基于DeForm的密封條鋼帶滾壓成形過(guò)程有限元分析

魏 敏

（廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

密封條是汽車車身密封系統(tǒng)中的核心零件，起防滲漏、隔音、減震保護(hù)及裝飾等作用，對(duì)汽車舒適度及整車使用壽命有影響。根據(jù)密封條使用位置及功能不同，其材質(zhì)和結(jié)構(gòu)也不同，如門窗外水切密封條由橡膠或塑料膠條中嵌入金屬骨架構(gòu)成，金屬骨架起固定和加強(qiáng)定型等作用，其成形方法是將鋼帶料通過(guò)多道次順序排列的帶特定孔型的滾輪，在上、下滾輪的擠壓下變形得到指定的截面形狀的過(guò)程，該加工方法又稱為冷彎成形或輥彎成形，行業(yè)內(nèi)也稱為滾壓成形。

滾壓成形加工方法是多種變形耦合的非線性變形過(guò)程，現(xiàn)利用DeForm有限元軟件對(duì)密封條滾壓成形過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，模擬分析成形過(guò)程中滾輪基本直徑遞增量變化和摩擦系數(shù)變化對(duì)帶料變形過(guò)程中等效應(yīng)力、應(yīng)變的影響，為進(jìn)一步研究其他類型的汽車密封條鋼帶滾壓成形規(guī)律提供參考。

1 滾壓成形過(guò)程有限元模型建立

以某汽車車門窗密封條為研究對(duì)象，分析鋼帶成形過(guò)程中所受應(yīng)力與應(yīng)變的變化規(guī)律，密封條截面及鋼帶截面如圖1所示。

圖1 密封條

1.1 滾壓成形工藝參數(shù)

（1）基本參數(shù)。實(shí)際生產(chǎn)中，金屬帶料材料為08F，寬度為29 mm，厚度為10 mm，機(jī)架間距為160 mm，上、下滾輪的基本直徑按企業(yè)實(shí)際值取φ90 mm和φ100 mm，為使帶料獲得向前運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，每輪組半徑遞增0.5 mm。

（2）截面成形方位及成形基準(zhǔn)。密封條鋼帶在滾壓成形后，為保證與下一工序密封條復(fù)合擠出成形方位一致，截面采用開(kāi)口向下的方位成形，由于該截面為非對(duì)稱截面，截面兩側(cè)直線邊長(zhǎng)不相等，不能簡(jiǎn)單地將兩側(cè)角度對(duì)稱設(shè)置，否則會(huì)因兩側(cè)應(yīng)力不等而造成鋼帶縱向側(cè)彎、扭曲等缺陷，截面兩側(cè)成形角度按圖2所示設(shè)置。

圖2 截面成形方位及基準(zhǔn)

（3）成形道次。滾壓彎曲成形方法采用定中性線長(zhǎng)度法，5 道次成形，各道次成形角度分配如表1所示，圓弧段①、②見(jiàn)圖2。

表1 各道次成形角度分配

1.2 仿真模型建立

（1）幾何模型與簡(jiǎn)化。帶料長(zhǎng)度取機(jī)架間距1.5倍以上，長(zhǎng)度設(shè)置為250 mm，上、下滾輪輥縫取0.5 mm，由于鋼帶截面為非對(duì)稱截面，幾何模型采用全模型。滾壓成形過(guò)程的幾何模型如圖3所示。

圖3 幾何模型

（2）模具和工件定義。模具中分別導(dǎo)入5 對(duì)輪組，即上、下輪共10 個(gè)滾輪，定義為剛體；工件導(dǎo)入250 mm×29 mm×0.5 mm 的帶料，定義為塑性體；實(shí)際滾壓成形采用冷卻潤(rùn)滑液可帶走摩擦產(chǎn)生的熱量，因此可不考慮加工熱效應(yīng)，溫度設(shè)置為常溫。

（3）網(wǎng)格劃分。滾輪為剛體，不劃分網(wǎng)格。為了便于成形過(guò)程中網(wǎng)格產(chǎn)生較大畸變時(shí)能自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格，工件采用四面體網(wǎng)格單元。為保證模擬精度并減小計(jì)算量，采用相對(duì)網(wǎng)格劃分法，帶料中部圓角變形區(qū)進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，兩側(cè)直線段網(wǎng)格劃分相對(duì)稀疏。

（4）驅(qū)動(dòng)條件。實(shí)際生產(chǎn)中，滾輪下輪為驅(qū)動(dòng)輪，上輪自由旋轉(zhuǎn)，由人工將帶料推入滾輪輥縫以保證順利咬入第1道次，帶料進(jìn)入輥縫后，在下輪的驅(qū)動(dòng)下靠滾輪與帶料間的摩擦力及擠出設(shè)備的牽引力，以恒定速度向成形方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際參數(shù)設(shè)置仿真驅(qū)動(dòng)條件：增加推板推動(dòng)帶料進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，平移速度v=100 mm/s，再由平移速度和下滾輪基本直徑的換算，設(shè)置下滾輪角速度ω=2 rad/s。

（5）接觸及摩擦模型。設(shè)置接觸主件為上、下滾輪及推板，接觸從件為帶料，摩擦類型為庫(kù)侖摩擦，摩擦系數(shù)設(shè)為0.2。

（6）模擬控制參數(shù)。根據(jù)帶料平移速度和機(jī)架間距換算每個(gè)分析步長(zhǎng)，可預(yù)估得到分析求解總步數(shù)；模擬步長(zhǎng)控制采用時(shí)間增量步數(shù)；網(wǎng)格重劃分判據(jù)設(shè)為剛體嵌入塑性體最小單元尺寸的70%；模擬停止條件為運(yùn)算達(dá)到預(yù)估時(shí)間增量步即停止。

