基于正交试验法的托架冲压成形模拟分析与优化

熊文韬，杨垠耘，刘泓滨，邓利君

（1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明学院 自动控制与机械工程学院，云南 昆明 650214）

基于正交试验法的托架冲压成形模拟分析与优化

熊文韬1，杨垠耘1，刘泓滨1，邓利君2

（1.昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500；2.昆明学院 自动控制与机械工程学院，云南 昆明 650214）

本文基于正交试验法，利用有限元分析软件Dynaform，对某型托架冲压过程进行数值模拟分析。通过设定压边力、摩擦系数、冲压速度、板料尺寸和模具间隙等5个因素，参照五水平正交试验表对25个不同组合进行试验，并以减薄率、增厚率以及侧壁破裂情况为三个评定指标，结合综合平衡法对托架零件冲压性能进行数值模拟并找出影响托架表面质量的主要因素。最后，对上述参数进行优化，从而得到较高表面质量的托架。本文在相同类型产品加工过程中减少失稳起皱、破裂，改善零件表面质量方面提供了一定的理论基础。

冲压成形；数值模拟；正交试验法；参数优化；托架

金属板料的成形是一种大挠度且具有大变形的塑性变形过程。成形过程中出现的各种缺陷，对零件精度、表面质量及力学性能会造成不同程度的影响。其主要缺陷有失稳起皱、拉裂和回弹，等。

目前，企业运用有限元数值模拟方法进行工艺参数选择时，通常也是以试错法形式来获得较好的结果。随着计算机数值模拟技术以及有限元方法的成熟，可以预测拉深的成形性能[1]。

基于此，本文从某型托架入手，基于正交试验法，利用美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件——Dynaform，模拟该零件冲压过程，以减薄率、增厚率以及侧壁破裂情况作为评定指标，分析了压边力、摩擦系数、板料厚度、冲压速度以及模具间隙对零件成形造成的影响，并对相应参数进行优化。本文为相关问题的解决提供了理论依据。

1 模型建立

1.1 托架三维模型建立

利用UG NX 8.0对该零件进行三维模型构建。材料选用SPCD钢。如图1所示。

图1 某型托架三维图形

1.2 材料模型建立

材料相关性能参数如表1所示。

表1 所选材料力学性能

1.3 有限元模型建立

利用Dynaform软件建立有限元模型的基本流程为：①利用UG NX软件将建立好的三维模型转化为IGS格式导出；②将IGS格式模型导入Dynaform软件中进行工艺补充（DFE模块），进行坯料工程（BSE模块）求得毛坯（也可以在UG单独建立）；③利用AutoSetup模块依次对板料、凸模、凹模、压边圈进行设定、网格划分、检查并修正可能的缺陷；④设定板料、凸模、凹模和压边圈的相关参数（板料厚度、材料、摩擦系数、冲压速度、压边力等）；⑤发布任务至LS－DYNA求解器，进行求解。如图2所示为建立完成的有限元模型。

图2 某型托架有限元模型

2 建立正交试验

正交试验设计是研究较多因素间交互作用的一种重要的试验方法。通过对试验因素的合理调整，可从大量的试验点中选取适量的具有代表性的试验点，以获得比较满意的试验结果[2]。

2.1 因素和水平的设定

设定压边力、摩擦系数、板料厚度、冲压速度以及模具间隙这5个方面为试验中的5因素；为了较为精确地反映各因素对该零件表面质量的影响情况，分别设定5个水平。

本文中压边力的确定是基于参考文献[4]中压边力计算公式所得结果（如式1所示）；摩擦系数通用的选择标准为：良好滑动取0.05，一般取0.10～0.15，粗糙表面取0.20[5]。冲压速度一般是根据生产实际需要以及软件求解需求来确定。一般情况下在有压边圈时单边间隙为Z=（1～1.1）×t[4]。具体数据如表2所示。

表2 正交试验各因素及水平

式中：A为压边圈投影面积；P为单位压边力。

2.2 正交试验检测指标设定

在冲压成形过程中，两个主要障碍是起皱和侧壁拉裂。拉裂是当最大拉应力超过材料抗拉强度时，在危险断面处产生破裂的现象。因此，本文选用减薄率、增厚率以及破裂程度作为评价指标，由于破裂程度这一指标较难以量化，故作如下设定，如表3所示。

表3 拉裂程度数值对照表

2.3 试验结果处理与分析

根据实践经验，冲压件增厚小于5%和减薄量小于25%被认为是安全可行的[7]。在结果分析过程中采用正交试验法中的综合平衡法，即分别把各指标按单一指标进行分析，然后再把各指标的计算分析结果进行综合平衡，得出结论[8]。

观察表4可知，拉裂程度指标中只有第19组试验出现了少量拉裂部分，而绝大多数试验组均没有出现拉裂情况，故不将该指标纳入考虑中，主要以减薄率和增厚率指标为重。首先，对该两个指标进行单一指标的计算分析，如表5所示，据表5可分析各因素对该零件表面质量的影响情况，其中，Ki（i=1，2，3，4，5）为单个因素的减薄率（增厚率）之和；Kj（j=1，2，3，4，5）为Ki对应的平均值，R为极差值。

再者，根据表4，做出各因素与各指标的关系图，如图3、图4所示。

从表4、表5以及图3、图4可得如下结论：

（1）可得到五因素两指标的主次关系。若极差值越大，则说明此因素所对应水平的改变对试验结果产生的影响也就越大。从表5可知，影响托架表面质量的五因素二指标由主到次的顺序如下：

（2）对于减薄率这一指标，一般而言减薄率小于25%认为合格，在保证没有或较少起皱以及没有拉裂的情况下，减薄率在18%～30%左右具有较好的效果。基于此，B5D5A4C3E4为这一指标的最好条件。

