施為鐘, 龔紅英, 姜天亮, 趙小云

(上海工程技術(shù)大學(xué) 材料工程學(xué)院, 上海 201620)

沖壓工藝具有生產(chǎn)效率高、精度高、技術(shù)要求高等優(yōu)勢,在汽車、航空航天、電子電器等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1-2].但沖壓件容易產(chǎn)生回彈、起皺和拉裂等質(zhì)量缺陷,針對此類問題,很多學(xué)者進(jìn)行了大量研究,Li等[3]對AA5182-O鋁合金發(fā)動機(jī)內(nèi)板成形的回彈補(bǔ)償進(jìn)行研究,結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法,通過有限元數(shù)值模擬得到提高鋁合金發(fā)動機(jī)罩成形質(zhì)量的優(yōu)化工藝參數(shù).臧其其等[4]通過正交試驗(yàn)分析不同壓邊力、摩擦因數(shù)、沖壓速度及凸凹模間隙對鋁合金地板梁成形的影響規(guī)律,獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合并進(jìn)行實(shí)際拉延試驗(yàn),李兵等[5]借助Dynaform軟件對油箱端蓋的拉深成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬,建立有限元模型分析油箱端蓋拉深后的最大減薄率和最大增厚率,通過正交試驗(yàn)進(jìn)行仿真試驗(yàn)設(shè)計,并結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對板料的成形質(zhì)量進(jìn)行仿真預(yù)測.

本文對典型的帶凸緣圓筒件拉深工藝進(jìn)行研究,通過Dynaform軟件建立有限元模型,采用正交試驗(yàn)分析壓邊力,沖壓速度、模具間隙和摩擦因數(shù)對最大增厚率和最大減薄率的影響規(guī)律,再通過灰色系統(tǒng)(Grey System,GS)理論計算各工藝參數(shù)對最大減薄率的關(guān)聯(lián)度,對關(guān)聯(lián)度較大的參數(shù)采用Design-Export軟件進(jìn)行響應(yīng)面法(Response Surface Method,RSM)預(yù)測,獲得最優(yōu)工藝參數(shù),并通過數(shù)值模擬驗(yàn)證該試驗(yàn)方案的合理性.

1 拉深工藝分析及模型建立

1.1 拉深工藝分析

圓筒件尺寸示意圖如圖1所示.圓筒件材料為Q235A普通碳素鋼,厚度為1.8 mm.Q235A碳素鋼具有良好的塑性、韌性、焊接和冷沖壓性能以及一定的強(qiáng)度和冷彎性能,廣泛用于機(jī)械零件和焊接結(jié)構(gòu)[6],其主要力學(xué)性能參數(shù)見表1[7].

表1 Q235A碳素鋼的主要力學(xué)性能Table 1 Main machanical properties of Q235A carbon steel

1.2 材料模型

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》制備拉伸試樣,如圖2所示.從3個方向即垂直于軋制方向(90°)、平行軋制方向(0°)和45°軋制方向?qū)235A碳素鋼進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),每次試驗(yàn)選3組試樣以保證重復(fù)性.在計算機(jī)中讀取得到的材料位移—載荷曲線,如圖3所示.材料存在各向異性,通過平行軋制方向(0°)的位移—載荷數(shù)據(jù),計算得到應(yīng)力—應(yīng)變曲線,如圖4所示.

圖2 拉伸試樣示意圖Fig.2 Tensile specimens diagram

圖3 位移—載荷曲線Fig.3 Displacement-load curve

本文采用的模型是36#材料模型,Barlat’89屈服準(zhǔn)則能較好地描述材料的各向異性,屈服函數(shù)表達(dá)式為[8]

f(σ)=a|K1-K2|m+a|K1+K2|m+c|2K2|m=

(1)

其中

(2)

圖4 應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve

1.3 有限元模型

借助Dynaform軟件進(jìn)行有限元分析,對凸凹模、板料和壓邊圈進(jìn)行網(wǎng)格劃分,最大單元尺寸為

1.5 mm,最小單元為0.15 mm;閉合壓邊速度為2 000 mm/s,沖壓速度調(diào)整為1 000～5 000 mm/s,摩擦因數(shù)為0.1～0.15,凸凹模間隙調(diào)整為1.93～2.16 mm,壓邊力Fy計算式為[10]

Fy=AP

(3)

式中:A為實(shí)際壓邊面積;P為單位壓邊力,對于軟鋼P(yáng)=2.00～2.50 MPa.帶凸緣圓筒件有限元模型如圖5所示.

圖5 帶凸緣圓筒件有限元模型Fig.5 Finite element model of cylinder with flange

2 試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計

以減薄率為拉裂評價指標(biāo),增厚率為起皺評價指標(biāo),通過正交試驗(yàn)對壓邊力(A)、摩擦因數(shù)(B)、沖壓速度(C)、模具間隙(D)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,定義

(4)

(5)

式中:t0為板料原始厚度;tf1為最薄處板料厚度;tf2為起皺趨勢下的成形厚度.減薄率越大,拉裂趨勢越明顯;增厚率越大,起皺趨勢越明顯.各因素水平參數(shù)見表2.假定本試驗(yàn)各因素之間互不影響,采用L25(54)正交表,得到的結(jié)果見表3.

表2 正交試驗(yàn)各因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

表3 模擬試驗(yàn)設(shè)計與結(jié)果Table 3 Design and results of simulated test

正交試驗(yàn)是多因素多水平試驗(yàn),設(shè)計缺點(diǎn)在于處理多目標(biāo)優(yōu)化問題時適應(yīng)性差,極差分析無法對因素影響的重要程度給出精確定量估計,因此,需要將正交試驗(yàn)設(shè)計和GS理論相結(jié)合進(jìn)行分析[11].

