叉形三通沖壓件可靠性能研究

楊芝明 蔚鑫

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

沖壓件不僅具有較高的加工效率、精度，產(chǎn)生較少的切削碎料，而且具有較好的經(jīng)濟效益，在航空航天、機械、化工、日用電器等領(lǐng)域有著廣泛的應用[1]。叉形三通沖壓件是安裝在空調(diào)分體內(nèi)機集氣管上的主要組件，具有分流、節(jié)流作用。結(jié)合氦檢泄漏數(shù)據(jù)，沖壓件耐疲勞指標為系統(tǒng)中最薄弱部分，也是發(fā)生泄漏最多的地方，提升沖壓件的可靠性，完善沖壓件各項質(zhì)量檢驗標準，可以提高產(chǎn)品的使用壽命[2]。本文從三通沖壓件的結(jié)構(gòu)著手，分析其薄弱部分，通過改善加工模具的過渡圓角，以減少其應力集中避免在某一位置應力過大而產(chǎn)生裂紋。通過優(yōu)化沖壓間距，增加其危險點的壁厚來提高耐壓性和韌性。經(jīng)驗證，優(yōu)化后的沖壓件在爆破壓力、壓力脈沖等性能方面具有顯著改善。耐疲勞指標的提升，有效延長了零件使用壽命，提高其在空調(diào)系統(tǒng)中的可靠性。

2 材料失效形式分析

2.1 靜力破壞形式分析

靜力破壞失效：當材料承受的最大載荷大于其本身材料的屈服強度時，產(chǎn)生靜力破壞失效。靜力加載破壞時材料內(nèi)部不會產(chǎn)生裂紋累積，受力裂紋會持續(xù)擴展到材料破壞?，F(xiàn)對公司集氣管沖壓件進行受力分析，如圖1所示。

根據(jù)微元體的徑向力平衡條件，有以下平衡方程（1）：

當σ=σb時，該點為發(fā)生破裂極限點，當σ＞σb時，材料產(chǎn)生裂紋。

式中：p——集氣管三通沖壓件內(nèi)壓力；da——單位面積元；σ——拉力；t——微元體壁厚；θ——內(nèi)壓與拉力夾角；R——微元體曲率半徑；σb——抗拉強度。

2.2 疲勞失效形式分析

影響機械零件疲勞強度的因素有很多，有應力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等，其中前三種為主要影響因素，疲勞破壞是一個累計的過程，受多種因素影響，與應力大小和加載次數(shù)有關(guān)。當三通沖壓件在冷媒反復沖擊作用下會發(fā)生疲勞失效，導致泄漏[3]。

3 模具過渡不圓滑加工過程優(yōu)化

沖壓件加工流程主要工序為：下料、旋壓擴口、粗沖、精沖。各工序加工示意圖如圖2所示[4]。

根據(jù)全面質(zhì)量管理理論中人、機、料、法、環(huán)5大影響因素，分析影響沖壓件成型質(zhì)量的以下4點因素：

（1）人：員工培訓不足，現(xiàn)場實操及培訓內(nèi)容不能正確指導員工生產(chǎn)。

（2）機：模具管理不規(guī)范，點檢及壽命周期維護不到位，模具圓角過渡不圓滑。

（3）料：原材料壁厚，管坯壁厚波動較大。

（4）法：三通沖壓件E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，沖壓速率的變化會對沖壓件壁厚產(chǎn)生影響。預制坯形狀不合理對壁厚產(chǎn)生影響。經(jīng)現(xiàn)場檢查、測量、仿真分析和實驗對比確定要因為模具過渡不圓滑和E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理[5]。

針對模具過渡不圓滑因素，公司內(nèi)部已做相應更改，沖壓管路件因形狀不規(guī)則而常存在應力集中的現(xiàn)象。為消除或減少應力集中，需盡量減緩沖壓管路件沖壓過渡位置的尺寸變化，把其沖壓前端的加工面設(shè)計為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體如圖3所示。

通過優(yōu)化沖壓模具，使沖壓件前端的加工面成型為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體，改善模具過渡不圓滑現(xiàn)狀。優(yōu)化前的沖壓面為斜平面，改進后的沖壓面是一個球弧面如圖4所示。沖壓槽與沖壓面的夾角θ，分流孔的中心距H，分流孔定位長度L，定位點與沖壓面的距離k，沖壓球面半徑R，沖壓前端的球弧面SR。

使用有限元仿真軟件對三通沖壓件更改前后進行靜力學分析如圖5、圖6所示[6]。

沖壓件過渡位置采用圓滑過渡能有效改善應力集中，優(yōu)化前三通沖壓件最大應力為407 MPa，優(yōu)化后最大應力為307 Pa，應力下降24.6%。

4 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善方案

圖1 三通沖壓件靜力破壞微元失效圖

圖2 三通沖壓件加工工序示意圖

圖3 三通沖壓件前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖4 優(yōu)化前后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

