基于正交試驗(yàn)的沖壓件滑移線優(yōu)化研究

基于正交試驗(yàn)的沖壓件滑移線優(yōu)化研究

0沖壓件滑移線缺陷的消除工藝研究隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者對汽車形狀的要求日益增加。汽車外部造型最早源于馬車外形，到T形車時代開始發(fā)展符合自身的設(shè)計，再到現(xiàn)代多樣化的設(shè)計風(fēng)格棱角分明的汽車外觀設(shè)計，使對應(yīng)的外部鈑金件在沖壓生產(chǎn)過程中制造困難，棱角部位容易產(chǎn)生滑移線，影響成形件的外觀品質(zhì)。針對滑移線的產(chǎn)生及消除，國內(nèi)各汽車主機(jī)廠都進(jìn)行了大量研究，并得到了一些有效的改進(jìn)方法。徐小清分析了沖壓件滑移線產(chǎn)生的原因，基于產(chǎn)生條件將滑移線種類分成了三類，并分別闡述了對應(yīng)的消除方法滑移線影響成形件的外觀，在沖壓工藝設(shè)計及調(diào)試階段必須消除。目前常用的方法分為兩類：一是進(jìn)行產(chǎn)品造型更改，放大易產(chǎn)生滑移線區(qū)域的棱線圓角半徑；二是通過調(diào)試工藝參數(shù)，降低滑移線產(chǎn)生的概率。更改棱線圓角會造成棱線模糊，弱化產(chǎn)品外觀設(shè)計效果，一般不采用。目前大部分模具企業(yè)采用調(diào)試工藝參數(shù)的方法，但影響滑移線的工藝參數(shù)較多，調(diào)試時工藝人員進(jìn)行參數(shù)配比需要進(jìn)行大量的數(shù)值模擬與成形試驗(yàn)，增加了產(chǎn)品開發(fā)成本與周期。因而如何在較短時間內(nèi)獲得消除滑移線的最佳工藝參數(shù)配比是目前模具企業(yè)亟待攻克的難題，現(xiàn)提出采用正交試驗(yàn)的方法，通過合理選擇試驗(yàn)的水平及因素，配合數(shù)值模擬分析，可快速對各種影響滑移線的參數(shù)進(jìn)行權(quán)重對比，得到最優(yōu)成形工藝參數(shù)組合，縮短模具調(diào)試周期，降低開發(fā)成本。1凸模偏差模型成形開始時，凹模擠壓壓邊圈，壓緊板料后向下持續(xù)運(yùn)動，凸模棱角在b點(diǎn)與板料最先接觸，隨后支撐板料，并逐漸使板料拉深變形，最終與凹模型面完全貼合，如圖1所示。由幾何關(guān)系可知，板料由abc狀態(tài)變形到ab2有限模型與數(shù)值模型的分析2.1料質(zhì)尺寸和尺寸以某汽車行李箱外板上板為對象進(jìn)行滑移線產(chǎn)生的研究，行李箱外板上板如圖2所示，材質(zhì)為DC06，料厚為0.7mm，尺寸為1166mm×390mm×155mm。零件呈V形，頂點(diǎn)處（圖2(b）所示虛線）半徑為R12mm，成形過程中該處存在產(chǎn)生滑移線的風(fēng)險。2.2制備u2004型按壓料力設(shè)置起高度采用AutoForm軟件對行李箱外板上板的成形過程進(jìn)行數(shù)值分析，建立的有限元模型如圖3所示。拉深工序的沖壓方向與零件Z方向夾角為55°，初始壓料力設(shè)置為500kN，拖桿頂起高度為200mm，凹模行程為350mm，成形速度為1m/s。毛坯材質(zhì)選擇為DC06，尺寸為1420mm×835mm，厚度為0.7mm。拉深筋采用虛擬拉深筋代替，網(wǎng)格劃分方法采用自適應(yīng)網(wǎng)格，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。凸、凹模及壓邊圈為殼單元剛體模型，毛坯為片體可變形模型。零件左右對稱，為了降低運(yùn)算時間，將板料設(shè)為全尺寸的1/2，并添加對稱約束。