發(fā)動(dòng)機(jī)用特種油濾網(wǎng)沖壓過(guò)程質(zhì)量控制

李智軍，徐向毅，寧建華，李 飛

(1.西安航天動(dòng)力研究所，陜西 西安 710100)2.空軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局第八軍事代表室，陜西 西安 710065)

0 引言

油濾網(wǎng)廣泛應(yīng)用于航天、航空、汽車、石油化工等行業(yè)，在發(fā)動(dòng)機(jī)、閥門(mén)、管路液壓系統(tǒng)中起到過(guò)濾雜質(zhì)、保護(hù)系統(tǒng)的重要作用[1]。油濾網(wǎng)一般采用編制絲網(wǎng)制成，小孔徑、薄壁平面結(jié)構(gòu)，某發(fā)動(dòng)機(jī)使用的特種油濾網(wǎng)橫截面呈“W”型(見(jiàn)圖1)，通過(guò)薄壁帶材(厚度僅0.15 mm)加工而成，曲面和側(cè)壁上按規(guī)則排列分布著2 600多個(gè)φ0.1 mm、垂直于濾網(wǎng)曲面的小孔。相比于傳統(tǒng)的平面油濾網(wǎng)，W型特種油濾網(wǎng)采用異型截面結(jié)構(gòu)，彈性好，抗沖擊能力強(qiáng)，可以更好地保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1 W型油濾網(wǎng)橫截面輪廓及孔分布

分析認(rèn)為W型油濾網(wǎng)適合采用沖壓成形工藝[2-7]，首先將平面狀態(tài)的帶材進(jìn)行打孔，然后進(jìn)行沖壓成形。文獻(xiàn)研究表明，零件沖壓成形過(guò)程中，材料容易出現(xiàn)過(guò)度減薄、拉裂現(xiàn)象，邊緣區(qū)域也容易出現(xiàn)起皺和制耳現(xiàn)象。為防止起皺，通常在帶材邊緣放置壓邊圈，壓邊圈上施加一定的軸向壓邊力，如圖2(a)所示，壓邊力大小要合適，壓邊力太大時(shí)，帶材被壓區(qū)域材料流動(dòng)減慢，其他區(qū)域材料減薄嚴(yán)重，產(chǎn)生拉裂；壓邊力太小時(shí)抗皺效果不理想，成形零件邊緣處仍有微小皺紋[8-11]。對(duì)于W型油濾網(wǎng)沖壓過(guò)程，如圖2(b)所示，谷底區(qū)域材料變形量最大，為材料拉裂區(qū)，外緣區(qū)域材料為自由端，極易產(chǎn)生起皺，屬于起皺區(qū)(見(jiàn)圖1)。凸模外緣、帶材外徑空間很小(見(jiàn)圖2(b))，僅為1 mm，很難施加用于抗皺的壓邊圈，而且油濾網(wǎng)整體尺寸小(外徑僅為10 mm)，壓邊圈上壓邊力需要脫離凸模之外獨(dú)立施加，受空間限制，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和操作難度極大，即使設(shè)計(jì)和制造出精密的沖壓成形模具，制造和維護(hù)成本極高，生產(chǎn)效率低，不適用于大批量生產(chǎn)[8]。因此，開(kāi)展不帶壓邊圈的W型油濾網(wǎng)沖壓過(guò)程分析，從模具和工藝優(yōu)化角度突破，研究和獲得產(chǎn)品缺陷和尺寸等質(zhì)量控制方法，形成穩(wěn)定的成形工藝和質(zhì)量控制措施，是W型油濾網(wǎng)高質(zhì)量、高效生產(chǎn)的重要技術(shù)途徑之一[12-15]。而且，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)“C型”等結(jié)構(gòu)形式特種油濾網(wǎng)需求的增加，開(kāi)展W型油濾網(wǎng)沖壓過(guò)程分析和質(zhì)量控制研究已成為特種油濾網(wǎng)成形技術(shù)領(lǐng)域需要解決的基礎(chǔ)問(wèn)題。

