基于正交試驗法的托架沖壓成形模擬分析與優(yōu)化

熊文韜，楊垠耘，劉泓濱，鄧利君

（1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明學院 自動控制與機械工程學院，云南 昆明 650214）

基于正交試驗法的托架沖壓成形模擬分析與優(yōu)化

熊文韜1，楊垠耘1，劉泓濱1，鄧利君2

（1.昆明理工大學 機電工程學院，云南 昆明 650500；2.昆明學院 自動控制與機械工程學院，云南 昆明 650214）

本文基于正交試驗法，利用有限元分析軟件Dynaform，對某型托架沖壓過程進行數(shù)值模擬分析。通過設定壓邊力、摩擦系數(shù)、沖壓速度、板料尺寸和模具間隙等5個因素，參照五水平正交試驗表對25個不同組合進行試驗，并以減薄率、增厚率以及側壁破裂情況為三個評定指標，結合綜合平衡法對托架零件沖壓性能進行數(shù)值模擬并找出影響托架表面質量的主要因素。最后，對上述參數(shù)進行優(yōu)化，從而得到較高表面質量的托架。本文在相同類型產品加工過程中減少失穩(wěn)起皺、破裂，改善零件表面質量方面提供了一定的理論基礎。

沖壓成形；數(shù)值模擬；正交試驗法；參數(shù)優(yōu)化；托架

金屬板料的成形是一種大撓度且具有大變形的塑性變形過程。成形過程中出現(xiàn)的各種缺陷，對零件精度、表面質量及力學性能會造成不同程度的影響。其主要缺陷有失穩(wěn)起皺、拉裂和回彈，等。

目前，企業(yè)運用有限元數(shù)值模擬方法進行工藝參數(shù)選擇時，通常也是以試錯法形式來獲得較好的結果。隨著計算機數(shù)值模擬技術以及有限元方法的成熟，可以預測拉深的成形性能[1]。

基于此，本文從某型托架入手，基于正交試驗法，利用美國ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的專用軟件——Dynaform，模擬該零件沖壓過程，以減薄率、增厚率以及側壁破裂情況作為評定指標，分析了壓邊力、摩擦系數(shù)、板料厚度、沖壓速度以及模具間隙對零件成形造成的影響，并對相應參數(shù)進行優(yōu)化。本文為相關問題的解決提供了理論依據。

1 模型建立

1.1 托架三維模型建立

利用UG NX 8.0對該零件進行三維模型構建。材料選用SPCD鋼。如圖1所示。

圖1 某型托架三維圖形

1.2 材料模型建立

材料相關性能參數(shù)如表1所示。

表1 所選材料力學性能

1.3 有限元模型建立

利用Dynaform軟件建立有限元模型的基本流程為：①利用UG NX軟件將建立好的三維模型轉化為IGS格式導出；②將IGS格式模型導入Dynaform軟件中進行工藝補充（DFE模塊），進行坯料工程（BSE模塊）求得毛坯（也可以在UG單獨建立）；③利用AutoSetup模塊依次對板料、凸模、凹模、壓邊圈進行設定、網格劃分、檢查并修正可能的缺陷；④設定板料、凸模、凹模和壓邊圈的相關參數(shù)（板料厚度、材料、摩擦系數(shù)、沖壓速度、壓邊力等）；⑤發(fā)布任務至LS－DYNA求解器，進行求解。如圖2所示為建立完成的有限元模型。

圖2 某型托架有限元模型

2 建立正交試驗

正交試驗設計是研究較多因素間交互作用的一種重要的試驗方法。通過對試驗因素的合理調整，可從大量的試驗點中選取適量的具有代表性的試驗點，以獲得比較滿意的試驗結果[2]。

2.1 因素和水平的設定

設定壓邊力、摩擦系數(shù)、板料厚度、沖壓速度以及模具間隙這5個方面為試驗中的5因素；為了較為精確地反映各因素對該零件表面質量的影響情況，分別設定5個水平。

本文中壓邊力的確定是基于參考文獻[4]中壓邊力計算公式所得結果（如式1所示）；摩擦系數(shù)通用的選擇標準為：良好滑動取0.05，一般取0.10～0.15，粗糙表面取0.20[5]。沖壓速度一般是根據生產實際需要以及軟件求解需求來確定。一般情況下在有壓邊圈時單邊間隙為Z=（1～1.1）×t[4]。具體數(shù)據如表2所示。