2.3滑移線模擬分析拉深成形后的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示，成形件表面光順，無開裂與起皺現(xiàn)象。毛坯中間部位材料流動較劇烈，但拉深后整體邊界仍處于凹模R角以外，毛坯在成形過程中受拉狀態(tài)良好，無明顯失控區(qū)域。在凹模與板料最先接觸的R角部位進(jìn)行滑移線的數(shù)值模擬，如圖4(a）所示，頂端R角最大滑移量為21.68mm，而零件對應(yīng)部位圓角半徑為R12mm，說明滑移線已延伸到圓角區(qū)域以外。根據(jù)涂裝經(jīng)驗(yàn)可知，如果沖壓時表面形成的滑移線延伸到零件R角以外區(qū)域，該缺陷經(jīng)過涂裝噴涂后依然可見，為不可接受的缺陷，必須在成形過程中消除。圖4(b）所示為零件減薄云圖，右側(cè)中央部位局部減薄明顯，最大減薄達(dá)到20.4%，但該區(qū)域?yàn)楣に囇a(bǔ)充區(qū)域，其目的是平衡板料流動的均勻性，為廢料區(qū)域，且DC06最大減薄率可達(dá)到40%以上，因而該區(qū)域無風(fēng)險。毛坯中央位置增厚明顯，最大厚度增加約7%，局部成形時可能存在輕微波浪，但不會影響零件整體的成形質(zhì)量。3基于正交試驗(yàn)方法的滑移線值的模擬分析3.1正交試驗(yàn)優(yōu)化從滑移線產(chǎn)生的機(jī)理可知，對成形過程中滑移線的控制實(shí)際上是對板料流動方向、流動量及延展情況的綜合控制。因而，影響滑移線產(chǎn)生的因素為毛坯的材質(zhì)及厚度、壓邊力大小、拉深筋系數(shù)及分布、工具體與板料之間的摩擦系數(shù)、凹模半徑、零件對應(yīng)部位圓角半徑、沖壓方向、毛坯尺寸、壓料面形狀等。由沖壓成形基本原理可知，以上因素對滑移線的產(chǎn)生存在交互影響，設(shè)置時存在一定的關(guān)聯(lián)性，在實(shí)際應(yīng)用過程中對這些因素進(jìn)行分析，找出最優(yōu)組合方案。分析多因素對試驗(yàn)結(jié)果交互的影響及對各因素水平的篩選，目前有效的方法是采用正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)可有效降低方案探尋過程中的試驗(yàn)次數(shù)，快速找出最優(yōu)參數(shù)組合，提高工作效率，降低試驗(yàn)成本?，F(xiàn)擬采用正交試驗(yàn)對零件滑移線產(chǎn)生的因素進(jìn)行篩選，以期快速找出最優(yōu)成形方案的試驗(yàn)參數(shù)。毛坯材質(zhì)及厚度、零件對應(yīng)部位的圓角半徑在設(shè)計時已經(jīng)定型，數(shù)值模擬時無法更改。沖壓方向、拉深筋分布及壓料面形狀為工藝設(shè)計基本要素，是不可量化指標(biāo)?；谏鲜銮闆r，擬選擇壓邊力、摩擦因數(shù)、拉深筋系數(shù)與毛坯尺寸增量作為正交試驗(yàn)的影響因素，每種因素取3個水平，并依據(jù)相應(yīng)的正交試驗(yàn)表選定試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行零件滑移線缺陷的數(shù)值模擬分析。3.2壓邊力和拉深筋系數(shù)正交試驗(yàn)采取4因素3水平，采用L(1）壓邊力直接決定板料表面的摩擦力大小，影響板料的拉力方向及大小，對滑移線缺陷的影響不容忽視。實(shí)際選擇壓邊力時，需依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果與沖壓經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合考慮后確定。