圖2 沖壓過(guò)程及模具示意圖

因此，本文基于有限元對(duì)W型油濾網(wǎng)沖壓過(guò)程進(jìn)行仿真分析[16-19]，研究起皺拉裂現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展模具結(jié)構(gòu)和沖壓工藝優(yōu)化，設(shè)計(jì)沖壓模具，基于試生產(chǎn)結(jié)果，開(kāi)展沖壓過(guò)程質(zhì)量控制研究，形成質(zhì)量控制措施，并進(jìn)行批量生產(chǎn)檢驗(yàn)質(zhì)量控制措施的有效性。

1 生產(chǎn)工藝及質(zhì)量控制難點(diǎn)分析

W型油濾網(wǎng)生產(chǎn)主要包括如下工序：

激光打孔采用激光切割機(jī)進(jìn)行精密加工，首先對(duì)帶材進(jìn)行小孔激光切割，然后進(jìn)行外圓切割(見(jiàn)圖3)。由于激光切割機(jī)加工精度高(≤0.005 mm)，因此小孔直徑、孔位置精度以及外圓直徑可以通過(guò)設(shè)備和程序保證。冷沖壓為塑性成形過(guò)程，成形中受材料、幾何、結(jié)構(gòu)以及接觸表面摩擦、潤(rùn)滑狀態(tài)影響，成形后產(chǎn)品質(zhì)量差異較大。冷沖壓后，油濾網(wǎng)外徑φA和高度H為最終尺寸，不進(jìn)行二次加工，防止后續(xù)車削加工導(dǎo)致小孔堵塞、受壓變形等導(dǎo)致零件報(bào)廢。

圖3 成形用帶孔坯料

可以看出，W型油濾網(wǎng)生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序是沖壓成形，由于油濾網(wǎng)外徑、高度及橫截面尺寸要求高，沖壓過(guò)程質(zhì)量控制難度很大，實(shí)際沖壓成形過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題主要包括：

1)拉裂。孔間距小，孔結(jié)合強(qiáng)度不高(水平和垂直兩方向間距為0.18 mm和0.21 mm)，沖壓時(shí)容易導(dǎo)致W型橫截面谷底區(qū)域的小孔發(fā)生變形，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)孔拉裂現(xiàn)象。

2)起皺。材料在沖壓過(guò)程中側(cè)壁部分材料徑向收縮，容易發(fā)生失穩(wěn)起皺，起皺區(qū)域如圖1所示。

3)尺寸超差。材料在沖壓過(guò)程中存在周向不均勻變形，導(dǎo)致油濾網(wǎng)發(fā)生橢圓，尺寸超差；帶材沖壓后產(chǎn)生不可避免的回彈，油濾網(wǎng)橫截面尺寸和輪廓尺寸超差；帶材初始下料尺寸(帶孔平面帶材的直徑尺寸，沖壓后為W型油濾網(wǎng)外徑φA)超差。

匯總W型油濾網(wǎng)成形過(guò)程質(zhì)量問(wèn)題，并對(duì)其原因進(jìn)行簡(jiǎn)要分析如下：

1)拉裂和起皺都是由于沖壓工藝不合理引起的，例如模具間隙小，材料流動(dòng)緩慢；沖壓過(guò)程凸模壓下速度過(guò)大。

2)尺寸超差中，油濾網(wǎng)橢圓是由于工藝設(shè)置不當(dāng)造成的，例如凸模壓下速度過(guò)大。油濾網(wǎng)橫截面尺寸和輪廓尺寸(包括直徑、高度)超差主要是由于材料回彈引起的，此外，下料尺寸不合理、模具參數(shù)不合理也會(huì)造成尺寸超差。

