汽車變速器支架沖壓成形工藝參數(shù)優(yōu)化

趙博寧 黃科拓

摘 ?要：該文以汽車變速器支架為研究對象，利用Dynaform軟件研究其沖壓成形過程出現(xiàn)的常見缺陷和問題。首先采用單因素分析確定正交試驗的參數(shù)范圍，然后通過正交試驗和極差分析，獲得各參數(shù)對最大減薄率的影響主次順序，即沖壓速度大于摩擦系數(shù)大于模具間隙；對于最大增厚率，沖壓速度大于模具間隙大于摩擦系數(shù)，相對最優(yōu)工藝參數(shù)組合為摩擦系數(shù)0.100、模具間隙1.44 mm、沖壓速度1 000 mm/s。最大減薄率的數(shù)值為15.345%、最大增厚率的仿真數(shù)值為16.017%，優(yōu)化后的零件成形質(zhì)量良好，可降低破裂的風險。

關(guān)鍵詞：沖壓成形；Dynaform；汽車變速器支架；正交試驗；極差分析

中圖分類號：U463 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2024）14-0062-04

Abstract： In this paper， taking the automobile transmission bracket as the research object， the common defects and problems in the stamping forming process are studied by using Dynaform software. Firstly， the parameter range of orthogonal test is determined by single factor analysis， and then through orthogonal test and range analysis， the primary and secondary order of the influence of each parameter on the maximum thinning rate is obtained， the stamping speed is greater than the friction coefficient is greater than the mold clearance; For the maximum thickness increase， the stamping speed is greater than the die clearance is greater than the friction coefficient， and the relative optimal process parameters are friction coefficient 0.100， die clearance 1.44 mm， stamping speed 1 000 mm/s. The maximum thinning rate is 15.345%， and the simulation value of the maximum thickening rate is 16.017%. The optimized parts are of good forming quality and reduces the risk of rupture.

Keywords： stamping forming; Dynaform; automobile transmission bracket; orthogonal test; range analysis

本文以汽車變速器支架（圖1）為研究對象，利用數(shù)值模擬軟件Dynaform對汽車變速器支架沖壓成形過程進行仿真，分析其應力、應變狀態(tài)，厚度變化與成形質(zhì)量之間的關(guān)系，根據(jù)成形極限圖對成形質(zhì)量進行預測，并針對在成形過程中對成形質(zhì)量有較大影響的工藝參數(shù)：摩擦系數(shù)、模具間隙及沖壓速度進行單因素研究分析，繼而設計正交試驗，根據(jù)最大減薄率和最大增厚率對成形質(zhì)量進行評估[1]。為實際模具沖壓提供可行依據(jù)，解決可能會產(chǎn)生拉裂、起皺等問題，提高實際產(chǎn)品生產(chǎn)的精度及質(zhì)量，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

1 ?沖壓工序

成形是指板料先切邊再沖壓成形的工藝，先根據(jù)零件的形狀計算出毛坯尺寸，之后落料切割，再進行沖壓，優(yōu)點是省料，但極容易出現(xiàn)起皺，一般用于板料比較厚的支架或表面要求不高的件[2]。變速器支架作為典型的結(jié)構(gòu)件，所以其工序為成形是可行的。變速器支架的生產(chǎn)工藝方案為：落料、沖孔→翻邊，一共2道工序完成。

2 ?有限元建立三維模型

在UG軟件中設出汽車變速器支架的凹模面，然后將圖1模型和凹模面的igs導入模擬軟件Dynaform中，利用“板料展開”獲取毛坯輪廓線，沖壓類型選擇“無壓邊成形”，材料厚度為1.2 mm，工具參考面選擇下模（因為凹模面是導入的，凸模面是在Dynaform偏置出的）。沖壓方向以Z軸為默認的沖壓方向，創(chuàng)建的有限元模型如圖2所示。

3 ?試驗設計及后處理結(jié)果

3.1 ?單因素

在做正交試驗之前先設計單因素分析，把試驗分析的變量只控制為一個，這樣就能檢測出這個變量是否會對試驗結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。通過單因素分析確定出合理的參數(shù)范圍，從而提高試驗的準確性[3]。

3.1.1 ?變摩擦系數(shù)

把摩擦系數(shù)設為變量，暫定模具間隙為1.1t（t=1.2 mm），沖壓速度為1 000 mm/s。摩擦系數(shù)設為0.100、0.125、0.150、0.175和0.200進行單因素分析。

