機油濾清器法蘭沖壓成形過程有限元建模及模擬

王玉文，張大偉，朱成成

（1.中航工業(yè)新航平原濾清器有限公司，河南 新鄉(xiāng)453019；2.西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安710049）

1 前言

車用濾清器是保證汽車發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)、保證其性能的可靠性和耐久性的不可缺少的零部件，機油濾清器對保證潤滑系統(tǒng)正常工作、延長機油使用壽命起著重要作用[1]。汽車中沖壓零件占零件總數(shù)75%以上[2]，機油濾清器外殼和端部法蘭一般采用沖壓成形工藝?？镌獩_設(shè)計了機油濾清器外殼一次復合成形模具[3]，并用于實際生產(chǎn)。于鳴等[4]采用數(shù)值模擬方法研究了機油濾清器殼體正反拉深復合一次成形過程。彭立明等[5]也采用數(shù)值模擬方法研究了機油濾清器支架壓鑄成形過程，此外相關(guān)學者[6]也探討了機油濾清器支架壓鑄模具設(shè)計等問題。然而目前關(guān)于機油濾清器端部法蘭沖壓工藝研究的文獻報道較少，有必要深入分析其沖壓成形過程，優(yōu)化成形工藝。本文基于商業(yè)軟件Deform-3D，建立機油濾清器端部法蘭多道次沖壓成形過程的有限元模型，并通過實驗零件形狀比較驗證模型的可靠性，應(yīng)用所建立的有限元模型分析了機油濾清器端部法蘭多道次成形過程特征。

2 機油濾清器法蘭多道次成形過程描述

圖1 沖壓工藝流程圖

由于機油濾清器端部法蘭結(jié)構(gòu)復雜、性能要求高，其沖壓成形過程經(jīng)歷5 道次和多次中間去應(yīng)力退火。其沖壓成形過程如圖1 所示，包括兩次拉深、一次切邊、一次沖孔（中心孔）、一次翻邊（內(nèi)孔翻邊）。拉深工序使坯料成形成空心錐臺狀零件，截面形狀變化復雜，側(cè)壁帶有小孔，上下兩端傾角發(fā)生變化。側(cè)壁上端同一垂直邊相連接，下端同底面過渡不連續(xù)，如圖2 標示區(qū)域，這些都增加成形難度，為了避免拉深成形過程出現(xiàn)拉裂等缺陷，并精確成形所要求的截面形狀，采用先拉深預成形，再拉深成形所要求的截面形狀，然后經(jīng)過切邊、沖孔、翻邊三道工序完成機油濾清器端部法蘭的成形。切邊和沖孔成形工藝涉及材料斷裂過程分析，材料斷裂過程的模擬分析是建立法蘭多道次沖壓成形過程有限模型的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖2 兩次拉深后零件截面

3 有限元建模

3.1 模擬參數(shù)

本文采用45 鋼成形機油濾清器端部法蘭，其材料屬性取自Deform-3D 材料數(shù)據(jù)庫。采用剪切摩擦模型描述模具和變形材料之間的摩擦行為，根據(jù)Deform-3D 手冊[7]結(jié)合考慮沖壓成形中實際材料取摩擦因子為0.12。根據(jù)相關(guān)手冊推薦的沖壓工藝參數(shù)，選擇制定其他工藝參數(shù)。模擬中的工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 有限元模擬參數(shù)

3.2 材料斷裂模型

Deform 軟件平臺提供了Cockcroft & Latham、Oyane、Ayada 等材料斷裂模型及其改進模型10 多種，此外也提供了二次開發(fā)接口。本文有限元建模中采用NormalizedC & L 模型，其是基于Cockcroft & Latham發(fā)展而來的。

式中：σ1——最大主應(yīng)力；

一般認為當塑性應(yīng)變超過損傷門檻應(yīng)變值后，達到韌性斷裂閾值C 時將產(chǎn)生微裂紋引起斷裂[8]。該模型被成功應(yīng)用于金屬板料沖裁過程中金屬斷裂過程模擬[9]。根據(jù)相關(guān)實驗研究[10]表明在NormalizedC & L 模型中45 鋼的韌性斷裂閾值C 應(yīng)為0.6232。

