基于正交試驗(yàn)的深筒形制件拉延成形工藝參數(shù)優(yōu)化

胡李勇,王 利,2*,王 雷,王 銳

(1.宣城職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車學(xué)院，安徽 宣城 242000；2.皖江工學(xué)院汽車沖壓模具先進(jìn)設(shè)計(jì)馬鞍山市工程技術(shù)研究中心，安徽 馬鞍山 243031；3.濰坊職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 濰坊 262737)

0 引言

要獲得合格的拉延制件產(chǎn)品，必須考察零件的拉延工藝性，其關(guān)鍵在于拉延工藝的可能性和可靠性。其中，除了拉延制件本身的形狀無法改變外，拉延工藝決定了沖壓件的成形性、表面質(zhì)量和尺寸精度[1-2]。拉延工藝設(shè)計(jì)難度大、技術(shù)含量高，是拉延模具設(shè)計(jì)的核心和關(guān)鍵[3]。因此拉延工藝設(shè)計(jì)在整個(gè)拉延模具設(shè)計(jì)中具有舉足輕重的作用。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各主要工業(yè)國都在大力發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)在拉延工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。數(shù)值仿真技術(shù)結(jié)合數(shù)學(xué)試驗(yàn)的應(yīng)用，對(duì)拉延工藝設(shè)計(jì)起到越來越大的作用[4-6]。因此，拉延工藝及其設(shè)計(jì)軟件應(yīng)盡可能地脫離CAD環(huán)境，集成更多CAD功能到CAE環(huán)境中，如三維幾何造型、有限元網(wǎng)格劃分等[7-9]，直接在CAE環(huán)境下采用CAD系統(tǒng)的底層開發(fā)平臺(tái)?；诹慵畔⒌膮?shù)化特征建模和面向?qū)ο笾R(shí)庫的人工智能技術(shù)及專家系統(tǒng)等在拉延工藝設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用[10-11]，是實(shí)現(xiàn)拉延工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)切實(shí)可行的好方法，這種做法正被越來越多的國際著名CAE軟件公司所采用[12-14]。

鑒于此，本文以深筒形制件為研究對(duì)象，為實(shí)現(xiàn)其良好的拉延工藝設(shè)計(jì)，通過Catia聯(lián)合AutoForm軟件，實(shí)現(xiàn)拉延工藝方案的CAD/CAE技術(shù)。在獲得良好的拉延工藝方案的前提下，進(jìn)一步應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析優(yōu)化拉延關(guān)鍵工藝參數(shù)，探究制件成形過程中拉延關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響程度，為制件拉延成形工藝的質(zhì)化與量化調(diào)整提供參考。

1 沖壓工藝設(shè)計(jì)

圖1為深筒形制件的三維數(shù)模，該制件采用的是厚度為1 mm的冷軋沖壓用鋼板DC03，外形直徑為152 mm，拉延深度為35 mm。應(yīng)用雙動(dòng)壓力機(jī)時(shí)，在不調(diào)整制件位置的情況下，對(duì)初始料片進(jìn)行拉延、反拉延和切邊，即可獲得成形制件。測(cè)量得到制件的拉延圓角半徑為 3 mm、反拉延圓角半徑為1.5 mm，反拉延臺(tái)階為8 mm。由工程經(jīng)驗(yàn)知，該制件的拉延與反拉延圓角半徑較小，拉延過程中材料突出的彎曲與反彎曲變形加上材料的各向異性現(xiàn)象，使材料難以均勻流入凹模而導(dǎo)致成形開裂問題。因此，先優(yōu)化成形仿真工藝方案，再結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得期望的成形質(zhì)量。

圖1 深筒形制件三維數(shù)模

2 有限元仿真及其結(jié)果分析

2.1 有限元仿真

逐步建立Catia數(shù)模如圖2a、2b、2c左側(cè)所示。網(wǎng)格劃分參數(shù)缺省設(shè)置，依次導(dǎo)入圖2左側(cè)建立的Catia數(shù)模，完成工藝過程設(shè)置、料片設(shè)置和控制參數(shù)設(shè)置；然后完成全工序三維有限元建模，最后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程設(shè)置。對(duì)所建立的模型進(jìn)行仿真求解，獲得的仿真結(jié)果如圖2a、2b、2c右側(cè)所示。

a．OP20拉延

b．OP30反拉延

c．OP40切邊 注：OP指工序，OP后面數(shù)字代表工序號(hào)圖2 初步工藝方案的成形數(shù)模與仿真結(jié)果

2.2 初步仿真分析與優(yōu)化

圖2a仿真結(jié)果顯示，在OP20拉延過程中，由于材料流過半徑為3 mm的拉延圓角時(shí)，材料流入量不足導(dǎo)致制件側(cè)壁減薄，此時(shí)最小壁厚為0.831 mm，同時(shí)由于材料的各向異性現(xiàn)象影響，致使成形件的沿口出現(xiàn)了“凸耳”現(xiàn)象；圖2b仿真結(jié)果顯示，板料在經(jīng)過OP20拉延后再進(jìn)行OP30反拉延，即板料由彎曲過渡到反彎曲，在拉應(yīng)力作用下反拉延臺(tái)階側(cè)壁進(jìn)一步減薄，最后材料的拉應(yīng)力超出其臨界值而發(fā)生開裂，紅色區(qū)域即為開裂區(qū)域，此時(shí)最小壁厚為0.524 mm，同時(shí)由于材料的各向異性現(xiàn)象繼續(xù)影響，使成形件的沿口“凸耳”現(xiàn)象更為突出；最后經(jīng)過OP40切邊后獲得的成形件不合格。

