基于Taguchi 法的拉深成形工藝參數優化

文／魏良慶·重慶科創職業學院智能制造學院

拉深作為一種塑性成形工藝，廣泛應用于金屬成形行業。凸凹模圓角半徑、沖壓速度、拉深間隙、模具導向方式等工藝參數都會影響拉深產品質量。通過有限元軟件ABAQUS 建立了成形件1/4 幾何分析模型，結合Taguchi 法，分析了凸模圓角半徑、凹模圓角半徑和沖壓速度對拉深件9 個位置的等效應力和等效應變的影響。結果表明，凸模圓角半徑對等效應力分布的影響最大，對沖壓速度的影響最小。對等效應變分布的影響從大到小依次為凹模圓角半徑、凸模圓角半徑、沖壓速度。最大等效應力主要集中在凸緣部位和凸模圓角處，最大等效應變主要分布在凸模圓角處、筒壁和底部區域。

拉深是金屬板料的一種重要成形工藝，廣泛應用于汽車、航空航天、電子元件、儀器儀表等領域。在拉深過程中，毛坯通過塑性變形獲得所需形狀。拉深變形過程非常復雜，是一種典型的非線性問題，不僅包含材料非線性問題，還涉及幾何非線性和接觸非線性問題。此外，在拉深過程中極易產生一些缺陷，如變薄、起皺、拉裂和表面劃痕等。因此，有必要對拉深工藝參數進行優化，以保證產品質量。本研究基于Taguchi 法和ABAQUS 有限元分析軟件，分析了凸模圓角半徑、凹模圓角半徑、沖壓速度等工藝參數對拉深過程中等效應力和等效應變的影響。

模型建立

拉深過程中的幾何參數如表1 所示。在拉深過程中，將凸模、凹模和壓邊圈視為剛體，毛坯(304 不銹鋼)視為彈塑性變形體。由于該產品屬于簡單的軸對稱拉深件，摩擦系數可以取常數，設置為0.18。

表1 拉深過程中的幾何參數

在板厚為2mm、沖壓速度為5mm/s 的條件下進行了單向拉深試驗，304 不銹鋼性能參數如表2所示。

表2 毛坯性能參數

利用ABAQUS 軟件可以解決非線性材料問題和具有塑性變形的幾何非線性問題。為了加快計算速度，只建立了毛坯的1/4 幾何模型。毛坯采用C3D4 實體單元，共計1824 個單元，如圖1 所示。凸模、凹模和壓邊圈均采用R3D4 實體單元，共計3024 個單元。整個仿真模型共有4848 個單元和6018 個節點。慣性力忽略不計，模型為準靜態的。

圖1 毛坯的1/4 幾何模型

為了研究各工藝參數對拉深成形性能的影響，必須了解拉深過程中毛坯各位置等效應力、等效應變。因此，選擇圖2 所示從拉深件邊緣到中心的9 個位置進行觀測。

圖2 測量位置

實驗設計

Taguchi 法介紹

Taguchi 法主要用于研究設計實驗，并確定工藝參數對成形零件性能的影響。通過Taguchi 法可以減少測試次數，節省人力、物力和財力。對于靜態優化問題，有三種類型的信噪比，即望小特性、望大特性和望目特性。在本工作中，主要針對厚度變化進行分析，其變形應越均勻越好。因此，本工作屬于望目特性問題。

確定因子和水平

拉深成形的工藝參數主要包括坯料形狀與尺寸、摩擦系數、沖壓速度、壓邊力和凹模圓角半徑等。本工作僅對凸模圓角半徑、凹模圓角半徑和沖壓速度進行分析，每個參數設置3 個級別。按照Taguchi 法，采用3 因素3 水平正交試驗設計L9(33)進行模擬。各因素和水平設置見表3，正交試驗表見表4。在本研究中，分析的指標主要是等效應力和等效應變的分布情況。

表3 工藝參數水平設置

表4 正交試驗表

結果與討論

圖3(a)和(b)所示分別為模擬編號1 的等效應力和等效應變分布情況。從圖中可以看出，拉深件凸模圓角處、底部邊緣的局部變薄非常顯著，該區域極有可能由于應力集中而發生拉裂。模擬編號4、5 和9 也出現了顯著的局部變薄現象。

圖3 模擬結果(模擬編號1)

在其他工藝參數不變的情況下，當沖壓速度從10mm/s 增加到20mm/s、30mm/s 時，產品的可成形性更好。沖壓速度為20mm/s，凸模圓角半徑為0.8mm，凹模圓角半徑為1.2mm 時的模擬結果如圖4 所示(模擬編號7)，此時產品的成形質量最好。結果表明，當凹模圓角半徑保持不變，凸模圓角半徑和沖壓速度取不同的數值時，最大等效應力和等效應變的位置都會發生明顯變化。

圖4 模擬結果(模擬編號7)

當沖壓速度為30mm/s、凸模圓角半徑為0.8mm、凹模圓角半徑為1.5mm 時，拉深模擬結果如圖5 所示(模擬編號8)。此時，最大應變出現在凸緣部位；當沖壓速度為20mm/s 時，最大應變出現在凸模圓角處。

圖5 模擬結果(模擬編號8)

對于模擬編號2、3 和6，獲得了與模擬編號8相似的結果。模擬編號7 獲得了拉深產品的較大高度。結果表明，正確的工藝參數對獲得所需的拉深產品質量和形狀非常重要。

從凸緣部位到底部中心，拉深件9 個位置的等效應力分布如圖6 所示，在某些模擬中，最大等效應力出現在兩個或三個位置，且主要集中在凸緣部位和凸模圓角處。9 個位置的等效應變分布如圖7 所示，最大等效應變分布在筒壁、凸模圓角處和底部區域。仿真結果表明，拉深產品的質量與凸模圓角半徑、凹模圓角半徑和沖壓速度有直接的關系。

圖6 凸緣部位到底部中心的等效應力分布情況

圖7 凸緣部位到底部中心的等效應變分布情況

使用MINITAB軟件和Taguchi法的信噪比特性(見表5 和表6)，以分析各種因素對應力和應變分布的影響。表5 結果表明，凸模圓角半徑對等效應力分布的影響最大，凹模圓角半徑的影響次之，沖壓速度的影響最小。表6 結果表明，對等效應變分布的影響從大到小依次為凹模圓角半徑、凸模圓角半徑、沖壓速度。同時，沖壓速度越快，生產時間越短，可成形性越好。

表5 等效應力分布的信噪比響應

表6 等效應變分布的信噪比響應

結論

⑴凸模圓角半徑對等效應力分布的影響最大，凹模圓角半徑的影響次之，沖壓速度的影響最小。對等效應變分布的影響從大到小依次為凹模圓角半徑、凸模圓角半徑、沖壓速度。

⑵最大等效應力主要集中在凸緣部位和凸模圓角處。最大等效應變主要分布在凸模圓角處、筒壁和底部區域。