拉深工藝減薄率數(shù)值模擬及響應(yīng)面分析

成波，胡學(xué)敏

1.美特富精密拉深技術(shù)（無錫）有限公司 江蘇無錫 214000

2.鹽城工學(xué)院汽車工程學(xué)院 江蘇鹽城 224000

1 序言

沖壓拉深往往伴隨著壁厚的減薄，不僅影響工件成形質(zhì)量，也會(huì)影響生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性。目前很多企業(yè)的工程技術(shù)人員以及院校專家學(xué)者們對(duì)沖壓減薄率的影響因素做了大量的研究。首先，成形材料涉及較廣，有鋁合金、鈦合金和鋼等；工藝上分別從沖壓速度、摩擦系數(shù)、沖壓間隙、壓邊力和成形溫度等因素去分析沖壓壁厚減薄率。同時(shí)，除了傳統(tǒng)的CAD軟件之外，Autoform、Dynaform、Deform等CAE軟件也被廣泛用于數(shù)值模擬沖壓成形。正交試驗(yàn)法、響應(yīng)曲面法、B P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加遺傳算法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等多因素分析法也被應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，使得結(jié)果更加優(yōu)化且符合生產(chǎn)實(shí)際。

結(jié)合以上分析，本文先對(duì)拉深模具進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后利用Autoform軟件對(duì)某汽車氣體發(fā)生器外殼件的第一道拉深成形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)合發(fā)生器殼體壁厚以及拉深工藝的特殊性，使用響應(yīng)曲面法來設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分析拉深間隙、拉深凹模的圓弧角以及凹模的定徑帶長(zhǎng)度這三個(gè)因素對(duì)拉深壁厚減薄率的影響，從而優(yōu)化工藝參數(shù)。此外，利用實(shí)際拉深模具生產(chǎn)來驗(yàn)證工藝參數(shù)的有效性，模擬分析優(yōu)化以及響應(yīng)曲面分析對(duì)于拉深零件的生產(chǎn)實(shí)踐具有一定參考價(jià)值。

2 拉深工藝數(shù)值模擬

2.1 模型及材料

以某汽車安全氣囊的氣體發(fā)生器的外殼體拉深件為例，材料為S420MC結(jié)構(gòu)鋼，屈服強(qiáng)度420MPa，抗拉強(qiáng)度500M P a左右，壁厚要求≥2.3 m m。實(shí)際生產(chǎn)工藝涉及拉深、剪切和沖孔等步驟，取其中拉深工藝進(jìn)行仿真模擬，分析不同工藝參數(shù)對(duì)壁厚減薄率的影響，拉深零件如圖1所示。

圖1 拉深零件

2.2 基于Autoform的數(shù)值模擬分析

實(shí)際沖壓拉深設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)值來設(shè)計(jì)工藝參數(shù)，擬設(shè)定凸凹模間隙為2.5mm，凹模圓弧角半徑為8mm，定徑帶長(zhǎng)度為3mm。使用Solid Edge對(duì)凸凹模建模，轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入至Autoform中，拉深模型如圖2所示。

圖2 拉深模型

在Autoform軟件中設(shè)置好模型拉深方向，選擇材料S420MC，設(shè)置原材料厚度2.5mm，定義工藝流程為無凸緣拉深，料坯尺寸φ106mm，定義好模具模型拉深的深度，在此選項(xiàng)中可以調(diào)整拉深的間隙。參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到分析結(jié)果，Autoform軟件分析結(jié)果中默認(rèn)有壁厚分析，可以通過軟件全局標(biāo)注來得到壁厚最薄處的減薄率，該設(shè)定參數(shù)下的壁厚減薄率為9.2%，如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果

結(jié)合Autoform數(shù)值模擬分析的結(jié)果，零件壁厚在拉深之后出現(xiàn)減薄。而作為氣體發(fā)生器的殼體，減薄較大處可能出現(xiàn)開裂，這是安全氣囊這類安全件需要嚴(yán)格檢驗(yàn)且不被允許的。數(shù)值模擬的優(yōu)越性就在于能找到零件上減薄率最大的地方，然后加以分析。

3 響應(yīng)曲面法分析拉深工藝的優(yōu)化

3.1 響應(yīng)曲面模型設(shè)計(jì)

利用響應(yīng)曲面法分析不同因素、不同參數(shù)水平對(duì)零件壁厚減薄的影響，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際選擇拉深間隙A、拉深凹模圓弧角半徑B和定徑帶長(zhǎng)度C，并分別設(shè)定三水平。Design Expert是目前運(yùn)用最廣泛的響應(yīng)曲面分析軟件，利用該軟件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，方案見表1。方案確定后，利用Autoform對(duì)試驗(yàn)方案中的不同參數(shù)水平逐個(gè)進(jìn)行上述的數(shù)值模擬，從而得到各因素水平的減薄率，記錄到表1中，并利用Design Expert對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表1 拉深模擬試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2 響應(yīng)曲面模型的結(jié)果分析

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果建立壁厚最大減薄率R與拉深工藝參數(shù)之間的二次多項(xiàng)式：R＝7.8－0.55A－0.6375B＋0.0875＋0.425AB－0.175AC－1.57×10－17BC＋0.575A2＋0.65B2＋0.2C2。

通過分析，可以得到響應(yīng)曲面模型的方差（見表2）。F值和P值是方差分析中針對(duì)模型和模型系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到的結(jié)果，F(xiàn)值的大小反映交互式影響的程度，P值則反映顯著程度（通常P＜0.01表示極顯著，P＜0.05表示顯著）。該回歸模型的P值是0.0008＜0.05，表示該模型顯著，同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)A、B、AB、A2、B2的P值均＜0.05，根據(jù)F值可以得出影響減薄率R的因素由強(qiáng)到弱分別是拉深凹模圓弧角半徑B、拉深間隙A以及定徑帶長(zhǎng)度C。