在正交試驗(yàn)中獲得不同水平和因素下對應(yīng)的最大減薄率和增厚率,由表3可知增厚率的區(qū)間變化不大,本文進(jìn)一步通過GS理論確定各因素對最大減薄率的關(guān)聯(lián)度.

2.2 GS理論分析

由于板料成形參數(shù)與成形目標(biāo)之間是高度非線性關(guān)系,為滿足特定目標(biāo)(如減薄率、增厚率、回彈等)尋求最優(yōu)解,考慮多個因素對板料成形質(zhì)量的影響程度,關(guān)聯(lián)度則用來確定因素之間在動態(tài)發(fā)展中的不確定關(guān)聯(lián),關(guān)聯(lián)度越大,因素對優(yōu)化目標(biāo)的影響程度就越大,GS理論在解決此類問題時具有很大優(yōu)勢[12].

設(shè)存在數(shù)列s=[s(1),s(2),…,s(n)],進(jìn)行均值無量綱化為

(6)

取參考數(shù)列s0={s0(k)|k=1,2,…,n},其中k為時刻.設(shè)有w個比較數(shù)列si={si(k)|k=1,2,…,n},i=1,2,…,w,則在k時刻,比較數(shù)列si相對于參考數(shù)列s0的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi為

(7)

式中:ρ為分辨率,一般取值為0.5;min min|s0(t)-sv(t)|、max max|s0(t)-sv(t)|分別為兩級的最小差和最大差.

ξi的平均值ri為

(8)

ri值越大,表明比較數(shù)列與參考數(shù)列越接近,將正交試驗(yàn)得到的減薄率作為參考數(shù)列,對應(yīng)的水平值作為比較數(shù)列,將數(shù)據(jù)代入式(6)至式(8),可得各因素對最大減薄率的關(guān)聯(lián)度,見表4.

表4 各因素對最大減薄率的關(guān)聯(lián)度Table 4 Correlation degree of each factor to the mainum thinning rate

由表4可知,壓邊力和摩擦因數(shù)對帶凸緣減薄率的關(guān)聯(lián)度較大,沖壓速度和模具間隙對減薄率的關(guān)聯(lián)度較小,在后續(xù)的研究中將對壓邊力和摩擦因數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化.

2.3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計

在工程優(yōu)化設(shè)計中,應(yīng)用響應(yīng)面法不僅可以得到響應(yīng)目標(biāo)與設(shè)計變量之間的關(guān)系,還可以得到設(shè)計變量最優(yōu)組合[13].本文采用Design-Export軟件的中心復(fù)合設(shè)計(CCD),以壓邊力和摩擦因數(shù)為試驗(yàn)因素,以減薄率為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)尋找最優(yōu)方案,得到在摩擦因數(shù)和模具間隙交互作用下的數(shù)據(jù),見表5,其等值線圖和三維響應(yīng)面曲面圖如圖6所示.

表5 CCD試驗(yàn)設(shè)計Table 5 Design of CCD Test

圖6 響應(yīng)面法分析結(jié)果Fig.6 Results of response surface method

3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)響應(yīng)面預(yù)測,當(dāng)壓邊力為5.20 kN,摩擦因數(shù)為0.10時,最大減薄率出現(xiàn)最小值,為22.97%,將優(yōu)化后工藝參數(shù)重新在Dyanform中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,得到減薄率的優(yōu)化輸出結(jié)果為22.94%,減薄率云圖如圖7所示,由于凸緣部分以切向壓應(yīng)力為主,厚度增加容易導(dǎo)致起皺,徑向拉應(yīng)力作用容易發(fā)生拉裂,在筒壁部分減薄率最大,響應(yīng)面預(yù)測與仿真值誤差為0.024%,說明響應(yīng)面法對該圓筒件拉深有較準(zhǔn)確的預(yù)測能力.減薄率往往與增厚率相關(guān)聯(lián),而此時材料增厚率僅為6.83%,與優(yōu)化前的數(shù)據(jù)比較變化不大,驗(yàn)證了本試驗(yàn)方法在處理拉深成形問題時具有可行性.優(yōu)化前后的成形極限(FLD)圖如圖8所示.分析優(yōu)化前后FLD云圖可知,優(yōu)化前在筒壁出現(xiàn)開裂缺陷,工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后,消除了開裂缺陷.

圖7 優(yōu)化后減薄率云圖Fig.7 Optimized thinning rate nephogram

圖8 優(yōu)化前后FLD云圖Fig.8 FLD nephogram before and after optimization

4 結(jié) 語

對材料進(jìn)行單向拉伸試驗(yàn),獲得實(shí)際材料的真實(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線,將材料參數(shù)和應(yīng)力—應(yīng)變曲線導(dǎo)入Dynaform中進(jìn)行有限元仿真,通過正交試驗(yàn)對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到優(yōu)化后的工藝參數(shù),然后進(jìn)行GS理論關(guān)聯(lián)度計算,可知沖壓速度和模具間隙關(guān)聯(lián)度較小,通過正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知,當(dāng)沖壓速度為4 000 mm/s,模具間隙為2.16 mm時,減薄率最小;采用RSM對影響程度較大的工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,獲得最優(yōu)工藝參數(shù)組合為壓邊力5.20 kN,摩擦因數(shù)0.10,此時最大減薄率有最小值,與響應(yīng)面法預(yù)測的誤差為0.024%,彌補(bǔ)了在正交試驗(yàn)中選取最佳參數(shù)方案時不顯著因素?zé)o法選取的缺陷,本研究對沖壓成形缺陷優(yōu)化具有重要意義.