhǔn)則）中的斷裂準(zhǔn)則，表達(dá)式為D=，通過ABAQUS的VUMAT接口將耦合了韌性斷裂準(zhǔn)則的本構(gòu)子程序嵌入到有限元模型中；

根據(jù)實際輪輻成形工序的相關(guān)參數(shù)，將幾何模型進(jìn)行裝配，完成邊界條件和摩擦的設(shè)定并對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終建立的有限元模型如圖4；

為了驗證模型可靠性，計算輪輻拉深沖孔過程中變形體動能與內(nèi)能的比值以及偽應(yīng)變能與內(nèi)能的比值，如圖5所示。由圖可見，模擬過程中的大部分時間內(nèi)動能與內(nèi)能的比值較?。ㄐ∮?%），因此輪輻成形過程中沒有明顯的動態(tài)效應(yīng)；此外模型的偽應(yīng)變能與內(nèi)能的比值也很小（小于1%），說明模型的沙漏情況較輕，因此計算模型中采用的網(wǎng)格精度是足夠的，因此建立的有限元模型是穩(wěn)定合理的；

為進(jìn)一步驗證計算模型的正確性，在試驗所得輪輻和模擬結(jié)果上相同位置取16個節(jié)點，分別計算其壁厚變化率，如圖6所示。從圖中可以看出，模擬與試驗結(jié)果的壁厚變化率分布趨勢一致，最大誤差不過5%，從而說明了所建模型的準(zhǔn)確性。

（2）根據(jù)工程設(shè)計角度和生產(chǎn)經(jīng)驗，選定優(yōu)化初始角度θ₁為10°，優(yōu)化區(qū)間長度θ_K為10°，優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t為3°。

（3）生成第一個優(yōu)化區(qū)間K₁=[5°，15°]和第一個優(yōu)化角度序列（5°，7.5°，10°，12.5°，15°）。

（4）采用所建立的有限元模型，將模型中沖模的錐角角度（如圖2所示，沖模安裝在上模芯1的對稱中心處）依次設(shè)為優(yōu)化角度序列（5°，7.5°，10°，12.5°，15°），進(jìn)行模擬計算，獲得優(yōu)化角度序列中每個角度所對應(yīng)的損傷值，生成的損傷值序列D=（1.472,1.570,1.538,1.393,1.395），可以發(fā)現(xiàn)最小的D值1.393對應(yīng)的角度為12.5°，記為θ₂；由于下一個優(yōu)化區(qū)間長度θ_K等于5°，大于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t，所以繼續(xù)進(jìn)行下一次優(yōu)化。

（5）生成第二個優(yōu)化區(qū)間K₂=[10°，15°]和優(yōu)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，將模型中沖模幾何模型的錐角角度按照優(yōu)化角度序列設(shè)定，進(jìn)行模擬計算，獲得優(yōu)化角度序列中每個角度所對應(yīng)的損傷值，并生成損傷值序列D=（1.538,1.418,1.393,1.360,1.395），對比損傷值序列中的損傷值，取最小的D值1.360對應(yīng)的角度13.75°，記為θ₃；此時下一個優(yōu)化區(qū)間長度θ_K=2.5°小于優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)θ_t，則生成并輸出K₃=[12.5°,15°]作為優(yōu)化目標(biāo)區(qū)間。

至此，通過有限元建模和設(shè)定算法，將優(yōu)化區(qū)間從[5°,15°]優(yōu)化為[12.5°,15°]，實現(xiàn)了對沖模錐角角度的優(yōu)化。

以上所述，僅是本發(fā)明的實施實例，并非對本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，如果想要提高精度，可以通過縮短實施例中優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)的長度來實現(xiàn)。故凡是根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實例所作的任何細(xì)微修改，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。