由表1可知，當摩擦系數(shù)為0.100、0.125、0.150時，最大減薄率和最大增厚率相差不大，都在15%～17%之間。自摩擦系數(shù)為0.175開始，最大減薄率隨摩擦系數(shù)的增大有變大的趨勢，最大增厚率隨摩擦系數(shù)的增大而減小。這意味著繼續(xù)增加摩擦力會導致零件開裂，如果摩擦力過小又不能控制板料的流動，會使零件表面部分產(chǎn)生起皺。因此，模具間隙應該控制在下限值，這樣更有利于成形[4]。剔除0.175和0.200這2組試驗數(shù)據(jù)，正交試驗設摩擦系數(shù)在0.100至0.150區(qū)間范圍。

3.1.2 ?變模具間隙

把模具間隙設為變量，暫定摩擦系數(shù)為0.125，沖壓速度為1 000 mm/s。模具間隙設為0.8t、0.9t、1.0t、1.1t、1.2t、1.3t和1.4t進行單因素分析。

由表2可知，當模具間隙為0.9t、1.0t、1.1t和1.2t時，最大減薄率在15.8%左右，最大增厚率在15.5%左右。模具間隙在1.3t時，最大減薄率開始增大，最大增厚率開始減小。考慮正交試驗三因素三水平的合理性，因此，正交試驗選擇模具間隙1.0t、1.1t、1.2t作為試驗因素。

3.1.3 ?變沖壓速度

把沖壓速度設為變量，暫定摩擦系數(shù)為0.125，模具間隙為1.32 mm。沖壓速度設為500、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000和3 500 mm/s進行單因素分析。

由表3可知，當沖壓速度在500～3 000 mm/s范圍內(nèi)時，最大減薄率在15%～19%之間，最大增厚率在12%～17%之間。而當沖壓速度為3 500 mm/s時，最大減薄率急劇增加，最小厚度驟降到0.293 mm，意味著板料已經(jīng)發(fā)生破裂，通過成形極限圖可知破裂處在翻邊上的孔。對比500 mm/s和1 000 mm/s這2組沖壓速度，最小厚度一致，最大減薄率和最大增厚率也大體相當，但沖壓速度為500 mm/s時，計算機運算后處理需要的時間變得十分多。因此，在選擇試驗數(shù)據(jù)時，就需要擇優(yōu)，再經(jīng)兩兩組合對比，最終正交試驗沖壓速度設為1 000、2 000、3 000 mm/s。

3.2 ?正交試驗

3.2.1 ?試驗因素及水平

此次試驗以摩擦系數(shù)、模具間隙及沖壓速度3個因素研究各工藝參數(shù)對零件成形質(zhì)量的影響。最終建立如表4所示的正交試驗因素和水平。

1）摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)是指模具和板料之間摩擦力與正壓力的比值[5]。摩擦系數(shù)的大小很大程度上是由模具及板料自身的特性決定的，數(shù)值基本上不會很大。在實際操作生產(chǎn)過程中，會采用潤滑油來調(diào)節(jié)摩擦系數(shù)，使其在一定范圍內(nèi)。經(jīng)過上述所做的單因素分析試驗，水平變量設置為0.100、0.125、0.150。

2）模具間隙。模具間隙為板料厚度的1.1倍[6]，即1.32 mm。由上述單因素分析設為1.20、1.32、1.44 mm。

3）沖壓速度。沖壓速度是通過對板料間的摩擦使之影響板料的成形。進行多次單因素分析及查閱相關(guān)文獻后，最終將沖壓速度設置為1 000、2 000、3 000 mm/s。

3.2.2 ?正交方案的設定

正交表采用Ｌ9（34）進行9次試驗，正交試驗方案見表5。

3.2.3 ?正交試驗結(jié)果

由于試驗數(shù)據(jù)較多，不能顯示所有的模擬結(jié)果。表6是正交試驗方案的模擬結(jié)果。表7為試驗結(jié)果的極差分析結(jié)果。

由正交試驗得：對于最大減薄率，各個影響因素的主次順序為C＞A＞B，即影響程度由強至弱為沖壓速度大于摩擦系數(shù)大于模具間隙；對于最大增厚率，各個影響因素的主次順序為C＞B＞A，即影響程度由強至弱為沖壓速度大于模具間隙大于摩擦系數(shù)。

3.2.4 ?各因素對正交試驗的影響

1）摩擦系數(shù)的影響。在上述所做的正交試驗中，選取A3B2C3優(yōu)化方案（減?。?。設摩擦系數(shù)為0.100、0.125、0.150為變量，同時控制模具間隙1.1t和沖壓速度3 000 mm/s這2個工藝參數(shù)。

