基于田口方法齿圈压板精冲模具参数优化.pdf

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1、第 21 卷摇 第 1 期2 0 1 3 年 2 月摇材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺MATERIALS SCIENCE&TECHNOLOGY摇Vol.21No.1Feb.,2013摇 摇 摇 摇 摇 摇基于田口方法齿圈压板精冲模具参数优化丁日显1,郭摇 成1,张缓缓1,陈摇 维2(1.西安交通大学 机械工程学院,西安 710049;2.西北工业集团有限公司,西安 710043)摘摇 要:在精密冲裁过程中,精冲模具结构参数和板料的摩擦系数显著影响精冲剪切面质量.采用有限元模拟和田口方法,对齿圈压板精冲模具精冲 H62 黄铜板料过程中凹模圆角半径、V 形齿齿高、V 形齿齿边距和板料摩擦系数

2、对剪切面撕裂比的影响进行了研究.结果表明:参数按照减小撕裂比能力由大到小排序依次是凹模圆角半径,V 形齿齿高,板料-模具摩擦系数和 V 形齿齿边距.研究发现:采用优化参数可显著减小剪切面上撕裂比,撕裂比最大减小 24.8%,并可抑制凹模刃口附近微裂纹萌生,使剪切带内裂纹由凸模单向扩展至凹模刃口,避免裂纹的双向扩展-贯通导致较大撕裂比剪切面的出现.关键词:精密冲裁;田口方法;有限元模拟;撕裂比;H62 黄铜;裂纹扩展中图分类号:TG386文献标志码:A文章编号:1005-0299(2013)01-0092-05Optimization of parameters of fine鄄blanking

3、 diebased on the Taguchi methodDING Ri鄄xian1,GUO Cheng1,ZHANG Huan鄄huan1,CHEN Wei2(1.School of Mechanical Engineering,Xi忆an Jiaotong University,Xi忆an 710049,China;2.CNGC Northwest Industries Group Co.,LTD,Xi忆an 710043,China)Abstract:In fine鄄blanking process,structural parameters of fine鄄blanking die

4、 and friction coefficient of thesheet significantly influence the edge quality of the fine鄄blanked part.FEM simulation with Taguchi method wascarried out to investigate the influence of the fine鄄blanking parameters(i.e.,die radius,V indenter height andposition,coefficient of friction of the sheet)on

5、 the crack ratio of the fine鄄blanked surface in the process of fine鄄blanking H62 brass plate.The results indicate that the descending order of importance of the parameters is thedie radius,the V鄄ring indenter height,the coefficient of friction and the V鄄ring indenter position.The maximumreduction of

6、 crack ratio was about 24.8%using the fine鄄blanking die with the optimization parameters,whichcould suppress the nucleation of micro鄄crack near the die radius and made the crack propagated from thepunch side to the die side.Crack coalescence was avoided in the shearing zone in the punching process b

7、e鄄cause of the reduction of the crack ratio on the fine鄄blanking surface.Key words:fine鄄blanking process;Taguchi method;FEM simulation;crack ratio;H62 brass;crack propagation收稿日期:2012-04-15.作者简介:丁日显(1982-),男,博士研究生;郭摇 成(1948-),男,教授,博士生导师.通信作者:郭摇 成,E鄄mail:gch .摇 摇 精冲作为一种先进材料分离技术,能以低成本和极少的加工工序生产出高品质零件1

8、.与常规冲裁相比,精冲零件具有尺寸精度、平整度和剪切面光洁度更高、垂直度更好2的优点,广泛用于汽车、仪器仪表、办公用品等设备.精冲零件的高品质源于精冲模具的结构特点,如使用压边圈、V 形齿、冲裁间隙小、凹模圆角半径较大等.精冲零件剪切面质量的主要评价标准是剪切面上的撕裂比3,即撕裂带宽度与剪切面宽度的比值,如图 1 所示.在最近几年的研究中,采用有限元模拟精冲过程并通过实验验证其可信性成为研究精冲机理,评价不同模具参数重要性,获得优化精冲模具参数获得高质量剪切面的主要手段4-11.但目前缺乏 V 形齿压板精冲模具中 V 形齿齿高和齿边距相比较于凹模圆角半径和板料摩擦系数重要性的分析.尤其是当精

9、冲零件剪切面撕裂比过大而需要修理模具时,需要在众多模具参数中确定能够最显著地减小撕裂比的模具参数及其最佳值.摇 摇 本文采用将有限元模拟和田口方法相结合,以 V 形齿压板精冲模具精冲 H62 黄铜板料过程为研究对象,对影响剪切面撕裂比的几个重要参数:V 形齿齿高、齿边距、凹模圆角半径和板料摩擦系数,进行比较和分析,得到各参数影响撕裂比能力的大小排序和优化的结构参数,并分析获得较小撕裂比剪切面的机理.图 1摇 精冲剪切面形貌1摇 有限元模型与正交试验设计1.1摇 有限元模型本研究使用隐式两维商业有限元模拟软件DEFORM-2D 建立轴对称模型来分析精冲过程,如图2 所示.板料为 H62 黄铜,板

