空調(diào)閥門支架級進(jìn)沖壓工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化分析

耿 佩，李軍超，陸俊江

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；3.格力電器（重慶）有限公司，重慶 400039）

空調(diào)閥門支架級進(jìn)沖壓工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化分析

耿 佩1，李軍超2，陸俊江3

（1.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089；2.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044；3.格力電器（重慶）有限公司，重慶 400039）

級進(jìn)模沖壓成形中易出現(xiàn)起皺、破裂和成形精度低等缺陷。本文以某閥門支架零件為研究對象，采用多工步多工序的建模方法建立了級進(jìn)模成形全工序有限元模型。對原有成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并借助Dynaform軟件對其進(jìn)行全程數(shù)值模擬分析，得出良好的模擬結(jié)果。通過分析，證明該優(yōu)化結(jié)果是可行的，可有效指導(dǎo)級進(jìn)模成形零件的產(chǎn)品質(zhì)量控制。

沖壓工藝；級進(jìn)模成形；有限元模擬；支架零件

級進(jìn)模沖壓成形過程中除了起皺和破裂缺陷，成形精度也是成形中的主要問題，這些缺陷主要受摩擦條件、模具幾何形狀、壓邊力、材料特性等工藝參數(shù)的影響[1]。不合理的工藝取值會導(dǎo)致板料出現(xiàn)起皺和拉裂等缺陷，這些缺陷不僅破壞零件的表面質(zhì)量、降低零件的成形精度，甚至直接導(dǎo)致零件報廢。因此各種成形工藝參數(shù)對沖壓件成形質(zhì)量的影響不容忽視，合理的沖壓成形工藝參數(shù)可以使板料在成形過程中變形均勻，提高材料的沖壓成形性，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

本文基于某閥門支架零件，采用多工步多工序建模的方法建立了其級進(jìn)模成形的全工序有限元模型，針對級進(jìn)模首次模擬成形出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，基于工藝參數(shù)影響規(guī)律對其進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并以優(yōu)化后的工藝參數(shù)對級進(jìn)模成形工藝再次進(jìn)行數(shù)值模擬，最后進(jìn)行實驗驗證。

1 級進(jìn)模成形全工序有限元模型建立

空調(diào)閥門支架零件圖如圖1所示，材料為電鍍鋅板SECC，板厚1.45mm。該零件形狀復(fù)雜，需要多道工序加工成形，且零件需求量較大。要求零件成形后不能出現(xiàn)破裂和嚴(yán)重起皺缺陷，同時零件孔的精度要滿足要求。

圖1 零件尺寸結(jié)構(gòu)圖

由零件圖可知，該閥門支架零件的成形需要淺拉深成形、沖孔、翻孔、折邊、彎曲等工序來完成。目前的生產(chǎn)方式為單工序生產(chǎn)，所需設(shè)備和工人數(shù)量都較多[2，3]。雖然成形工序和操作比較簡單，但生產(chǎn)效率低，成本高，半成品周轉(zhuǎn)占用空間大，而且單工序時多次定位造成尺寸精度不高，因此考慮用級進(jìn)模在一臺機(jī)床上加工完成[4]。

級進(jìn)模成形包含多個成形工步，所以采用多工步多工序的方法建立全工序有限元模型。該方法根據(jù)不同工步的成形工序建立各個工步的凸凹模網(wǎng)格模型，將所有工步的凸模作為一個整體，所有工步的凹模作為一個整體，凸模每動作一次，板料沿送料方向前進(jìn)一個步距，實現(xiàn)板料在不同工步的連續(xù)成形[5]。因此基于Dynaform軟件所建立的級進(jìn)模沖壓成形全工序有限元模型如圖2所示。

圖2 全工序有限元模型

2 級進(jìn)模成形過程模擬

2.1 級進(jìn)模有限元模擬關(guān)鍵技術(shù)

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及有限元技術(shù)的日益成熟，有限元模擬技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中有限元分析軟件Dynaform在板料成形過程中應(yīng)用比較廣泛[4，6]。

在級進(jìn)模成形過程中通常有沖孔、拉深、彎曲、翻邊等工序，是一個多步?jīng)_壓成形過程，各個工步的成形板料是相互聯(lián)系的，一般最后工位所得的制件才是最終所需要的零件，而其他工步成形所得到的坯料都屬于半成品。坯料的幾何形狀、厚度以及材料的性能等在不同工位間會隨著不同的變形發(fā)生變化[4，7]。

因此，在進(jìn)行級進(jìn)模沖壓成形有限元分析時，后面工序的坯料信息應(yīng)該是前一步坯料變形后的分析結(jié)果，包括坯料各節(jié)點的應(yīng)力、應(yīng)變、坐標(biāo)值以及單元的實際厚度等信息。為保證前后不同工序之間的板料信息準(zhǔn)確傳遞，應(yīng)將上一步工序模擬結(jié)束后所生成的包含板料信息的Dynain文件作為下一步模擬時的坯料，進(jìn)行下一步有限元模擬，依次類推直至所有工序模擬完成[8，9]。