由表8可知，板料的最大減薄率和最大增厚率隨著摩擦系數(shù)的增大都會增大，但變化趨勢不大，最大減薄率基本維持在18%，原來板料厚度為1.2 mm，即減薄了0.216 mm；最大增厚率維持在14%，即增厚了0.168 mm。

2）模具間隙的影響。選取A3B2C3優(yōu)化方案（減?。ＴO模具間隙為1.20、1.32、1.44 mm為變量，同時控制摩擦系數(shù)0.150和沖壓速度3 000 mm/s這2個工藝參數(shù)。

由表9可知，板料的最大減薄率和最大增厚率隨著模具間隙的增大都會增大，與摩擦系數(shù)影響的效果大體相當。

3）沖壓速度的影響。選取A3B2C3優(yōu)化方案（減?。?。設沖壓速度為1 000、2 000、3 000 mm/s為變量，同時控制摩擦系數(shù)0.150和模具間隙1.32 mm這2個工藝參數(shù)。

由表10可知，沖壓速度對正交試驗結(jié)果影響比其他2個參數(shù)要大得多，板料的最大減薄率隨著沖壓速度的增大而增大，但最大增厚率沒有明顯的線性變化規(guī)律。

綜上各因素，沖壓速度對于最大減薄率和最大增厚率影響最大，同時對無壓邊成形的影響也是最大的。因為沒有壓邊圈的抑制作用，板料在沖壓時壓下去又會發(fā)生回彈。當沖壓速度增大，板料成形后厚度變小，減薄趨勢增大，容易在模具間隙較大的地方產(chǎn)生開裂的風險。當沖壓速度大于3 000 mm/s時，板料會拉裂；若低于1 000 mm/s，板料變厚容易起皺，且提交運算的時間變長。因此，最佳沖壓速度在1 000～3 000 mm/s范圍內(nèi)。

摩擦系數(shù)與模具間隙對最大減薄率和最大增厚率影響不是很明顯，因為在實際生產(chǎn)加工中可以使用潤滑油（劑）或改變板料表面的粗糙度進行調(diào)整。此外，模具間隙也是可以通過合模工序中的調(diào)整凹模、凸模及板料之間的行程來進行調(diào)整。

4 ?結(jié)論

針對汽車變速器支架沖壓成形的常見缺陷和問題，分析確定直接影響沖壓成形主要變化因素。首先通過單因素分析，選擇模具間隙、摩擦系數(shù)及沖壓速度作為正交試驗因素，運用Dynaform模擬了沖壓過程。以最大減薄率和最大增厚率作為評價指標，結(jié)合極差分析和方差分析的方法，得到了最佳的工藝參數(shù)組合：摩擦系數(shù)0.100、模具間隙1.44 mm、沖壓速度1 000 mm/s，最終最大減薄率的數(shù)值為15.345%，最大增厚率的數(shù)值為16.017%。與初始試驗相比，成形效果還算比較滿意，中間面部分起皺不算明顯，大多集中在面與面的交界處。盡管對于支架這類表面精度要求不高的件，起皺雖然不會像拉裂那樣削弱零件的強度和剛度，但也影響零件的精度和美觀。本文模擬了沖壓成形過程，通過后處理云圖進行了一些簡單的分析，仿真模擬只能為一種參考，在實際生產(chǎn)中，起皺問題還需按具體的使用工況來處理。

參考文獻：

[1] 張海龍，魏東，田恩輝.304L汽車油箱殼沖壓工藝研究[J]．模具工業(yè)，2019（45）：12-15.

[2] 劉建超，張寶忠．沖壓模具設計與制造[M]．北京：高等教育出版社，2010．

[3] 張朝閣，盧險峰，褚亮．基于Pro/E模型分析的翻邊預制孔尺寸計算[J]．鍛壓裝備與制造技術(shù)，2004（6）：40-42.

[4] 楊樹財，李強，楊松濤．基于Dynaform數(shù)值模擬的電機殼體拉深成形參數(shù)影響規(guī)律研究[J]．航空精密制造技術(shù)，2018，54（3）：2-6.

[5] 楊立軍，齊艷梅，黨新安，等．基于Dynaform的筒形件拉深成形數(shù)值模擬技術(shù)[J]．機械設計與制造，2011，10（10）：228-230．

[6] 林浩波，劉軍輝，吳立國.基于遺傳算法的防撞鋼梁沖壓成形工藝優(yōu)化[J].塑性工程學報，2019，26（5）：65-69.