基于正交實(shí)驗(yàn)的不銹鋼罐體拉深參數(shù)優(yōu)化

林興，顧平燦

（浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316022）

0 引言

魚罐頭的底面與側(cè)面是以圓弧連接的，所以兩者在成形過程中均會(huì)相互作用、相互影響，由于過渡區(qū)在變形過程中產(chǎn)生了兩次彎曲，使得坯料變形程度增大，導(dǎo)致材料過度變薄，當(dāng)變形力再超過其承載能力時(shí)，就會(huì)發(fā)生拉裂[1]。因此零件的減薄率在產(chǎn)品成形時(shí)需要被重點(diǎn)關(guān)注[2]。板料減薄率的影響因素有很多，但是一般在實(shí)際生產(chǎn)過程中材料、板厚和零件形狀多為不可變因素[3]，而壓邊力、沖壓速度和模具間隙等工藝參數(shù)是可以進(jìn)行調(diào)整的，在實(shí)際生產(chǎn)過程中以上各因素都會(huì)對(duì)產(chǎn)品成型質(zhì)量產(chǎn)生影響，因此需要調(diào)試工程師的經(jīng)驗(yàn)和大量的時(shí)間對(duì)機(jī)械進(jìn)行調(diào)節(jié)試錯(cuò)，這步驟往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文使用有限元數(shù)值分析得到的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，不僅可以降低調(diào)試難度、縮短調(diào)試周期、降低試驗(yàn)成本，而且還可得到更好的成型質(zhì)量。

1 有限元數(shù)值模擬分析

Dynaform具有可以直觀觀察起皺、裂紋、回彈、劃痕的優(yōu)點(diǎn)，是一種分析在模具設(shè)計(jì)中前期工作常用的仿真工具。

Dynaform有限元仿真主要包括三維圖的導(dǎo)入、單元網(wǎng)格的劃分、材料參數(shù)的選取、毛坯的確定、沖壓凹凸模及其參數(shù)的設(shè)定與后處理等步驟組合而成。

1.1 零件建立與成形動(dòng)作

使用用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)出igs格式便與使用Dynaform進(jìn)行拉深仿真，魚罐頭毛坯模型如圖1所示。

圖1 魚罐頭罐體三維圖

底面到中面有4°拔模角，零件口基本尺寸L×B=104×60，零件口圓角半徑R=20 mm，凸緣處圓角半徑為1.5 mm（外側(cè)），底部圓角半徑為1.5 mm（外側(cè)），凸緣寬度Ry=3 mm，料板為0.2 mm厚度的304不銹鋼。仿真過程中使用Dynaform自帶USA的SS304不銹鋼材料進(jìn)行，不銹鋼304的力學(xué)性能參數(shù)：密度為7930 kg/m3，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.28，屈服強(qiáng)度為239 MPa，硬化模量為1426，硬化指數(shù)為0.502，厚向系數(shù)在0°、45°、90°方向分別為1.02、1.19、0.90，板料厚度為0.21 mm。

板料在拉深成形中由于具有各向異性，因此需要采用3參數(shù)Barlat材料模型進(jìn)行分析，拉深過程中模具的變形相對(duì)于板料的拉深變形而言變化極小[4]，因此視凸模、凹模和壓邊圈均為剛體[5]。

沖壓主要由2個(gè)步驟組成：1）合模。凸模和壓邊圈保持不動(dòng)，凹模向板料移動(dòng)至凹模接觸到板料，并且壓緊。2）拉深。凸模保持不動(dòng)，凹模和壓邊圈按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，使板料發(fā)生塑性變形以達(dá)到成形效果。

凹模、板料、壓邊圈與凸模四者的位置順序如圖2所示。

圖2 板料沖壓的有限元模型

1.2 網(wǎng)格的劃分與毛坯的確定

將圖1的三維模型導(dǎo)入Dynaform中，對(duì)三維模型進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量與形式會(huì)直接對(duì)CAE分析的精度與速度產(chǎn)生影響，不考慮回彈的前提下一般不超過最小半徑的2倍，因此采用Dynaform自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為3 mm，最小網(wǎng)格為0.5 mm，網(wǎng)絡(luò)單元格翹曲＜20%[6]，得到凹模、板料、壓邊圈與凸模的網(wǎng)格與節(jié)點(diǎn)。

使用Dynaform自帶的網(wǎng)格修補(bǔ)功能對(duì)制造件的邊界與實(shí)際邊界比較，使用“重疊單元”工具檢查單元是否發(fā)生重疊現(xiàn)象，使用“平面法向”檢查單元法線方向。檢查不存在重疊與法線方向正確的前提下，使用MSTEP求解器進(jìn)行毛坯輪廓的確定，導(dǎo)出到SolidWorks進(jìn)行毛坯尺寸優(yōu)化。

1.3 成形極限圖

成形極限圖是板料成形仿真中重要的指標(biāo)，是目前評(píng)價(jià)成形性能的主流手段之一，主要由破裂區(qū)，臨界區(qū)和安全區(qū)3個(gè)區(qū)域組合而成，可以最為直觀地反映板料成形性能，一般用于判斷零件成形工藝設(shè)計(jì)是否合理，如圖3所示。

