家電產(chǎn)品“U形件”彎曲回彈有限元分析

馮安平，原紅玲

(佛山職業(yè)技術(shù)學院機電工程系，廣東佛山 528137)

家電產(chǎn)品在整個制造業(yè)領(lǐng)域占有舉足輕重的地位。在家電產(chǎn)品的設(shè)計、制造上，除了制冷、電器控制系統(tǒng)上的難點之外，復(fù)雜沖壓件的成形也是家電產(chǎn)品制造中的難點之一。冰箱豎梁等零件都是“U形件”結(jié)構(gòu)件，其彎曲成形過程中的回彈量控制，將直接影響到家電產(chǎn)品開發(fā)的成敗。

1 家電產(chǎn)品“U形件”彎曲回彈分析

對于“U形件”來說，回彈包含兩方面的容:角部角度的回彈和側(cè)壁卷曲。角度回彈是指板料經(jīng)過彎曲，零件中的彈性變形釋放導(dǎo)致的最終彎曲角度的變化。而側(cè)壁卷曲則是毛坯料在拉力的作用下，經(jīng)過凹模圓角，彎曲、展開變形的結(jié)果。由于殘余應(yīng)力的釋放，導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的卷曲［1］?；貜椥Ч鐖D1所示。

圖1 “U形件”角度回彈與側(cè)壁卷曲示意圖

2 家電產(chǎn)品“U形件”彎曲回彈模擬過程

形狀復(fù)雜的沖壓零件，由于沖壓時材料流動極其復(fù)雜，利用板料沖壓的有限元數(shù)值模擬技術(shù)，確定合理的毛坯外形尺寸和優(yōu)化各種模具結(jié)構(gòu)參數(shù)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低制造成本和縮短開發(fā)周期有著重要的作用。

DYNAFORM-PC軟件是美國ETA公司與LSTC公司合作推出針對板料成形數(shù)值模擬的專業(yè)化軟件，能提供豐富高效的單元類型，能模擬彎曲、翻邊、拉伸、成形、壓筋和擴 (縮)口等絕大部分成形工藝以及多工序沖壓成形，能確定沖壓件的最大應(yīng)力(變)部位、輸出厚向應(yīng)變圖、Von Mises等效應(yīng)力分布圖和具有真實感的成形過程動畫［2］。目前 DYNAFORM己在世界各大汽車、航空、鋼鐵公司以及眾多的大學和科研單位得到了廣泛的應(yīng)用［3］。

下面以家電產(chǎn)品上常用的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q215A為例，試樣尺寸為100 mm×30 mm×0.2 mm，采用DYNAFORM-PC軟件對“U形件”彎曲回彈進行模擬。

試樣“U形件”彎曲工藝如圖2所示。

圖2 “U形件”彎曲簡圖

該試樣“U形件”彎曲模擬過程及分析如下:

(1)有限元數(shù)值模型

圖3為二維對稱有限元數(shù)值模型，圖3(a)給出了零件的主要幾何參數(shù)。零件處于平面應(yīng)變狀態(tài)。有限元網(wǎng)格如圖3(b)所示，采用雙線性四邊形單元［4］。

圖3 分析模型

(2)凸模運動速度曲線和壓邊力曲線

經(jīng)過網(wǎng)格劃分，坯料展開，毛坯網(wǎng)格設(shè)定，模型檢查，確定凸模、毛坯、凹模、壓料板的相對位置等步驟，得到凸模位移曲線 (圖4)和壓邊力曲線 (圖5)。

圖4 凸模位移曲線

圖5 壓邊力曲線

(3)后處理

后處理結(jié)果中提供了零件的成形信息，如零件的變形情況、主應(yīng)力分布、副應(yīng)力分布、平面應(yīng)變向量等，如圖6(a)— (d)所示。

圖6 后處理結(jié)果

(4)加載過程中凸模載荷、材料溫度與加載歷史的關(guān)系

圖7顯示，加載過程分為3個階段:彈塑性變形階段、塑性變形階段和零件被壓緊階段。圖8為零件溫度分布情況。

圖7 凸模載荷隨時間變化

圖8 零件溫度分布

(5)加載過程中零件溫度分布

圖9表示了中間過程和加載終了時零件的溫度分布情況。高溫區(qū)表明零件經(jīng)歷了大的塑性變形。盡管模具與零件相互接觸，但由于板料厚度較小，故溫度在零件厚度方向上的變化可以忽略不計［5］。