2.2 級進(jìn)模成形過程數(shù)值模擬

初次模擬參數(shù)設(shè)置為：虛擬壓邊速度V1=500mm/s，沖壓成形速度V2=2000mm/s，凸凹模間隙為1.1t（t為板料厚度），摩擦系數(shù)為0.125，壓邊力為20kN?；谝陨夏M參數(shù)，得出前三工位數(shù)值模擬的成形極限圖如圖3所示。很明顯板料出現(xiàn)了起皺及破裂現(xiàn)象，說明工藝參數(shù)的選擇不盡合理，為了對零件成形質(zhì)量進(jìn)行有效控制，需要對成形工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖3 前三工位成形極限圖

2.3 參數(shù)優(yōu)化及有限元驗證

從圖3可以看出，第一、二工位成形模擬結(jié)果中，板料底部圓角部位出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，且板料起皺現(xiàn)象比較嚴(yán)重。對于圓角破裂現(xiàn)象，僅改變成形參數(shù)始終無法完全消除，因此需要修改底部圓角半徑大小，增大圓角半徑可以減小圓角部位材料流動阻力，從而改善圓角部位成形質(zhì)量。如圖4所示，將模型底部圓角半徑由2.5mm增大為3.5mm。

圖4 模型圓角修改

而對于起皺現(xiàn)象，根據(jù)理論與生產(chǎn)經(jīng)驗，一般與壓邊力大小關(guān)系緊密。一般較小的壓邊力，不能有效地控制材料的流動，板料容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；而壓邊力較大時，雖然可以避免起皺的產(chǎn)生，但破裂趨勢也會明顯增加。初始壓邊力為20kN，為防止出現(xiàn)裂紋而又能有效減小起皺現(xiàn)象，此處綜合考慮將壓邊力增大到29kN。

按照修改后的凹模重新進(jìn)行有限元模擬，模擬結(jié)果如圖5所示，由成形極限圖可以看出，增大凹模底部圓角半徑和修改壓邊力后，成形質(zhì)量得到了改善，底部圓角沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，起皺現(xiàn)象減輕，成形質(zhì)量良好。

圖5 優(yōu)化后前三工位的成形極限圖

通過前期的工藝參數(shù)優(yōu)化，主要成形部分變形良好，成形參數(shù)基本已定，根據(jù)前三工位變形結(jié)果，作為后續(xù)變形板料，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)工位的模擬，最終得到零件的成形模擬結(jié)果，其成形極限圖如圖6所示，厚度變化如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后成形極限圖

圖7 優(yōu)化后厚度分布圖

由成形極限圖可以看出，零件沒有出現(xiàn)開裂，起皺現(xiàn)象也得到了一定控制。測得板料最大減薄率為28.89%，最大增厚率為4.93%，均滿足成形要求，說明了優(yōu)化成形參數(shù)的可行性。雖然板料部分區(qū)域仍有起皺，但起皺造成的增厚率在要求范圍內(nèi)，而且零件后續(xù)要噴漆處理，所以不會對零件質(zhì)量造成影響。

3 實驗驗證

數(shù)值模擬結(jié)果說明了優(yōu)化參數(shù)的合理性，因此將優(yōu)化后的成形工藝參數(shù)統(tǒng)一應(yīng)用到該支架零件級進(jìn)模成形的生產(chǎn)試制過程中，得出零件實物圖如圖8所示。經(jīng)檢驗，零件試制結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，制件沒有出現(xiàn)破裂，起皺缺陷也得到改善。

圖8 零件實物圖

4 結(jié)論

（1）對某閥門支架零件進(jìn)行工藝分析，確定級進(jìn)成形工藝方案，并建立級進(jìn)模成形的全工序有限元模型，使有限元模擬過程和實際的級進(jìn)模生產(chǎn)過程相吻合。

（2）借助Dynaform對該零件級進(jìn)成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并針對圓角破裂與起皺嚴(yán)重現(xiàn)象對工藝參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行分析并優(yōu)化。

（3）基于優(yōu)化后的工藝參數(shù)，完成了最終零件的全工序數(shù)值模擬過程，并得到最終零件的成形極限圖和厚度分布圖，經(jīng)分析得知零件厚度減薄率、增厚率等參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，符合零件最終要求。最終進(jìn)行產(chǎn)品試制，試制結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，證明優(yōu)化參數(shù)的正確性，并說明了優(yōu)化模擬過程對實際生產(chǎn)有很大的指導(dǎo)作用。

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Optimized analysis of numerical simulation on progressive die forming process for air-conditioning value bracket

GENG Pei1,LI Junchao2,LU Junjiang3
（1.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China; 2.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China；3.Gree Electric Appliances（Chongqing）Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China）

Ruptures,winkles and low forming accuracy are the common forming defects for progressive die forming parts.Taking the valve bracket as the research object in the text,a finite element model (FEM)of complete progressive die forming process has been established with a multi-step and multi-process modeling approach.The original forming process parameters have been optimized.The complete numerical simulation has been analyzed by use of Dynaform software and good simulation result has been obtained.The analysis proves that the optimization results are feasible,which can effectively guide the quality control of the progressive die forming parts.

Progressive die forming;FEM model of complete process;Numerical simulation

TG386

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.026

1672－0121（2016）04－0085－03

2016－01－29；

2016－03－06

耿 佩（1987－），女，助教，從事塑性成形與模具設(shè)計研究。E－mail：gengpei119＠163.com