基于正交试验的壳结构冲压成型工艺参数优化

李政杰（贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025）

基于正交试验的壳结构冲压成型工艺参数优化

李政杰
（贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵阳 550025）

以某壳结构为研究对象，通过UG建模软件对研究对象组件进行三维设计建模，借助Abaqus数值模拟软件对冲压过程进行模拟分析，选取冲压过程中的压边力，冲压速度，摩擦系数为实验影响参数，每种参数选取三个水平，采用正交试验法进行数值分析试验，将数值模拟和正交实验方法相结合，以板材减薄率、厚度极差为实验结果优劣指标。分析四种参数的不同组合对模拟成型质量的影响。结果表明，最优工艺组合为第七组，压边力600kg、冲压速度4m/s、摩擦系数0.13时，减薄率、厚度极差最小。

冲压成形；数值模拟；正交试验；Abaqus 软件

在如今产品轻量化的趋势下，大量的产品设计师设计零件时都采用板材冲压结构，例如：每辆汽车几乎80%的零件都采用了冲压结构，包含1000多套冲压模具，而冲压件的制造容易出现破裂起皱，所以这些冲压件的结构、质量就决定了汽车整体的安全性、美观性，本文采用的壳结构就是一种大变形，成型过程复杂的深压件。把握冲压过程中的关键工艺参数就显得尤为重要，例如冲压速度、摩擦系数、压边力［1，2］等，本文对这些参数进行加权处理，利用正交试验法和数值分析对冲压过程进行模拟［3］，研究壳结构在冲压过程中，以上三种参数对冲压成形质量的影响，选出最优组合方式，结果可用于实际工作参考，减少试模次数，提高成形率，具有很大的现实意义。

1　建立有限元模型

1.1零件结构设计

如图1所示壳结构，该零件尺寸较大，并且较深，在冲压过程中，容易产生拉伸起皱，减薄破裂等现象，所以根据原始结构的冲压模型进行了重新设计，在UG软件中建立了结构三维壳体模型。

1.2建立冲压有限元模型

图1所示的模型经设计可直接作为凹模，根据凹模，通过偏置可以分别得到凸模，毛坯以及压边圈，图2为有限元软件Abaqus中建立的油底壳冲压工序的有限元模型。

图1　壳结构

根据宝钢公司最新的ST14钢材料的性能测试数据，数值模拟过程中的力学性能设置如表1所示［4］。

表1　ST14力学性能表

2　正交试验设计

图2　冲压有限元模型

表2　正交试验表

由于模型为是对称结构，为减少作业量，故采用四分之一壳体模型对9种不同的因素水平组合进行正交试验，冲压结果厚度分布如图3所示，结果统计如表3所示。

表3 冲压结果减薄率以及厚度极差表

3　结论

（1）用正交试验和数值模拟相结合的方法，能够通过较少试验次数找到合适的工艺参数，有效控制板料在冲压成形过程中的起皱和拉裂缺陷。

（2）经试验验证了冲压件成形工艺的最佳工艺组合方案为压边力600 kN、冲压速度4m/s、摩擦系数0.13。

［1］Z Q Lin，W R Wang，G L Chen.A new strategy to optimize var iable blank holder force towards improving the forming limi ts of aluminum sheet metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，183:339-346.

［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，张火土，李延平.基于CAE技术的覆盖件冲压工艺正交实验 ［A］机械设计与研究，2012，28（5）:91-93

［4］柏阳，YZ4D30发动机油底壳一次冲压过程的有限元模拟及实验研究［D］.南京:南京理工大学，2008:32-40

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