10、料直径5 mm,板料厚度 1.5 mm.冲裁间隙为板料厚度的 1%.板料设置为塑性;凸模、凹模、顶杆和压边圈设置为刚性.板料上大约生成 10 000 个网格,且在剪切带区域进一步细化网格来保证模拟精度.在有限元模型求解过程中,为了克服单元过度变形引发的计算不收敛问题,每间隔10步重新划分网格.板料的流动应力-应变曲线由拉伸实验得到.设置工具与板料之间摩擦种类为库伦摩擦8-11.有限元模拟的条件如表 1 所示.图 2摇 有限元模拟模型表 1摇 有限元模拟条件应力-应变曲线凸模圆角半径/mm凸模冲裁速度/(mms-1)压边圈上压边力/kN顶杆上反压力/kN滓=325着0.605+4300.0186

11、020摇摇本文采用 Normalized Cockcroft and Latham(NCL)断裂准则12-17模拟精冲过程,研究剪切面上裂纹的形成.该准则适用于各种加载条件,且数值易于通过试验获得,其断裂准则为C*=乙着-f0滓*滓-d着-,(1)式中:着-f为等效断裂应变;滓*为最大主应力;滓-为等效应力;C*为材料韧性断裂临界值.该断裂准则的临界韧性损伤系数 C*由板料拉伸试验和有限元模拟相结合的方法确定18,得到 H62 黄铜板料的 C*值约为 1.5,如图 3 所示.1.2摇 田口方法田口方法最初由 Genichi Taguchi 在 20 世纪80 年代初期提出的优化办法,用以获得参

12、数最优组合,减小生产过程中产品质量的波动.本文中,田口方法被用于有限元模拟试验设计.V 形齿的齿高和齿边距、凹模圆角半径、板料摩擦系数分别选用三水平;精冲剪切面的撕裂比被设置为输出响应.表 2 展示了 V 形齿齿高(H)、齿边距(D)、凹模圆角半径(RD)和板料摩擦系数(滋)与其各自水平对应的实际大小.图 3摇 拉伸试验确定 NC&L 断裂准则中临界损伤系数摇 摇 表 3 给出了有限元试验采用的 4 参数 3 水平的正交设计及试验结果.剪切面质量采用撕裂比来衡量,如图 1 所示.表 3 中加粗斜字体的结果是最优参数.正交试验具有“均匀分撒、整齐可比冶39第 1 期丁日显,等:基于田口方法齿圈压

13、板精冲模具参数优化的特点,可以显著减少有限元模拟计算次数,提高优化过程效率.本研究中采用田口方法中信噪比(S/N)的“望小冶特性,表达式为S/N=-10log1n移ni=1y2()i.(2)式中:n 为试验总次数;yi为输出响应.表 2摇 田口实验设计中的 4 个试验参数及各自水平水平H/mmD/mmRD/mm滋10.401.200.100.1520.501.600.150.1930.602.000.200.24表 3摇 有限元模拟的 L9(34)正交设计及结果编号HDRD滋撕裂比/%1111168.902122253.943133353.254212351.555223148.2162312

14、64.327313244.148321360.189332144.992摇 结果与讨论2.1摇 使用 ANOVA 技术采用 ANOVA 技术研究 V 形齿齿高(H)、齿边距(D)、凹模圆角半径(RD)和板料摩擦系数(滋)影响剪切面撕裂比的重要性等级.采用 S/N分析有限元模拟结果.采取“望小冶特征,如式(2)所示,分析剪切面上撕裂比.(S/N)为 S/N 的均值,表达式为S/N=19移9k=1()S/Nk,(3)式中 k 为试验次数.输出响应波动的平方和(SS)和参数的平均SSi为SS=移9i=1()S/Nij-S/N2,(4)SSi=移3i=1()S/Nij-S/N2.(5)使用贡献率的百分

15、比获得每个参数对撕裂比的影响力大小排序11,19,贡献率=SSiSS伊100%.(6)表 4 列出了有限元模拟结果的 S/N,S/N,SS 和每个参数对撕裂比变化的贡献率.因为实验设计是正交的,所以可以在不同的水平分离出每个参数对撕裂比的作用.V 形齿齿高、齿边距、凹模圆角半径和板料摩擦系数的贡献率分别是22.386%、0.031%、76.631%、0.952%.由此可知,凹模圆角半径对撕裂比影响最大、最显著,V形齿齿高次之,之后依次是板料摩擦系数和 V 形齿齿边距.摩擦系数对撕裂比的影响略大于 V 形齿齿边距.试验中通过板料表面覆盖不同种类薄膜的方法修改板料摩擦系数,薄膜种类及对应的摩擦系数

16、如表 5 所示20-21.表 4摇 ANOVA 结果参数水平(S/N)ijSSi贡献率/%H/mm0.44.690 40.55.308 70.66.150 51.074 322.386D/mm1.25.360 51.65.370 02.05.414 50.001 50.031RD/mm0.103.826 30.156.018 00.206.305 43.677 476.631滋0.155.503 30.195.432 80.245.213 50.045 70.952表 5摇 不同材料接触界面摩擦系数20-21接触界面种类钢/H62钢/青铜薄膜钢/PET 薄膜摩擦系数0.190.150.242.