表2 減薄率二次多項(xiàng)式模型的方差分析

根據(jù)模擬分析結(jié)果以及響應(yīng)曲面法得出二次多項(xiàng)式的回歸模型，進(jìn)一步分析得到減薄率和拉深間隙以及拉深凹模圓弧角之間交互式影響的響應(yīng)曲面，如圖4所示。由圖4可以看出，當(dāng)拉深間隙取較大值，凹模圓弧角也取較大值時(shí)可以獲得較小的減薄率。分析拉深的成形過程，拉深過程中，材料在受力作用下，沿著凹模的圓弧角流入拉深凹模內(nèi)，同時(shí)被定徑帶熨平。而凹模的圓弧角如果比較大，材料流動(dòng)比較順暢，就會(huì)影響成形零件的壁厚。同樣，拉深過程中，沖頭凹模的間隙大，材料流動(dòng)過程中被擠壓熨平的較少，也會(huì)減少材料的減薄。而定徑帶主要是影響拉深凹模的使用壽命，定徑帶越長(zhǎng)，使用壽命也就越長(zhǎng)。由分析結(jié)果可以看出，定徑帶的長(zhǎng)短對(duì)材料的熨平效果影響不大。

圖4 拉深間隙和凹模圓弧角半徑對(duì)減薄率交互式影響

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

通過以上分析，對(duì)拉深成形過程中影響壁厚減薄的因素有了較為清楚的認(rèn)知。響應(yīng)曲面法可以給出優(yōu)化后的拉深參數(shù)——拉深凹模圓弧角半徑為10.94mm，沖頭凹模間隙為2.56mm，定徑帶長(zhǎng)度為3.34mm，得出的拉深件壁厚減薄率的響應(yīng)值為7.75%。借助于Autoform軟件對(duì)該工藝參數(shù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，得到的模擬結(jié)果如圖5所示。拉深件壁厚最薄處在零件底部直線與圓弧的交界處，減薄率為7.8%，與響應(yīng)曲面法得到的響應(yīng)值吻合。

圖5 優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果

4 實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用效果

拉深速度、摩擦系數(shù)以及成形溫度也會(huì)對(duì)零件壁厚產(chǎn)生一定的影響，但在此次研究中沒有考慮，主要是因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目中往往涉及到量產(chǎn)件的爬坡，沖壓速度也會(huì)隨著量產(chǎn)越來越快，同時(shí)會(huì)采用一定濃度的乳化液進(jìn)行降溫，沖頭和凹模也會(huì)做相應(yīng)的涂層來降低摩擦系數(shù)，以提高其壽命，所以對(duì)此研究的意義不大。在以上參數(shù)固定不做調(diào)整的情況下，使用分析后獲得的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，拉深零件如圖6所示，取點(diǎn)多次測(cè)量壁厚，壁厚最薄處為2.320mm，減薄率為7.2%。使用響應(yīng)曲面法分析沖壓拉深的模擬結(jié)果能夠指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，獲得最優(yōu)參數(shù)。

圖6 實(shí)際生產(chǎn)的零件及減薄率

5 結(jié)束語

利用Autoform軟件以及響應(yīng)曲面法對(duì)拉深工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并建立拉深件壁厚減薄率與工藝參數(shù)的二次多項(xiàng)式擬合模型。根據(jù)響應(yīng)曲面法分析可知：拉深間隙和凹模、圓弧角半徑以及兩者的交互對(duì)拉深壁厚減薄率影響較大，而定徑帶長(zhǎng)度對(duì)其影響較小。最終優(yōu)化后的凹模圓弧角半徑為10.94mm，拉深間隙為2.56mm，定徑帶長(zhǎng)度為3.34mm，壁厚減薄率為7.8%。該最佳參數(shù)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，得到拉深零件的壁厚減薄率為7.2%，在合理范圍內(nèi)。

對(duì)于筒形金屬拉深件，通過Autofrom軟件模擬仿真及響應(yīng)曲面分析，能夠獲得最佳的工藝參數(shù)，從而得到最佳的材料壁厚減薄率，運(yùn)用到實(shí)際拉深生產(chǎn)中，可以避免反復(fù)生產(chǎn)試驗(yàn)。

專家點(diǎn)評(píng)

拉深工藝的壁厚減薄率受很多因素影響，文章通過Autoform軟件對(duì)拉深工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠得到不同因素作用下的拉深減薄率，并通過響應(yīng)曲面法分析拉深間隙、拉深凹模圓弧角和拉深的定徑長(zhǎng)度等對(duì)拉深減薄率的影響，最終得到二次多項(xiàng)式擬合模型和減薄率優(yōu)化結(jié)果，通過拉深模具實(shí)際拉深來驗(yàn)證拉深工藝參數(shù)的有效性。

使用軟件模擬和實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合是文章的亮點(diǎn)，科學(xué)合理，理論結(jié)合實(shí)際，解決了模具生產(chǎn)中常見的拉伸難題，有效地縮短了后期模具調(diào)試時(shí)間，降低后期調(diào)試的費(fèi)用。模擬軟件建立數(shù)據(jù)庫(kù)和工藝流程的方法，對(duì)于后期相關(guān)模具制作做出了有益的探索，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，體現(xiàn)出作者精益生產(chǎn)的理念。