2 濾網(wǎng)沖壓過(guò)程質(zhì)量控制

2.1 研究思路

首先進(jìn)行歸因分析。沖壓過(guò)程的參數(shù)主要有：①材料參數(shù)，包括材料屈服強(qiáng)度、彈性模量、抗拉強(qiáng)度、延伸率等；②模具參數(shù)，包括模具間隙、凹模圓角半徑、W型弧面半徑、W型開(kāi)口角；③工藝參數(shù)，包括摩擦系數(shù)、凸模壓下速度、帶材下料尺寸。上述參數(shù)中，由于材料在一個(gè)生產(chǎn)批次內(nèi)不發(fā)生變化，這里只做輸入?yún)?shù)，不作研究。生產(chǎn)中選擇固定低摩擦潤(rùn)滑油，摩擦系數(shù)影響忽略不計(jì)。通過(guò)分析，剩余的模具參數(shù)和工藝參數(shù)中，可能導(dǎo)致成形缺陷類質(zhì)量問(wèn)題的參數(shù)有：模具間隙、凹模圓角半徑、凸模壓下速度；可能導(dǎo)致尺寸超差類質(zhì)量問(wèn)題的參數(shù)有：W型弧面半徑R、W型開(kāi)口角α、帶材下料尺寸。

基于上述分析，結(jié)合沖壓過(guò)程，提出研究思路如圖4所示。

圖4 研究思路

1)仿真分析。建立有限元模型，進(jìn)行沖壓有限元分析和缺陷分析；進(jìn)而進(jìn)行工藝優(yōu)化，修改有利于改善起皺和拉裂趨勢(shì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝，包括模具間隙、凹模圓角半徑、凸模壓下速度，重新進(jìn)行仿真計(jì)算，將濾網(wǎng)外側(cè)起皺和谷底拉伸控制在合理范圍內(nèi)。

2)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要針對(duì)材料在沖壓過(guò)程中出現(xiàn)的回彈。首先計(jì)算濾網(wǎng)回彈量，通過(guò)修改模具結(jié)構(gòu)尺寸，包括W型弧面半徑、W型開(kāi)口角，反算補(bǔ)償回彈量；然后計(jì)算材料拉伸量，確定帶材最終下料尺寸。

3)試驗(yàn)。設(shè)計(jì)并加工帶有定位和導(dǎo)向槽的沖壓模具，進(jìn)行濾網(wǎng)加工，檢驗(yàn)零件尺寸，并進(jìn)行反復(fù)修改，確定帶材最終下料尺寸、模具尺寸。

2.2 濾網(wǎng)沖壓過(guò)程仿真分析

根據(jù)圖1所示的零件尺寸，計(jì)算出帶材初始下料尺寸，設(shè)計(jì)沖壓模具基本結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，通過(guò)一次沖壓完成。為了模擬沖壓過(guò)程中的缺陷，本文基于ABAQUS建立三維整體有限元模型。模型中，設(shè)置模具為剛性體，帶材為變形體，采用S4R單元(4節(jié)點(diǎn)平面縮減積分單元)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料為1Cr18Ni9Ti，室溫下材料初始屈服強(qiáng)度σs=240 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=595 MPa，延伸率δ=57%，彈性模量E=198 GPa。冷沖壓過(guò)程中采用20號(hào)航空液壓油潤(rùn)滑，摩擦系數(shù)0.14?？紤]到計(jì)算效率，分別建立無(wú)孔和有孔的三維有限元模型。首先采用無(wú)孔帶材三維模型研究，目的是為了快速進(jìn)行仿真計(jì)算，用于缺陷研究并形成控制方法，其次采用有孔帶材的三維模型進(jìn)行二次模擬研究，用于驗(yàn)證無(wú)孔帶材三維模擬的正確性。

2.2.1 無(wú)孔帶材沖壓過(guò)程模擬

圖5給出了無(wú)孔帶材沖壓后結(jié)果，可以看出，帶材邊緣出現(xiàn)了起皺現(xiàn)象，波谷處等效塑性應(yīng)變最大值為0.40，略小于應(yīng)變極限值0.451(延伸率57%對(duì)應(yīng)值)，材料在此處的拉伸較大，有一定的拉裂趨勢(shì)。