圖5 原三通沖壓件結(jié)構(gòu)應力云圖

圖6 優(yōu)化后三通沖壓結(jié)構(gòu)應力云圖

圖7 優(yōu)化后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

圖8 優(yōu)化后三通沖壓件檢測位置點圖

改進三通件沖壓間距E值，增加危險點的壁厚，可以減小壁厚減薄率，提高耐壓性和韌性。考慮到E值、H值對沖壓件成型及焊接效果有很大影響，結(jié)合焊接間隙分析，設(shè)計沖壓間距E值4 mm，成型中心H值7.2 mm。根據(jù)E值、H值估算原材料擴口半徑為OD=12 mm，經(jīng)試產(chǎn)品與芯頭貼合適中成型效果較好，如圖7所示。

沖壓件E值（沖壓間距）、H值（兩孔中心距）關(guān)系到?jīng)_壓件變形量，對沖壓件E值、H值進行改進，可以降低其變形量，并對危險點壁厚和最大壁厚減薄率進行了仿真與實驗驗證如表1所示。

表1 改變E值、H值性能參數(shù)對比數(shù)據(jù)

表2 位置點壁厚變化量實驗結(jié)果

表3 爆破壓力實驗結(jié)果

表4 壓力脈沖實驗結(jié)果

5 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗驗證

根據(jù)本次改善方案確認驗證項目：產(chǎn)品變薄改善、耐靜力破壞改善、疲勞壽命改善、更改前后焊接質(zhì)量對比、更改后批量生產(chǎn)穩(wěn)定性驗證。在已量產(chǎn)的沖壓產(chǎn)品中選定一款產(chǎn)品進行改善，并進行小批生產(chǎn)。分別在已批量（改善前）產(chǎn)品與小批（改善后）產(chǎn)品中各隨機挑選5件樣品進行以下檢驗：

（1）檢驗1

解剖樣件利用金相手段檢測圖8所示位置1、位置2的壁厚，得到其解剖壁厚變化量如表2所示。經(jīng)驗證，結(jié)構(gòu)改善前后薄弱置壁厚明顯改善，壁厚平均增厚14%。

（2）檢驗2

采用打水壓測試焊接支管，一端封閉，一端接水壓機。緩慢施壓，直至樣件爆破，檢查記錄爆破位置與爆破壓力，共做5次水壓實驗，結(jié)果如表3所示。結(jié)構(gòu)改善后產(chǎn)品承壓有一定改善，爆破壓力平均增加7%。

（3）檢驗3

將樣件接至壓力脈沖實驗儀器，采用液壓油進行循環(huán)壓力脈沖，壓力分別設(shè)為0～3.2 MPa，0～4.5 MPa，檢查記錄破環(huán)位置與脈沖次數(shù)，結(jié)果如表4所示。結(jié)構(gòu)改善后，產(chǎn)品承受壓力脈沖次數(shù)有著絕對優(yōu)勢，特別是在應用于R32冷媒系統(tǒng)中，將脈沖壓力提升到4.5 MPa時，改善前最低僅能承受7000次，改善后能達到20萬次不破裂。

（4）檢驗4

進行焊接實驗，實驗后解剖樣件，利用金相手段檢測產(chǎn)品各關(guān)鍵位置焊接質(zhì)量。本次實驗中，所抽檢產(chǎn)品焊接質(zhì)量均能符合我司焊接質(zhì)量要求。

（5）檢驗5

改善后產(chǎn)品經(jīng)小批500、1000試生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中篩選入廠檢驗，班組抽檢均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品異常，生產(chǎn)安裝、焊接、氦檢無異常。本次實驗中，兩次小批試生產(chǎn)，可改善產(chǎn)品生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性能。

6 結(jié)論

通過以上驗證，可知本次進行的“模具圓滑過渡”、“沖壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化”改善對產(chǎn)品質(zhì)量有明顯改善作用，達到預期效果。沖壓模具采用圓滑過渡后，能有效改善應力集中，降低零件的最大應力。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，新產(chǎn)品壓力脈沖次數(shù)由5萬次提高到20萬次，提升率達300%，爆破壓力由原來的17.5 MPa上升到18.8 MPa，提升7%，薄弱位置的壁厚由原來的0.5875 mm提升到0.673 mm，提升14%。對新產(chǎn)品三通沖壓件進行焊接操作，解剖后觀測其熔深符合我司要求，在現(xiàn)有加工生產(chǎn)條件下對新產(chǎn)品進行小批試產(chǎn)，均未發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常，符合我司要求。