17、2摇V 形齿齿高、齿边距、凹模圆角半径和板料摩擦系数对撕裂比的影响摇 摇 图 4 是撕裂比的 S/N 响应图.V 形齿齿高和凹模圆角半径的 S/N 响应表现出显著变化.而相比之下,V 形齿齿边距和板料摩擦系数的 S/N 响应的变化不如前两者显著.在这 4 个参数中,当凹模圆角半径为 0.15 和 0.20 mm 时,S/N 的变化相对趋缓.这表明增加凹模圆角半径时,S/N 的变化更为稳健.相比之下,尽管齿边距增加初期也表现出类似于增加凹模圆角半径的稳健特点,但当齿边距大于 1.6 mm 后,S/N 的增加变得剧烈.这不利于生产中撕裂比的稳定控制.由此可以推断,为了减小撕裂比,修改 V 形齿齿边

18、距和板料摩擦系数并不如增加 V 形齿齿高和凹模圆角半径有效,这与表 4 得到的结论相似.图 4 中每条直线在不同区间的斜率大小有区别,但趋势没有区49材摇 料摇 科摇 学摇 与摇 工摇 艺摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 第 21 卷摇别.可以看出这 4 个参数中,V 形齿齿高、齿边距和凹模圆角半径对撕裂比的影响趋势是随着这些参数的增加而单调减小,这与摩擦系数的影响相反.表明板料摩擦系数和其余 3 个参数之间存在交互作用.图 4摇 撕裂比的 S/N 响应摇 摇 通过比较图 5 和图 6 可以发现,生成剪切面具有最小撕裂比和最大撕裂比两个精冲中裂纹萌生-扩展过程的差别.

19、图 5摇 生成最大撕裂比的凸模冲裁板料过程中裂纹萌生-扩展摇 摇 如图5(a)所示,在生成剪切面撕裂比最大的凸模冲裁板料过程中,微裂纹首先萌生在凹模剪切刃口附近,而后向凸模扩展.当裂纹向凸模扩展至一定程度时,凸模刃口附近也开始萌生裂纹而后向凹模刃口附近发展.最后两个裂纹结合,形成剪切面上的撕裂带,如图5(b)所示.但在生成剪切面撕裂比最小的凸模冲裁板料过程,微裂纹首先萌生在凸模刃口附近,如图6(a)所示.而后裂纹随着凸模向下向凹模扩展形成剪切面上的撕裂带,如图6(b)所示.由此可知,采用优化模具参数改变了剪切区内微裂纹萌生位置和裂纹扩展方向.图 6摇 生成最小撕裂比的凸模冲裁板料过程中裂纹萌生

20、-扩展2.3摇 实验验证图 7 是对比实验中使用优化参数得到的剪切面和使用未优化参数剪切面的撕裂比.可以看到,实验和有限元模拟结果比较接近,趋势一致.实验得到的剪切面的撕裂带和光亮带之间界线不是直线.实验证实采用优化参数的精冲工艺可以得到撕裂比明显减小的剪切面.图 7摇 采用优化参数和未采用优化参数得到的精冲剪切面对比3摇 结摇 论1)以剪切面上撕裂比为输出响应,4 种参数的影响显著程度从大到小依次为:凹模圆角半径 V 形齿齿高 板料-模具摩擦系数 V 形齿齿59第 1 期丁日显,等:基于田口方法齿圈压板精冲模具参数优化边距.所研究的 4 个参数对撕裂比影响特点为:凹模圆角半径越大,剪切面撕裂

21、比越小;V 形齿齿高越大,撕裂比越小;板料摩擦系数越小,撕裂比越小;V 形齿齿边距越大,撕裂比越小.2)有限元模拟精冲采用田口方法优化参数,得到了可获得最小撕裂比剪切面的工艺参数的最佳值,并通过实验验证有限元模拟结果的可信性.在未采用优化参数的精冲过程中,微裂纹首先萌生在凹模刃口附近,之后形成的裂纹由凹模向凸模刃口扩展.而且,当凸模进入板料一定深度后,微裂纹还会在凸模刃口附近萌生,最终导致裂纹在剪切带内双向扩展,直至彼此贯通,形成撕裂比较大的剪切面.相比之下,在采用优化参数的精冲过程中,凹模刃口附近的微裂纹萌生被抑制,微裂纹只萌生在凸模刃口附近,之后形成由凸模刃口向凹模刃口单向扩展的裂纹,所得

22、到的剪切面撕裂比明显小于未采用优化参数的精冲过程的.参考文献:1摇 BIRZRE F.Forming and fineblanking M.Verl:Mod鄄erne Industrie,1997.2摇 邓摇 明,黄摇虹.面向 21 世纪的精冲技 J.重庆工学院学报,2001,15(5):66-67.DENG Ming,HUANG Hong.Fine鄄blanking technologyfor the 21st CenturyJ.Journal of Chongqing Instituteof Technology,2001,15(5):66-67.3摇 周开华.简明精冲手册第二版 M.北京

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