表2 正交試驗各因素及水平

式中：A為壓邊圈投影面積；P為單位壓邊力。

2.2 正交試驗檢測指標設定

在沖壓成形過程中，兩個主要障礙是起皺和側壁拉裂。拉裂是當最大拉應力超過材料抗拉強度時，在危險斷面處產生破裂的現(xiàn)象。因此，本文選用減薄率、增厚率以及破裂程度作為評價指標，由于破裂程度這一指標較難以量化，故作如下設定，如表3所示。

表3 拉裂程度數(shù)值對照表

2.3 試驗結果處理與分析

根據實踐經驗，沖壓件增厚小于5%和減薄量小于25%被認為是安全可行的[7]。在結果分析過程中采用正交試驗法中的綜合平衡法，即分別把各指標按單一指標進行分析，然后再把各指標的計算分析結果進行綜合平衡，得出結論[8]。

觀察表4可知，拉裂程度指標中只有第19組試驗出現(xiàn)了少量拉裂部分，而絕大多數(shù)試驗組均沒有出現(xiàn)拉裂情況，故不將該指標納入考慮中，主要以減薄率和增厚率指標為重。首先，對該兩個指標進行單一指標的計算分析，如表5所示，據表5可分析各因素對該零件表面質量的影響情況，其中，Ki（i=1，2，3，4，5）為單個因素的減薄率（增厚率）之和；Kj（j=1，2，3，4，5）為Ki對應的平均值，R為極差值。

再者，根據表4，做出各因素與各指標的關系圖，如圖3、圖4所示。

從表4、表5以及圖3、圖4可得如下結論：

（1）可得到五因素兩指標的主次關系。若極差值越大，則說明此因素所對應水平的改變對試驗結果產生的影響也就越大。從表5可知，影響托架表面質量的五因素二指標由主到次的順序如下：

（2）對于減薄率這一指標，一般而言減薄率小于25%認為合格，在保證沒有或較少起皺以及沒有拉裂的情況下，減薄率在18%～30%左右具有較好的效果?；诖?，B5D5A4C3E4為這一指標的最好條件。

（3）對于增厚率這一指標，一般情況下，增厚率越高板料越容易起皺，故增厚率越小越好。基于此，D1A5B1E3C1為這一指標的最好條件。

然而，兩個指標分析出來的好壞條件并不一致，這便需要著重考慮對該零件表面質量起關鍵影響的因素。首先，試驗中增厚率普遍小于2%低于5%的極限值很多，而減薄率相對而言更為接近于極限值。所以，在此情況下，減薄率對該零件表面質量有更大的影響。其次，在兩個指標中，因素A、B、D均十分重要，而C、E對兩個指標影響相對較小，并且兩種指標下C、E兩因素的取值都較為相近。基于此，對C、E兩個因素可以按照第一指標選取，即取C3、E4。再者，減薄率指標中，B、D因素對減薄率的影響十分大，A次之；增厚率指標中，D、A因素對增厚率的影響很大。并且，兩個指標中A的取值相近。但是，由于減薄率指標對該零件表面質量的影響大于增厚率指標，故也將A的水平值取為A4。

表4 正交試驗方案結果

表5 各指標試驗分析表

（1）在下一道工序中會使用修邊模切除兩側耳，所以其質量問題不作為評定該零件的依據。

（2）方案B5D5A4C3E4中填料完整，頂部雖然尚未破裂，但仍有破裂趨勢。并且多處有起皺趨勢。

（3）方案D1A4B1E4C3中只有極少部分出現(xiàn)起皺趨勢。但頂部大部分都未能填料完全。

（4）方案B5D1A4C3E4中，雖然有少部分有起皺趨勢，但沒有出現(xiàn)填料不完整現(xiàn)象，整體上具有以上兩種方案的優(yōu)點且優(yōu)于以上兩個方案。

