基于Dynaform的微型軸承浪形保持架沖壓成形工序仿真分析

劉玉霞，黃迪山，傅惠燕

(1.上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200230)

浪形保持架作為大量使用的軸承沖壓件，其制造工藝為：下料沖裁→成形→整形→沖鉚釘孔。成形工序中，利用模具在特定工藝參數(shù)下，將內(nèi)徑較大的環(huán)形料收縮為特定內(nèi)徑的波浪形成形件，由于后續(xù)工藝中不再對內(nèi)徑進行進一步的加工和修正，因此，浪形保持架內(nèi)徑的制造精度取決于成形件的內(nèi)徑精度[1-2]。對于微型軸承使用的浪形保持架，由于其尺寸微小，對每道工序中工件的幾何精度檢測較為繁瑣和復雜，制造質量不能夠很好地保證。因此，需要探索一種新的方法，以控制和預測成形產(chǎn)品的制造質量和精度，提高產(chǎn)品質量。

隨著塑性成形基礎理論和數(shù)值計算方法的不斷完善與發(fā)展, 使板料成形過程的數(shù)值模擬仿真成為可能。目前仿真分析已逐漸成為縮短模具開發(fā)時間、支持新產(chǎn)品快速設計、 解決塑性加工技術的有效手段, 成為塑性加工領域的研究熱點。借助于數(shù)值模擬仿真, 可以對金屬成形過程進行控制與優(yōu)化，進而可以預測成形工序中的金屬流動、 應變、 應變率、 成形極限、 應力[3], 為沖壓生產(chǎn)提供有力的技術支持。Dynaform在軸承沖壓零部件中的應用較少，文獻[4-5]通過對軸承保持架成形件進行仿真，將仿真結果在模具設計中進行反饋，開啟了Dynaform在軸承沖壓件分析中的應用先例。

下文基于金屬板料成形有限元軟件Dynaform，介紹了浪形保持架成形工序的CAD模型和CAE模型建立的方法及成形工序中工藝參數(shù)在軟件中的定義方法，并通過測量成形件的尺寸，分析了工藝參數(shù)和模具精度對成形件的影響。

1 模型的建立

浪形保持架成形模的上、下凸模形狀如圖1 所示。在Dynaform中，沖壓仿真的凸模由凹模通過偏移得到，CAD模型導入時只需導入凹模和坯料的模型。然而，由于浪形保持架成形模為上、下凸模間隔分布，無法通過一側的凸模偏移出另一側的凸模，故這種建模方法在此不適用。因此，在建模軟件UG中將成形工序的上、下凸模均創(chuàng)建出，如圖2所示，為七兜孔浪形保持架的成形工序仿真模型。Dynaform軟件識別的是片體模型，通常將在三維建模軟件中建立的模型轉化成僅有模面形狀和坯料片體的模型，保存為IGS格式文件，導入Dynaform板料成形有限元軟件中進行分析。

圖1 成形凸模

圖2 成形工序仿真模型

將CAD模型導入Dynaform后，軟件界面顯示的模型如圖3所示。該模型全部由面要素組成。Dynaform軟件網(wǎng)格劃分時遵循模具網(wǎng)格尺寸與坯料網(wǎng)格劃分相適應的原則。在對模具進行網(wǎng)格劃分時，應精確模擬模具的幾何形狀，使模具的網(wǎng)格模型能夠精確地描述模具表面的幾何形狀，由于模具材料為剛性，模具單元尺寸不參與系統(tǒng)臨界時間步長的確定，細密的模具網(wǎng)格更容易與坯料網(wǎng)格相適應，有利于獲得接觸界面上理想分布的接觸力。在對坯料進行網(wǎng)格劃分時，應選擇一個合適的網(wǎng)格密度，過疏的網(wǎng)格使仿真的精度降低，過密的網(wǎng)格則會使計算量增大，甚至導致計算的終止。劃分好網(wǎng)格后的成形模型如圖4所示。

圖3 導入后的模型

圖4 有限元模型

2 仿真參數(shù)的定義

工具的定義：將圖4中中間圓環(huán)定義為坯料，坯料上部的元素定義為上凸模，下部的元素定義為下凸模。

分析模型的建立：選擇沖壓類型為正裝拉延(Toggle draw)，接觸界面選擇為單向的面與面接觸。

坯料材料模型的選擇：坯料厚度為0.35 mm；坯料材料為1Cr18Ni9，在仿真軟件材料庫中，對應的材料為DQSK type36；材料模型選為針對薄金屬成形分析的三參數(shù)Barlat材料模型，該模型的參數(shù)見表1。

表1 坯料材料模型參數(shù)

成形參數(shù)設置：設置上凸模向下運動，下凸模固定，對上凸模加載速度曲線，首先確定凸模的行程為2.974 mm；為確定上凸模的沖壓速度，采用多次仿真試驗的方法，得到坯料發(fā)生彎曲變形內(nèi)徑縮小至與下凸模內(nèi)徑一致時的上凸模速度為1 000 mm/s。