（3）对于增厚率这一指标，一般情况下，增厚率越高板料越容易起皱，故增厚率越小越好。基于此，D1A5B1E3C1为这一指标的最好条件。

然而，两个指标分析出来的好坏条件并不一致，这便需要着重考虑对该零件表面质量起关键影响的因素。首先，试验中增厚率普遍小于2%低于5%的极限值很多，而减薄率相对而言更为接近于极限值。所以，在此情况下，减薄率对该零件表面质量有更大的影响。其次，在两个指标中，因素A、B、D均十分重要，而C、E对两个指标影响相对较小，并且两种指标下C、E两因素的取值都较为相近。基于此，对C、E两个因素可以按照第一指标选取，即取C3、E4。再者，减薄率指标中，B、D因素对减薄率的影响十分大，A次之；增厚率指标中，D、A因素对增厚率的影响很大。并且，两个指标中A的取值相近。但是，由于减薄率指标对该零件表面质量的影响大于增厚率指标，故也将A的水平值取为A4。

表4 正交试验方案结果

表5 各指标试验分析表

（1）在下一道工序中会使用修边模切除两侧耳，所以其质量问题不作为评定该零件的依据。

（2）方案B5D5A4C3E4中填料完整，顶部虽然尚未破裂，但仍有破裂趋势。并且多处有起皱趋势。

（3）方案D1A4B1E4C3中只有极少部分出现起皱趋势。但顶部大部分都未能填料完全。

（4）方案B5D1A4C3E4中，虽然有少部分有起皱趋势，但没有出现填料不完整现象，整体上具有以上两种方案的优点且优于以上两个方案。

图3 最大减薄率与各因素的关系

图4 最大增厚率与各因素的关系

2.4 优化方案以及验证

通过分析，有两种较好方案，分别为B5D5A4C3E4和D1A4B1E4C3，并且B、D两因素对两个指标都有重要影响，尤其是D因素对增厚率有极大的影响。基于此，添加本次正交试验第20组试验方案B5D1A4C3E4作为参考试验方案。然后，利用Dynaform进行分析求解。

各方案分析求解结果如图5、6、7所示，可知：

图5 B5D1A4C3E4方案变形云图

图6 D1A4B1E4C3方案变形云图

图7 B5D1A4C3E4方案变形云图

3 结束语

基于正交试验法，并以Dynaform软件为模拟平台，通过数值模拟对某型托架进行了分析研究，问题核心在于托架的两侧壁不可拉裂，不可有明显的起皱出现。

综合本文研究结果可得如下结论：

（1）影响减薄率的主要因素为：摩擦系数>板料厚度>压边力>冲压速度>模具间隙；影响增厚率的主要因素为：板料厚度>压边力>摩擦系数>模具间隙>冲压速度。

（2）利用正交试验法中的综合平衡法，对该零件的两个指标进行了综合考虑及优化，优化方案为：B5D1A4C3E4（摩擦系数0.185；板料厚度1.5mm；压边力120kN；冲压速度3000；模具间隙1.4mm），并对此方案进行了验证.通过观察云图，发现没有出现拉裂，极少部分有起皱趋势，总体上对其实现了优化，效果较好。

（3）通过实验表明，正交试验法在解决多因素、多指标的试验问题中，可有效避免盲目性，减少试验次数，提高效率，减少成本。

[1]夏木建，章 跃，周广宏，等.基于Dynaform的浅锥面拉深数值模拟[J].热加工工艺，2011，（1）.

[2]王 涛.应用正交试验设计提高拉深件的成形质量[J].锻压技术，2008，33（5）：48-51.

[3]黑学艳，郭津津，徐雅冬.正交试验法在U形件回弹数值模拟中的应用[J].机床与液压，2009，37（4）.

[4]王孝培.冲压手册[M].北京：机械工业出版社，1988：305-310.

[5]陈炎嗣，郭景仪.冲压模具设计与制造技术[M].北京：北京出版社，1991.

[6]韩玉强，李飞舟.基于Dynaform的轿车引擎盖冲压成形仿真的研究[J].热加工工艺，2010（8）.

[7]张 跃，张乐莹.板料拉深件的有限元分析及模具设计[J].微特电机，2009，（7）：62-64.

[8]中国科学院数学研究所数理统计组.正交试验法[M].人们教育出版社，1975：29-33.

Numerical simulation and optimization of stamping forming process for bracket based on orthogonal experiment method

XIONG Wentao1,YANGYinyun1,LIU Hongbin1,DENG Lijun2
（1.Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,Yunnan China;2.College of Mechanical and Automatic Control,Kunming University,Kunming 650214,Yunnan China）

The numerical simulation analysis has been conducted to some model of bracket by use of finite element analysis softwareDynaform based on orthogonal experiment method.By setting blank holder force,coefficient of friction,stamping speed,sheet metal size and die clearance as five factors,25 different combinations have been tested with reference to five levels orthogonal test table.Taking thinning rate,thickening rate and rupture as assessing indicators,numerical simulation has been conducted to stamping function of bracket by combination with integral balance method.The main factor which influences the surface quality of bracket has been found.Finally,the above parameters have been optimized to get bracket with high surface quality. It provides some theoretical basis for reducing instability wrinkling&rupture and improving surface quality of parts during stamping process of same type of product.

Numerical simulation;Stamping forming;Orthogonal experiment method;Optimization of parameters

TG386.1

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.027

1672－0121（2016）04－0088－05

2016－03－02；

2016－04－27

昆明理工大学学生课外学术科技创新基金项目（2015YB017）

熊文韬（1991－），男，硕士在读，主攻数字化设计与制造。E－mail：417180627＠qq.com