圖5 沖壓無(wú)孔帶材時(shí)的起皺現(xiàn)象

采用單因素法，分別依次改變模具間隙為0.00、0.02、0.04、0.06 mm；凹模圓角半徑為0.15、0.18、0.2、0.22 mm；凸模壓下速度為0.1、0.5、1.0、2.0 mm/min；仿真分析中以谷底區(qū)域等效塑性應(yīng)變PEEQ最大值和外緣起皺程度為觀測(cè)指標(biāo)，得到上述各參數(shù)的優(yōu)化值。確定模具間隙在0.04 mm，凹模圓角半徑0.2 mm時(shí)有利于減小起皺和拉裂趨勢(shì)，凸模壓下速度減小有利于減小起皺和拉裂趨勢(shì)，但到一定程度后對(duì)結(jié)果無(wú)影響，取0.5 mm/min。采用參數(shù)優(yōu)化值重新進(jìn)行仿真得到?jīng)_壓結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，帶材邊緣的起皺現(xiàn)象得到極大的緩解，波谷處等效塑性應(yīng)變最大值為0.32。

2.2.2 有孔帶材沖壓過(guò)程模擬

在參數(shù)優(yōu)化后無(wú)孔帶材沖壓過(guò)程基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際有孔帶材沖壓過(guò)程孔變形以及應(yīng)力變化，從而評(píng)估有限元模型的合理性。模擬時(shí)，由于采用全打孔帶材進(jìn)行仿真，計(jì)算效率非常低，考慮到孔沿周向分布的對(duì)稱性，在沖壓過(guò)程中，十字區(qū)域四處材料的受力變形基本可以反映整體周向360°的情況，因此，為了提高計(jì)算效率，采用十字打孔帶材進(jìn)行特征分析，通過(guò)分析十字打孔區(qū)域材料的應(yīng)力應(yīng)變行為，近似獲得全孔帶材沖壓過(guò)程整體變形情況。同時(shí)，為了充分反映有孔區(qū)域材料在沖壓過(guò)程的受力和變形情況，選擇4～5排孔十字交叉孔進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖7所示。通孔在W型谷底處變形量最大，最大應(yīng)力和等效塑性應(yīng)變分別為562 MPa和0.31。圖6和圖7結(jié)果對(duì)比表明確定的工藝和模具參數(shù)是合理的。圖7所示成形后的零件橢圓度≤0.05 mm，滿足≤0.1 mm的尺寸要求。分析零件橢圓度產(chǎn)生的原因是由于材料局部拉伸減薄不均勻?qū)е碌?。通過(guò)調(diào)整模具間隙、凹模圓角半徑以及凸模壓下速度，不僅可以有效防止起皺、拉裂等缺陷的產(chǎn)生，而且可以顯著降低零件的橢圓度。

圖7 十字打孔帶材沖壓成形結(jié)果

2.3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在完成缺陷控制基礎(chǔ)上，開(kāi)展模具參數(shù)優(yōu)化研究，同時(shí)進(jìn)行帶材下料尺寸計(jì)算。對(duì)影響回彈的兩個(gè)主要參數(shù)：W型弧面半徑R和W型開(kāi)口角α進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖8)，計(jì)算公式為

圖8 回彈主要影響參數(shù)

Dadjust+Dadjust·s=Ddesign

(1)

式中：Dadjust為調(diào)整尺寸；s為調(diào)整尺寸Dadjust的回彈率；Ddesign為設(shè)計(jì)尺寸。公式(1)可以寫(xiě)為

Dadjust=Ddesign/(1+s)

(2)

對(duì)于薄板類沖壓件，回彈率初始值按8%～15%計(jì)算，代入式(2)，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到凹模W型弧面半徑為原始值的88.4%(弧面半徑設(shè)計(jì)值為9.5±0.05 mm，模具尺寸為8.4 mm)，W型開(kāi)口角為原始值的90%(W型開(kāi)口角α設(shè)計(jì)值為10°，模具為9°)。通過(guò)有孔帶材沖壓過(guò)程模擬，計(jì)算出材料的延伸率7%左右，近似得到帶材的初始下料尺寸。

2.4 模具設(shè)計(jì)和試驗(yàn)