3 仿真結果

使用LS-DYNA求解器求解所建立的成形參數(shù)模型，得d3plot和dynain格式結果文件。d3plot格式文件為成形模擬的結果文件[6]，本算例得到的d3plot文件包含的模擬過程共21幀，圖5所示為第21幀模擬，即成形過程結束時上、下凸模和成形件的狀態(tài)圖。從圖可知，通過正確的參數(shù)設置，坯料能夠在上凸模的作用下，沿著上、下凸模的表面向內(nèi)徑方向滑移，并恰好發(fā)生彎曲變形，使坯料的內(nèi)徑縮小至與凸模內(nèi)徑一致，完成浪形保持架的成形工序。圖6為dynain格式的結果文件，為坯料成形結果圖。圖7為成形件的厚度變化圖，由圖可知成形后坯料的厚度發(fā)生了變化，成形件內(nèi)徑方向的厚度較大，高于公稱厚度，在靠近內(nèi)徑的波峰和波谷處，厚度最大，較公稱厚度大2 μm；外徑方向厚度較公稱厚度小，在工件外邊緣的部分波峰處，厚度較公稱厚度小9 μm，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與成形過程中坯料由外徑方向向內(nèi)徑方向的運動有關。圖8為坯料的成形極限圖，圖中大部分區(qū)域拉伸不足，這是由于浪形保持架的成形工序變形主要為彎曲變形。

圖5 成形模擬結果

圖6 最終成形件

圖7 成形件厚度變化

圖8 成形極限圖

4 工藝參數(shù)和模具設計參數(shù)對浪形保持架成形精度的影響

浪形保持架內(nèi)、外徑的設計值分別為13.65 mm和18.30 mm。

4.1 工藝參數(shù)的影響

(1)其他條件不變，改變上凸模下行速度，對成形過程進行仿真，并讀取dynain格式結果文件。令上凸模下行速度為3 000,1 000和800 mm/s時，得到成形件的內(nèi)徑分別為r1，r和r2。圖9為成形件在xOy平面內(nèi)的投影，圖中r1>r>r2。

圖9 不同成形速度下的成形件

通過獲取整形件內(nèi)(外)徑上的節(jié)點坐標值(圖10)，在Matlab中編寫代碼，并根據(jù)成形工序CAD模型建模時設定的圓心坐標，得到各成形速度下成形件的內(nèi)(外)徑值，見表2。

圖10 成形件節(jié)點坐標的獲取

表2 不同成形速度下成形件的內(nèi)(外)徑

(2)其他條件不變，改變上凸模行程，對成形過程進行仿真，并讀取dynain格式結果文件。令上凸模行程為4.0，2.974和2.0 mm時，所得成形件的內(nèi)徑分別為r1，r和r2，波谷深度分別為h1，h和h2。圖11為3種成形深度下得到的成形件，其中r1h>h2。不同成形深度下，成形件的內(nèi)徑值見表3。

圖11 不同成形深度下的成形件

表3 不同成形深度下成形件的內(nèi)(外)徑值 mm

由上述分析可知，工藝參數(shù)不同，所得到的浪形保持架成形件的尺寸也不同，成形工序中內(nèi)徑超差的工件，不能進入后續(xù)工序的加工，因此，在沖壓成形中，應設計合適的工藝參數(shù)，以保證成形后內(nèi)徑的精度。沖壓仿真技術在浪形保持架制造工藝應用中，在對工藝參數(shù)設定和調整之前，預知保持架的整形精度，根據(jù)保持架的制造誤差狀況，設定合理的工藝參數(shù)(如沖壓力、沖壓速度)，有助于提高效率，降低試驗成本。

4.2 模具結構參數(shù)的影響

浪形保持架成形凸模的主要結構參數(shù)為滑移角α，如圖12所示，滑移角的作用為有利于材料收縮、使環(huán)形坯料變形均勻，不易開裂。對于微型軸承浪形保持架成形模，公稱滑移角為8°[7]。由于模具存在制造誤差，且模具在使用的過程中不斷和坯料接觸產(chǎn)生磨損，會使滑移角與設計值存在偏差?；平堑某叽绯顚Τ尚渭挠绊懛治鋈缦拢浩渌麠l件參數(shù)不變，建立滑移角分別為7.5°和8.5°的成形模具仿真模型，對坯料進行成形仿真，將仿真結果與模具滑移角為8°時的進行對比,如圖13所示。令滑移角為7.5°，8°，8.5°時得到的成形件的內(nèi)徑分別為r1，r，r2，由圖12知，r1

圖12 成形凸模滑移角

圖13 不同滑移角下的成形件局部放大圖

表4 不同滑移角下成形件的內(nèi)(外)徑

5 結束語

以浪形保持架成形工序的仿真分析為實例,運用數(shù)值模擬軟件 Dynaform 分析板料成形技術在軸承沖壓零部件制造工藝中的應用, 探討了板料沖壓成形中，工藝參數(shù)及模具的精度對成形件精度的影響，為軸承沖壓保持架沖壓工藝設計及產(chǎn)品質量保證提供了新的思路，同時有利于預測和控制成形產(chǎn)品的制造質量和精度，提高對產(chǎn)品質量的有效控制。