基于正交試驗的殼結構沖壓成型工藝參數優化

李政杰（貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025）

基于正交試驗的殼結構沖壓成型工藝參數優化

李政杰
（貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025）

以某殼結構為研究對象，通過UG建模軟件對研究對象組件進行三維設計建模，借助Abaqus數值模擬軟件對沖壓過程進行模擬分析，選取沖壓過程中的壓邊力，沖壓速度，摩擦系數為實驗影響參數，每種參數選取三個水平，采用正交試驗法進行數值分析試驗，將數值模擬和正交實驗方法相結合，以板材減薄率、厚度極差為實驗結果優劣指標。分析四種參數的不同組合對模擬成型質量的影響。結果表明，最優工藝組合為第七組，壓邊力600kg、沖壓速度4m/s、摩擦系數0.13時，減薄率、厚度極差最小。

沖壓成形；數值模擬；正交試驗；Abaqus 軟件

在如今產品輕量化的趨勢下，大量的產品設計師設計零件時都采用板材沖壓結構，例如：每輛汽車幾乎80%的零件都采用了沖壓結構，包含1000多套沖壓模具，而沖壓件的制造容易出現破裂起皺，所以這些沖壓件的結構、質量就決定了汽車整體的安全性、美觀性，本文采用的殼結構就是一種大變形，成型過程復雜的深壓件。把握沖壓過程中的關鍵工藝參數就顯得尤為重要，例如沖壓速度、摩擦系數、壓邊力［1，2］等，本文對這些參數進行加權處理，利用正交試驗法和數值分析對沖壓過程進行模擬［3］，研究殼結構在沖壓過程中，以上三種參數對沖壓成形質量的影響，選出最優組合方式，結果可用于實際工作參考，減少試模次數，提高成形率，具有很大的現實意義。

1　建立有限元模型

1.1零件結構設計

如圖1所示殼結構，該零件尺寸較大，并且較深，在沖壓過程中，容易產生拉伸起皺，減薄破裂等現象，所以根據原始結構的沖壓模型進行了重新設計，在UG軟件中建立了結構三維殼體模型。

1.2建立沖壓有限元模型

圖1所示的模型經設計可直接作為凹模，根據凹模，通過偏置可以分別得到凸模，毛坯以及壓邊圈，圖2為有限元軟件Abaqus中建立的油底殼沖壓工序的有限元模型。

圖1　殼結構

根據寶鋼公司最新的ST14鋼材料的性能測試數據，數值模擬過程中的力學性能設置如表1所示［4］。

表1　ST14力學性能表

2　正交試驗設計

圖2　沖壓有限元模型

表2　正交試驗表

由于模型為是對稱結構，為減少作業量，故采用四分之一殼體模型對9種不同的因素水平組合進行正交試驗，沖壓結果厚度分布如圖3所示，結果統計如表3所示。

表3 沖壓結果減薄率以及厚度極差表

3　結論

（1）用正交試驗和數值模擬相結合的方法，能夠通過較少試驗次數找到合適的工藝參數，有效控制板料在沖壓成形過程中的起皺和拉裂缺陷。

（2）經試驗驗證了沖壓件成形工藝的最佳工藝組合方案為壓邊力600 kN、沖壓速度4m/s、摩擦系數0.13。

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［2］P.A.Tebbe，G.T.Kridli，Warm forming of aluminium allo ys:an overview and future directions，Int.J.Mater.Prod.Technol.21（2004）24-40.

［3］李毅，張火土，李延平.基于CAE技術的覆蓋件沖壓工藝正交實驗 ［A］機械設計與研究，2012，28（5）:91-93

［4］柏陽，YZ4D30發動機油底殼一次沖壓過程的有限元模擬及實驗研究［D］.南京:南京理工大學，2008:32-40

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.004