3.3 幾何模型和網(wǎng)格

除了側(cè)壁均勻分布9 個孔外，機油濾清器端部法蘭是軸對稱幾何體，根據(jù)幾何特征取法蘭1/9 模型進行建模仿真，相應(yīng)的模具幾何模型也取1/9 模型。在Pro/E 軟件中建立相應(yīng)的坯料、模具幾何模型，以stl 文件格式輸入Deform 軟件，并調(diào)整其空間位置。采用局部網(wǎng)格細化和網(wǎng)格重新自動劃分技術(shù)。一次拉深成形過程的有限元模型如圖3 所示。當完成一個道次成形進入下一工序時，更換模具幾何模型并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件。

3.4 模型驗證

應(yīng)用所建立的有限元模型模擬了法蘭多道次沖壓成形工藝，最終模擬所得零件形狀和實驗結(jié)果比較如圖4 所示。模擬同實驗結(jié)果的比較顯示二者的形狀相符，說明所建立的有限元模型能夠描述機油濾清器法蘭沖壓成形過程中的宏觀變形行為。

圖3 一次拉深成形有限元模型

圖4 法蘭零件形狀

4 結(jié)果與分析

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，不同沖壓工序中沖頭載荷變化如圖5 所示。從圖中可以看出5 個沖壓工步中沖頭載荷曲線變化各不相同，二次拉深所需載荷最大，翻邊工步所需載荷最小，當然每個工步中沖頭形狀和行程各不相同。

在一次拉深成形過程中，模擬計算初期沖頭和坯料接觸不穩(wěn)定，0.04s 后開始穩(wěn)定接觸，如圖6 所示。此后成形載荷逐漸平穩(wěn)增加，一次拉深成形結(jié)束時達到最大值。由于模具對坯料軸向約束較弱，對成形零件端部沒有約束，從而所需成形力并不是很大，最大載荷小于250kN。

從圖5 可以看出二次拉深成形過程存在兩個急促上升臺階，這同成形材料和模具接觸條件密切相關(guān)。二次拉深后坯料形狀如圖2 所示，相應(yīng)的沖頭也具有相應(yīng)結(jié)構(gòu)。沖頭側(cè)面和圖2 所示工件側(cè)邊相似，上下兩端傾角發(fā)生變化，上端同一垂直邊相連接，下端同底面過渡不連續(xù)。二次拉深成形初期載荷變化十分平緩，當工件同沖頭上部垂直邊接觸后（如圖7a 所示），接觸面積增大，約束增強，載荷急劇上升。當開始充填側(cè)壁下端和底面不連續(xù)過渡段時（如圖7b 所示），載荷再次急劇上升，最后在1300kN 左右成形圖2 所示工件形狀。

圖5 法蘭零件成形過程中沖頭載荷時間曲線

圖6 一次拉深成形過程中模具坯料接觸情況

圖7 二次拉深成形過程模具坯料接觸情況

如圖8 所示，由于沖孔過程材料的斷裂面小于切邊過程中材料斷裂面，因此沖孔過程中的載荷小于切邊過程中的載荷，但二者載荷變化趨勢是相似的。在切邊過程中，當出現(xiàn)宏觀裂紋時，沖頭載荷開始下降，當材料完全分離后，載荷降為零。同樣沖孔過程中，出現(xiàn)宏觀裂紋后，沖頭載荷下降，中心孔形成后，載荷降為零。

圖8 損傷值分布情況

翻邊成形采用沖頭為錐形面，當沖頭錐形側(cè)面同工件接觸后，隨著行程增加，載荷逐漸增加。當工件內(nèi)壁同沖頭最大直徑處接觸后，沖頭載荷達到最大值，此時翻邊高度接近最大值，隨后進入整形階段，沖頭載荷開始下降。翻邊過程中零件形狀演化如圖9 所示，從零件形狀演化和載荷曲線變化來看，符合工藝要求，達到預期的形狀要求。

圖9 翻邊過程中的零件形狀

5 結(jié)論

（1）基于Deform-3D 軟件平臺，采用Normalized Cockcroft & Latham 材料斷裂模型，建立機油濾清器法蘭多道次沖壓成形過程的有限元模型，同實驗結(jié)果對比表明該模型能描述成形過程中的宏觀變形行為。

（2）有限元結(jié)果表明：成形過程中二次拉深所需載荷最大，需要在1300kN 以上壓力機上進行；切邊和沖孔過程載荷變化趨勢相類似，數(shù)值上前者大于后者；所采用的成形工藝能夠成形出正確的零件形狀。

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