圖3 最大減薄率與各因素的關系

圖4 最大增厚率與各因素的關系

2.4 優(yōu)化方案以及驗證

通過分析，有兩種較好方案，分別為B5D5A4C3E4和D1A4B1E4C3，并且B、D兩因素對兩個指標都有重要影響，尤其是D因素對增厚率有極大的影響?；诖?，添加本次正交試驗第20組試驗方案B5D1A4C3E4作為參考試驗方案。然后，利用Dynaform進行分析求解。

各方案分析求解結果如圖5、6、7所示，可知：

圖5 B5D1A4C3E4方案變形云圖

圖6 D1A4B1E4C3方案變形云圖

圖7 B5D1A4C3E4方案變形云圖

3 結束語

基于正交試驗法，并以Dynaform軟件為模擬平臺，通過數(shù)值模擬對某型托架進行了分析研究，問題核心在于托架的兩側壁不可拉裂，不可有明顯的起皺出現(xiàn)。

綜合本文研究結果可得如下結論：

（1）影響減薄率的主要因素為：摩擦系數(shù)>板料厚度>壓邊力>沖壓速度>模具間隙；影響增厚率的主要因素為：板料厚度>壓邊力>摩擦系數(shù)>模具間隙>沖壓速度。

（2）利用正交試驗法中的綜合平衡法，對該零件的兩個指標進行了綜合考慮及優(yōu)化，優(yōu)化方案為：B5D1A4C3E4（摩擦系數(shù)0.185；板料厚度1.5mm；壓邊力120kN；沖壓速度3000；模具間隙1.4mm），并對此方案進行了驗證.通過觀察云圖，發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)拉裂，極少部分有起皺趨勢，總體上對其實現(xiàn)了優(yōu)化，效果較好。

（3）通過實驗表明，正交試驗法在解決多因素、多指標的試驗問題中，可有效避免盲目性，減少試驗次數(shù)，提高效率，減少成本。

[1]夏木建，章 躍，周廣宏，等.基于Dynaform的淺錐面拉深數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2011，（1）.

[2]王 濤.應用正交試驗設計提高拉深件的成形質量[J].鍛壓技術，2008，33（5）：48-51.

[3]黑學艷，郭津津，徐雅冬.正交試驗法在U形件回彈數(shù)值模擬中的應用[J].機床與液壓，2009，37（4）.

[4]王孝培.沖壓手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988：305-310.

[5]陳炎嗣，郭景儀.沖壓模具設計與制造技術[M].北京：北京出版社，1991.

[6]韓玉強，李飛舟.基于Dynaform的轎車引擎蓋沖壓成形仿真的研究[J].熱加工工藝，2010（8）.

[7]張 躍，張樂瑩.板料拉深件的有限元分析及模具設計[J].微特電機，2009，（7）：62-64.

[8]中國科學院數(shù)學研究所數(shù)理統(tǒng)計組.正交試驗法[M].人們教育出版社，1975：29-33.

Numerical simulation and optimization of stamping forming process for bracket based on orthogonal experiment method

XIONG Wentao1,YANGYinyun1,LIU Hongbin1,DENG Lijun2
（1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan China;2.College of Mechanical and Automatic Control,Kunming University,Kunming 650214,Yunnan China）

The numerical simulation analysis has been conducted to some model of bracket by use of finite element analysis softwareDynaform based on orthogonal experiment method.By setting blank holder force,coefficient of friction,stamping speed,sheet metal size and die clearance as five factors,25 different combinations have been tested with reference to five levels orthogonal test table.Taking thinning rate,thickening rate and rupture as assessing indicators,numerical simulation has been conducted to stamping function of bracket by combination with integral balance method.The main factor which influences the surface quality of bracket has been found.Finally,the above parameters have been optimized to get bracket with high surface quality. It provides some theoretical basis for reducing instability wrinkling&rupture and improving surface quality of parts during stamping process of same type of product.

Numerical simulation;Stamping forming;Orthogonal experiment method;Optimization of parameters

TG386.1

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.027

1672－0121（2016）04－0088－05

2016－03－02；

2016－04－27

昆明理工大學學生課外學術科技創(chuàng)新基金項目（2015YB017）

熊文韜（1991－），男，碩士在讀，主攻數(shù)字化設計與制造。E－mail：417180627＠qq.com