本文將拉延圓角半徑增大至10 mm，反拉延圓角半徑增大至3 mm，并以制件為優(yōu)化對(duì)象反復(fù)迭代計(jì)算坯料形狀的切邊線優(yōu)化的工藝方案，獲取無成形性問題的制件仿真結(jié)果以供正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析工藝參數(shù)優(yōu)化，工藝方案優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

a．初步和優(yōu)化工藝成形性

b．初步和優(yōu)化工藝減薄率分析圖3 工藝方案優(yōu)化前后仿真結(jié)果對(duì)比

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)因子與水平

影響拉延與反拉延成形的工藝參數(shù)眾多，本文主要研究影響深筒形制件成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以拉延摩擦系數(shù)f1、反拉延摩擦系數(shù)f2、拉延壓邊力Q1和反拉延壓邊力Q2(分別設(shè)為因子A、因子B、因子C和因子D)4個(gè)因子工藝參數(shù)組為研究對(duì)象，根據(jù)行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)因子及水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因子及水平

表1中，冷軋鋼板DC03的拉延摩擦系數(shù)、反拉延摩擦系數(shù)通常合理的選擇范圍為0.10～0.20[13]；拉延壓邊力的確定，通常是計(jì)算并結(jié)合AutoForm軟件仿真后，視仿真情況，通過觀察過程數(shù)據(jù)進(jìn)行2次調(diào)整獲取。此表確定拉延壓邊力為50 kN，反拉延壓邊力為30 kN，并向兩端等差10 kN確定3水平。

3.2 正交試驗(yàn)方案

由于表1是建立在2次工藝方案仿真的基礎(chǔ)之上，而且2次工藝方案仿真結(jié)果如圖3b所示，顯示制件上的最大減薄率Tmax=0.141 3，最小減薄率Tmin=-0.115 8，達(dá)到了結(jié)構(gòu)特征件±20%的厚度減薄率控制要求[15]，因此在滿足深筒形制件不發(fā)生開裂和起皺的前提下，將成形制件上的Tmax或Tmin作為正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)[16-18]，并對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化。以f1、f2、Q1和Q2作為因子，Tmax或Tmin作為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)表L9(34)的設(shè)計(jì)，得到表2所列的9組不同的試驗(yàn)工藝參數(shù)，經(jīng)過仿真獲得了對(duì)應(yīng)的Tmax和Tmin。

表2 正交試驗(yàn)表L9(34)

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表2中通過9次正交試驗(yàn)方案獲得的減薄率Tmin控制在-0.111 1～-0.130 3之間，減薄率Tmax控制在0.140 7～0.154 0之間。相較而言，在各因子的水平中，優(yōu)化Tmax對(duì)提高制件的成形質(zhì)量更好，故選擇Tmax作為制件質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)觀察Tmin的變化值。表2中算出了Tmax的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出Tmax樣本優(yōu)劣比較為：Tmax1>Tmax2>Tmax3>Tmax6>Tmax4=Tmax5>Tmax9>Tmax8>Tmax7。

為比較各因子影響Tmax的主次關(guān)系，達(dá)到簡便判別4因子3水平，計(jì)43次全面試驗(yàn)工藝參數(shù)組中的最優(yōu)工藝參數(shù)組，應(yīng)用極差分析法分析正交試驗(yàn)Tmax的值，獲得的正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)如表3所示。表3中各因子極差RA>RC>RB>RD，即影響Tmax因素的主次關(guān)系是f1>Q1>f2>Q2。由表3中各因子的最小正交試驗(yàn)均值，確定表1中對(duì)應(yīng)的最優(yōu)水平值，即最優(yōu)工藝參數(shù)組為：f1=0.200、f2=0.100、Q1=60 kN和Q2=40 kN。

表3 正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)

為直觀表達(dá)各因子對(duì)減薄率Tmax的影響關(guān)系，應(yīng)用表3正交試驗(yàn)均值分析數(shù)據(jù)繪制出各因子與減薄率Tmax的關(guān)系，如圖4所示。圖中各因子變化的最大高度差為表3中各因子的極差R。通過9次正交試驗(yàn)，并應(yīng)用極差分析法判別出43次全面試驗(yàn)中各因子的最優(yōu)工藝參數(shù)組。

圖4 各因子與減薄率Tmax的關(guān)系

4 數(shù)值模擬驗(yàn)證

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析工藝參數(shù)優(yōu)化，用獲得的全面試驗(yàn)工藝參數(shù)組中的最優(yōu)工藝參數(shù)組仿真得到Tmin=-0.130 3、Tmax=0.140 4。圖5為優(yōu)化后板料數(shù)值模擬結(jié)果。從圖中可以看出，深筒形制件沖壓成形質(zhì)量良好，沒有拉裂和起皺現(xiàn)象，進(jìn)一步由Tmin=Tmin7且Tmax

5 結(jié)論

本文通過成形仿真工藝方案優(yōu)化結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析法獲得了深筒形制件多步?jīng)_壓成形預(yù)期成形質(zhì)量。通過增大拉延與反拉延圓角和優(yōu)化切邊線分別消除了制件的開裂和“凸耳”

a．成形性極限圖

b．減薄率分析圖圖5 優(yōu)化后板料數(shù)值模擬結(jié)果

現(xiàn)象，獲得了可靠的成形仿真工藝方案。通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析法，以減薄率Tmax為正交試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的均值差分析法，獲得了全面試驗(yàn)中的最優(yōu)工藝參數(shù)組：f1=0.200、f2=0.100、Q1=60 kN和Q2=40 kN，應(yīng)用該參數(shù)組仿真得到Tmin=-0.130 3、Tmax=0.140 4。由Tmin=Tmin7且Tmax