圖9 零件溫度分布

(6)加載過程中有效應(yīng)變、應(yīng)力分布

圖10表示加載過程中零件的有效應(yīng)變分布情況。與溫度分布情況不同的是，可以看到:在板料厚度方向上，有效應(yīng)變有較大的變化［6］。不論板料厚度大小，這是彎曲零件應(yīng)變分布的主要特征。在凸模圓角附近，零件內(nèi)部有相對較大的應(yīng)變值，相應(yīng)的應(yīng)力分布如圖11所示。

圖10 零件的有效應(yīng)變分布

圖11 零件的有效應(yīng)力分布

3 家電產(chǎn)品“U形件”彎曲回彈模擬結(jié)果分析

根據(jù)凹模圓角半徑Rd與回彈的關(guān)系 (圖12)，凸、凹模間隙與回彈的關(guān)系 (圖13)，摩擦系數(shù)與回彈的關(guān)系 (圖14)，凸模速度vp與回彈的關(guān)系 (圖15)得到以下模擬結(jié)果:

圖12 凹模圓角半徑Rd與回彈的關(guān)系

圖13 凸凹模間隙C與回彈的關(guān)系

圖14 摩擦因數(shù)μ與回彈的關(guān)系

圖15 凸模速度vp與回彈的關(guān)系

(1)凹模圓角半徑。凹模圓角半徑對回彈的影響程度較?。?］;

(2)凸、凹模間隙與“U形”零件的負回彈幾乎呈線性關(guān)系，間隙值越大，回彈值越大;

(3)壓邊力對“U形件”彎曲回彈的影響。壓邊力較小時，回彈隨著壓邊力的增大而增加;相反，壓邊力較大時，回彈隨著壓邊力的增大而減小。對應(yīng)于回彈的最大值，存在某一壓邊力值。同時，還可以找到一壓邊力數(shù)值，使得回彈基本消失。

(4)摩擦因數(shù)對“U形件”彎曲回彈的影響。隨著摩擦因數(shù)的增加，零件的負回彈有一定程度的減小。但當μ大于某一數(shù)值時，回彈均為正值。這種趨勢說明，采用合適的潤滑劑，可以減小回彈值［8］。

4 結(jié)束語

文中的研究確定影響“U形件”回彈的諸多因素，提出了一些減小回彈的方法。將研究結(jié)果用于沖壓生產(chǎn)的工程實踐，進行生產(chǎn)的過程控制和零件質(zhì)量控制，為模具制造和沖壓生產(chǎn)從業(yè)人員提供有益的參考。

［1］原紅玲，王可勝，楊安民.冰箱豎梁“П”形件彎曲回彈規(guī)律研究［J］.機械設(shè)計與制造，2013(10):252－254.

［2］岳陸游，姜銀方，陳煒，等.DYNAFORM-PC軟件及其在鈑金沖壓中的應(yīng)用［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2002，23(6):51 －52.

［3］CHO J R，MOON S J，MOON Y H，et al.Finite Element Investigation on Spring-back Characteristics in Sheet Metal U-bending Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，141(1):109 －116.

［4］趙俠，傅建，余玲，等.有限元模擬技術(shù)在板料沖壓成形中的應(yīng)用［J］.四川工業(yè)學院學報，2004，23(S1):241－249.

［5］謝起斌.橢球形件復(fù)合成形規(guī)律的研究［D］.西安:西安交通大學圖書館，2005:183－186.

［6］劉聯(lián)群，馬廣慧.板料彎曲的彈復(fù)現(xiàn)象［J］.電子工藝技術(shù)，2004，25(4):174 －175.

［7］岳陸游，許麗平.數(shù)值模擬在板料沖壓加工中的應(yīng)用［J］.模具工業(yè)，2004(11):34 －37.

［8］衡猛，周建中.有限元數(shù)值模擬在汽車覆蓋及其模具中的應(yīng)用［J］.機床與液壓，2004(11):140－141.