增加板料表面的壓邊力會增加板料表面受到的拉力，增大板料塑性變形程度，但同時會增加零件變形劇烈部位的開裂風(fēng)險，且過度增加壓邊力會增加壓力機(jī)的能耗，使生產(chǎn)成本增加；減小壓邊力會降低板料表面摩擦力，削弱板料變形程度，過度減小壓邊力可能會造成局部成形不足，甚至產(chǎn)生起皺缺陷。依據(jù)得到的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果及沖壓經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，壓邊力選擇了3個不同水平，分別為400、500、600kN。(2）改變工具體與板料之間的摩擦因數(shù)，會直接改變壓邊圈與凹模作用在板料表面的摩擦力，進(jìn)而改變板料受拉狀況。摩擦因數(shù)越小，板料向模腔中流動速度越快，反之則越慢。實(shí)際生產(chǎn)中主要通過對模具零件表面拋光、涂油與鍍層等方法改變工具體與板料之間的摩擦。AutoForm中工具體與板料之間的摩擦因數(shù)默認(rèn)值為0.15，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況選擇了3個不同水平，分別為0.11、0.13、0.15。(3）拉深筋系數(shù)會影響拉深筋對板料流動的阻礙作用，拉深筋系數(shù)越大，板料流動越困難。拉深筋系數(shù)的選擇需要根據(jù)板料流動趨勢設(shè)置，流動較容易部位的拉深筋系數(shù)可適當(dāng)加大，較困難的部位需降低拉深筋系數(shù)。正交試驗(yàn)中拉深筋系數(shù)選取-0.1、0、0.1。(4）處于壓緊狀態(tài)的毛坯尺寸決定了板料表面壓邊的區(qū)域大小，同等壓邊力、摩擦因數(shù)及拉深筋系數(shù)狀況下，毛坯尺寸越大，板料表面受到的摩擦力越大，正交試驗(yàn)中毛坯尺寸增量水平選擇-10、0、10mm。3.3模擬結(jié)果分析表2所示為沖壓件滑移線數(shù)值模擬的正交試驗(yàn)結(jié)果，采用試驗(yàn)6與試驗(yàn)7的參數(shù)方案，零件成形后滑移線偏移量最小，只有9.3mm；而采用方案4時，零件成形后滑移線偏移量最大，達(dá)到25.4mm。圖5所示為各正交試驗(yàn)對應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)采用試驗(yàn)1與試驗(yàn)8的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬后，零件中部出現(xiàn)成形不足現(xiàn)象，采用試驗(yàn)9的數(shù)據(jù)時零件局部出現(xiàn)開裂。對各因素進(jìn)行均值和極差運(yùn)算，結(jié)果如表3所示。按照極差的定義及影響可知，極差越大則該因素對滑移線的影響越大，各因素對滑移線的影響程度為：拉深筋系數(shù)>壓邊力>摩擦因數(shù)>毛坯尺寸增量。由表2可知，試驗(yàn)6和試驗(yàn)7結(jié)果最優(yōu)，滑移線的滑移量均為9.3mm，在R角范圍內(nèi)，可滿足生產(chǎn)質(zhì)量要求。但對比試驗(yàn)6與試驗(yàn)7各參數(shù)發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)6與試驗(yàn)7的毛坯尺寸相同，但試驗(yàn)7的壓邊力更大。從經(jīng)濟(jì)性考慮，壓邊力大，能耗更高，因此正交試驗(yàn)的最優(yōu)方案為試驗(yàn)6，具體試驗(yàn)參數(shù)組合為：壓邊力500kN，摩擦因數(shù)為0.15，拉深筋系數(shù)為-0.1，毛坯尺寸增量為0。4正交試驗(yàn)結(jié)果分析以某汽車行李箱外板上板為研究對象，采用正交試驗(yàn)的方法，對滑移線產(chǎn)生的4種因素進(jìn)行了分析。依據(jù)正交