2.4.1 模具設(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)原則如下[20]：

1) 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參考計(jì)算尺寸；

2) 采用沖壓模具成形設(shè)備通用的接口形式；

3) 保證沖壓成形過(guò)程中凸、凹模的定位精度、帶材的定位精度；

4) 充分考慮模具加工成本，選擇強(qiáng)度合適、不易產(chǎn)生彈性變形的材料作為模具加工材料；

5) 考慮成形中模具封閉腔內(nèi)、外的壓力平衡；

6) 成形后W型油濾網(wǎng)便于拆卸。

依據(jù)上述原則，設(shè)計(jì)模具如圖9所示。凹模、凸模依靠同軸的定位面保證定位精度，凹模內(nèi)有一淺槽，薄壁帶材嵌入淺槽中進(jìn)行定位，徑向與凹模淺槽有一定間隙保證定位精度。由于潤(rùn)滑油的作用，模具內(nèi)部容易形成密閉腔，沖壓時(shí)腔內(nèi)壓力增加，使得帶材受壓變形。為防止這一現(xiàn)象的發(fā)生，在凹模底部增加一排氣孔，兼用于成形后W型油濾網(wǎng)的頂出。排氣孔位置要偏離承壓較大的中心線上，防止成形中模具對(duì)濾網(wǎng)造成壓傷。模具材料為Cr12MoV，表面拋光至≤Ra0.4，模具合模后，上下端面平面度要求≤0.04 mm，加工的沖壓模具如圖10所示。

圖9 濾網(wǎng)沖壓模具設(shè)計(jì)

圖10 W型油濾網(wǎng)沖壓模具

2.4.2 試驗(yàn)

為了充分驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果，加工優(yōu)化前后兩套模具，分別采用優(yōu)化前后的成形工藝進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，沖壓采用壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：TLS-S5000，最大試驗(yàn)力5 000 N，壓力精度0.5 N)，結(jié)果如圖11所示。結(jié)果表明，采用優(yōu)化前的模具和工藝加工的無(wú)孔試驗(yàn)件，油濾網(wǎng)外緣發(fā)生明顯的起皺。采用優(yōu)化后的模具和工藝，油濾網(wǎng)試件的外緣未發(fā)生起皺現(xiàn)象，放大鏡檢查通孔沒(méi)有出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，成形效果良好。采用YXLON X光機(jī)對(duì)W型油濾網(wǎng)進(jìn)行橫截面無(wú)損檢測(cè)(見(jiàn)圖12)，橫截面尺寸滿足零件尺寸公差要求。采用萬(wàn)能工具顯微鏡對(duì)谷底周圍的通孔進(jìn)行放大檢測(cè)，孔存在一定的拉伸變形，孔形由圓形變?yōu)闄E圓形，但橢圓長(zhǎng)短軸直徑尺寸均在公差范圍內(nèi)，通孔尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

圖12 W型油濾網(wǎng)X光檢測(cè)

圖11 優(yōu)化前后W型油濾網(wǎng)試件成形質(zhì)量對(duì)比

2.5 質(zhì)量控制措施

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)試生產(chǎn)合格率不高的問(wèn)題，對(duì)沖壓成形過(guò)程檢查出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分類，研究并匯總形成質(zhì)量控制措施如表1所示。

表1 W型油濾網(wǎng)成形過(guò)程質(zhì)量控制措施匯總表

3 實(shí)施效果

1)通過(guò)采取質(zhì)量控制措施，進(jìn)行W型油濾網(wǎng)3批次共300余件產(chǎn)品生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率由40%提高至99%，驗(yàn)證了質(zhì)量控制措施的有效性；

2)產(chǎn)品交付經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)考核，無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，驗(yàn)證了產(chǎn)品生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性；

3)將W型油濾網(wǎng)質(zhì)量控制措施及研究方法推廣應(yīng)用于“C型”特種油濾網(wǎng)生產(chǎn)，產(chǎn)品合格率99%以上。

4 結(jié)論

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)W型特種油濾網(wǎng)沖壓成形過(guò)程出現(xiàn)的拉裂、起皺缺陷以及尺寸超差等問(wèn)題，通過(guò)有限元分析、試驗(yàn)研究，獲得了優(yōu)化工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)尺寸；通過(guò)開(kāi)展質(zhì)量控制研究，形成具體的質(zhì)量措施控制，產(chǎn)品合格率由40%提高至99%，優(yōu)化后的加工工藝穩(wěn)定，滿足批量生產(chǎn)交付要求。本文的質(zhì)量控制措施及研究方法具有普適性，已推廣應(yīng)用于“C型”特種油濾網(wǎng)生產(chǎn)。