圖3 成形極限圖

1.4 摩擦因數(shù)的選擇

摩擦因數(shù)的大小會(huì)對(duì)拉深成形的結(jié)果產(chǎn)生影響，過大則不利于成形，過小則容易起皺[7]，良好的潤滑油與較差的潤滑油的摩擦因數(shù)相差可達(dá)到0.1，一般摩擦因數(shù)在0.11～0.17內(nèi)選擇，為模擬常規(guī)情況下的摩擦因數(shù)，一般在Dynaform仿真實(shí)驗(yàn)中把板料與凸模、凹模和壓邊圈的摩擦因數(shù)均設(shè)置為0.125。

1.5 壓邊力范圍的確定

為防止拉深過程中產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，毛坯在被拉入凹模圓角前應(yīng)保持穩(wěn)定狀態(tài)[8]。確保毛坯在無壓邊圈狀態(tài)下在拉深過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

壓邊力過小則容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象，壓邊力過大則容易產(chǎn)生拉裂，因此合適的壓邊力范圍是參數(shù)優(yōu)化的重要因素。非筒形件的拉深力一般通過F=Ap進(jìn)行計(jì)算所得，計(jì)算可得拉深過程中壓邊力應(yīng)在30 714～46 071 N范圍內(nèi)取值。

1.6 拉深速度范圍的確定

不銹鋼屬于速度敏感形金屬，過快或者過慢的沖壓速度都會(huì)對(duì)成形質(zhì)量產(chǎn)生影響。為研究在不同拉深速度對(duì)零件減薄率的影響，實(shí)驗(yàn)使用經(jīng)驗(yàn)公式1.1t為凹凸模間隙，通過計(jì)算機(jī)隨機(jī)在上文壓邊力范圍內(nèi)選取壓邊力大小40 952 N，進(jìn)行Dynaform仿真得出表1，趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 F=40 952 N且間隙為0.22 mm變薄率趨勢(shì)圖

表1 壓邊力為40 952 N且模具間隙為0.22 mm的仿真結(jié)果

在此工況下5000 mm/s的沖壓速度有最小的減薄率。

1.7 模具間隙范圍的確定

間隙的大小會(huì)對(duì)拉深力、拉深件的質(zhì)量、拉深模的壽命都有一定影響，間隙過小會(huì)使得材料通過間隙時(shí)阻力增大，致使模具表面的摩擦磨損增大，并且容易在工件表面產(chǎn)生擦傷。間隙過大可以提升模具的使用壽命，但會(huì)使得零件表面質(zhì)量變差產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。通過經(jīng)驗(yàn)公式（1.0～1.1）t可知模具間隙最佳范圍在0.21～0.23 mm間。

2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在沖壓過程中，影響成品減薄率的因素有很多，比如板料材料、板料厚度、壓邊力、沖壓速度、模具間隙、潤滑條件、沖壓行程、模具硬度等，除去影響成品減薄率的非主要因素與無法改變的條件，本文選擇壓邊力、沖壓速度、模具間隙3個(gè)主要因素通過L9（33）及3水平3因素正交表進(jìn)行最低減薄率數(shù)據(jù)提取。試驗(yàn)因素與水平如表3所示。

表3 工藝參數(shù)與水平

表3為3水平3因素正交表，需進(jìn)行9組仿真，每一組都通過Dynaform軟件進(jìn)行沖壓仿真，并且記錄其減薄率，分析結(jié)果如表4所示。

表4 正交實(shí)驗(yàn)安排與仿真結(jié)果

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

使用極差分析法暨方差分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表5所示，均值ki通過各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和的平均值。極差值過Rj=max{kj1-kj2-kj3}-min{kj1-kj2-kj3}得出各列的極差值，各因素的重要程度與極值的大小成正相關(guān)。通過方差分析得出各因素對(duì)減薄率的影響，根據(jù)影響性可得出A＞B＞C,即影響順序?yàn)閴哼吜Α_壓速度、模具間隙。選取各因素水平下的最小k值，得到最優(yōu)方案為A1B2C3,即壓邊力設(shè)置為31 000 N、沖壓速度為5000 mm/s、模具間隙為0.23 mm，此時(shí)魚罐頭罐體通過Dynaform仿真所得減薄率最小（如圖5）為23.633%，小于0.21 mm厚度304不銹鋼的最大減薄率34.51%。

圖5 最優(yōu)組合

表5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3 結(jié)論

本文以板料成形壓邊力、沖壓速度和模具作間隙為可調(diào)整工藝參數(shù)，使用Dynaform仿真軟件進(jìn)行數(shù)值模擬基礎(chǔ)，并通過正交試驗(yàn)以板料減薄率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)魚罐頭毛坯工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化。通過方差可知各參數(shù)對(duì)成形減薄率的影響程度為：壓邊力＞沖壓速度＞模具間隙。綜合分析得出最優(yōu)方案組合為A1B2C3,即壓邊力設(shè)置為31 000 N，沖壓速度為5000 mm/s、模具間隙為0.23 mm、并以此實(shí)驗(yàn)條件制得魚罐頭毛坯后減薄率最低。