2 仿真模擬結(jié)果

帶料滾壓成形過(guò)程中，帶料在不同成形參數(shù)下的變形情況及受力狀態(tài)均會(huì)發(fā)生較大變化，成形質(zhì)量也隨之受到影響。影響零件成形質(zhì)量的參數(shù)較多，現(xiàn)主要對(duì)滾輪基本直徑遞增量及摩擦系數(shù)對(duì)帶料成形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的影響進(jìn)行討論。

2.1 滾輪基本直徑遞增量的影響

滾輪的基本直徑是圖2中水平展開(kāi)基準(zhǔn)線位置的滾輪直徑，即帶料的平移速度和滾輪圓周速度一致的點(diǎn)處的滾輪直徑。成形過(guò)程中為避免帶料在相鄰滾輪中間出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，一般要逐道次增大滾輪的基本直徑，以此逐漸增大滾輪的圓周速度，使帶料在成形過(guò)程中具有一定的張力。當(dāng)各輪組的下滾輪中心位置等高、而滾輪基本直徑遞增量不同變化時(shí)，帶料所受應(yīng)力和應(yīng)變也會(huì)隨之變化，引起帶料邊緣縱向變形及橫截面上縱向延伸的變化。模擬計(jì)算上、下滾輪基本直徑逐道次遞增量分別為0.5 mm 和1 mm 時(shí)的帶料成形過(guò)程，下滾輪中心位置位于同一水平線，每道次上滾輪中心相應(yīng)上移，保證與下滾輪輥縫尺寸為0.5 mm，如圖4所示。

圖4 下滾輪基本直徑遞增

為準(zhǔn)確獲得成形過(guò)程中帶料不同位置的應(yīng)力應(yīng)變情況，在帶料前端兩側(cè)邊緣分別取2 個(gè)追蹤點(diǎn)作為分析對(duì)象，如圖5 中P1、P2點(diǎn)所示，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖5 追蹤點(diǎn)

圖6 不同滾輪基本直徑遞增量最大等效應(yīng)力對(duì)比

由圖6、圖7 對(duì)比可以看出，隨著滾輪基本直徑遞增量變大，帶料兩側(cè)邊緣的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變有所減小，P2點(diǎn)一側(cè)邊緣的等效應(yīng)力、應(yīng)變下降幅度大于P1點(diǎn)一側(cè)邊緣，即增大滾輪基本直徑遞增量，帶料兩側(cè)的等效應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)隨之減小，使帶料成形過(guò)程更加穩(wěn)定，避免產(chǎn)生邊緣波浪、褶皺等缺陷。

2.2 摩擦系數(shù)的影響

圖7 不同滾輪基本直徑遞增量等效應(yīng)變對(duì)比

滾壓成形過(guò)程中滾輪與帶料間的潤(rùn)滑程度影響帶料的成形質(zhì)量，而摩擦系數(shù)的大小可直觀反映潤(rùn)滑條件的優(yōu)劣。分別對(duì)摩擦系數(shù)為0.1 和0.2 的2種情況進(jìn)行仿真計(jì)算，在帶料前端兩側(cè)邊緣分別取P1、P2（見(jiàn)圖5）追蹤點(diǎn)作為分析對(duì)象，仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同摩擦系數(shù)的最大等效應(yīng)力對(duì)比

圖9 不同摩擦系數(shù)的等效應(yīng)變對(duì)比

由圖8、圖9 可以看出，不同摩擦系數(shù)下，P1、P2追蹤點(diǎn)的等效應(yīng)力、應(yīng)變曲線隨道次變化的規(guī)律基本一致，隨著摩擦系數(shù)的增大，每道次的最大等效應(yīng)力、應(yīng)變均隨之增大，而P1點(diǎn)一側(cè)帶料邊部應(yīng)力應(yīng)變?cè)龃蠓让黠@。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)密封條鋼帶滾壓成形過(guò)程進(jìn)行有限元模擬仿真分析，得到了成形過(guò)程中滾輪基本直徑和摩擦系數(shù)的變化對(duì)帶料成形過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變的影響。

（1）增大滾輪基本直徑的遞增量，可以降低帶料成形過(guò)程中的等效應(yīng)力應(yīng)變，保證成形過(guò)程中的穩(wěn)定性并防止邊緣波浪、褶皺等缺陷的產(chǎn)生。但基本直徑遞增量也不宜過(guò)大，否則拉力過(guò)大會(huì)造成帶料過(guò)度延伸而產(chǎn)生成形缺陷，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，直徑遞增量一般不應(yīng)超過(guò)滾輪基本直徑的1%。

（2）摩擦系數(shù)增大使得滾輪與帶料之間的摩擦力增大，成形過(guò)程中帶料的應(yīng)力、應(yīng)變也隨之增大，因此適當(dāng)增加輔助潤(rùn)滑或提高滾輪與帶料表面粗糙度要求，有助于減小帶料成形過(guò)程中的應(yīng)力，盡量避免因摩擦力過(guò)大造成帶料邊緣成形缺陷。根據(jù)企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件調(diào)整成形設(shè)備潤(rùn)滑條件，能有效提高零件成形質(zhì)量及合格率。

通過(guò)運(yùn)用數(shù)值仿真模擬得到優(yōu)化后的工藝參數(shù)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)的鋼帶成形過(guò)程與仿真成形過(guò)程基本相符，滿足工藝設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了利用數(shù)值模擬方法指導(dǎo)新產(chǎn)品研制的可行性。