301 不銹鋼圓孔翻邊工藝CAE 分析與優(yōu)化

趙博寧，李 宇，羅 若

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院裝備制造學(xué)院，廣西 柳州 545616）

301 不銹鋼不但具有良好的耐腐蝕性能，而且強度高，厚度薄，焊接性能好，冷加工容易，在汽車裝飾中被廣泛應(yīng)用，如汽車雨刷，頭燈護圈，安全帶緊線器等[1]。

不銹鋼翻邊零件作為一種應(yīng)用非常廣泛的沖壓件，在翻邊成形過程中易出現(xiàn)粘模、起皺、破裂等現(xiàn)象，成品率低。凸模圓角半徑和預(yù)制孔徑大小確定是翻邊成形工藝設(shè)計的關(guān)鍵。預(yù)制孔徑過小，孔口開裂嚴(yán)重；預(yù)制孔徑過大，成形高度不足，修邊余量過大；凸模圓角半徑過小，成形時，材料流動阻力增大，孔口開裂趨勢隨之增加；凸模圓角半徑過大，很難完全成形[2]。

以往，在圓孔翻邊成形過程中，預(yù)制孔徑的大小通常采用經(jīng)驗公式計算，凸模圓角半徑通常采用反復(fù)修磨凸模圓角半徑、反復(fù)試沖來獲取合理的圓角半徑。這兩種方法使模具設(shè)計和生產(chǎn)周期加長，修磨凸模圓角對工人的技術(shù)要求水平高，而且修磨難度大。針對不銹鋼翻邊工藝，僅憑現(xiàn)有工藝方法已經(jīng)不能滿足其零件成形質(zhì)量的要求，其關(guān)鍵在于工藝參數(shù)的合理確定和模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

本文針對上述問題，采用有限元軟件Dyanform，以301 不銹鋼圓孔翻邊件（圖1）為研究對象，對不同的凸模圓角半徑和預(yù)制孔徑分別進行數(shù)值模擬，從而確定其成形過程中，凸模圓角半徑和預(yù)制孔徑的最佳合理參數(shù)，目的是降低301 不銹鋼在翻邊成形過程中模具設(shè)計、生產(chǎn)和調(diào)試的時間，達到降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

圖1 不銹鋼翻邊件

1 圓孔翻邊理論計算

1.1 計算預(yù)沖孔直徑

式中：d 為預(yù)制孔孔徑；D 為內(nèi)孔翻邊后的孔徑；H 為內(nèi)孔翻邊后的豎邊高度；r 為內(nèi)孔翻邊后的內(nèi)圓周半徑；t 為坯料厚度[3,4]。

由圖1 可知，D=?19.5mm，H=15.2mm，r=1mm，t=1mm，代入公式（1）后計算可得

d=?12.8 mm

1.2 一次翻邊后豎邊極限高度

式中：Hmax為翻邊后豎邊極限高度；D 為翻邊后孔徑；Kmin為極限翻邊系數(shù)；rd為翻邊凹模圓角半徑；t為坯料厚度。

代入數(shù)據(jù)D=19.5mm，Kmin=0.52，r=1mm，t=1mm，計算得,其值大于工件要求翻邊高度4.5mm，所以能一次翻邊成形。

1.3 凸凹模工作尺寸

在翻邊成形過程中，回彈現(xiàn)象是不可避免的，即翻邊件上孔的直徑比凸模的直徑小。因此，凸模、凹模按照翻邊件孔徑尺寸的上偏差加工。由圖2 可見，制件精度為IT13 級，凸模采用IT7 級，制件翻孔尺寸D0為18.5mm，則其公差Δ=0.021mm。為使翻邊回彈小，垂直度好，翻邊時，凸模和凹模之間的間隙小于制件的厚度，目的是使其稍微變薄[4]。圖1 所示制件厚度為1mm，凸模和凹模間隙Z/2=0.85t=0.85mm。

圖2 有限元模型

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬方案

以公式1 計算的預(yù)制孔徑d=?12.8mm 為參考，分別以?13mm、?14mm、?15mm、?16mm 作為預(yù)制孔徑的模擬參數(shù)。

凸模底部圓角半徑要求≥4t（t 為板料厚度）[5]，圖1 所示翻邊件的厚度為1.0mm，因此以4.0 mm 為參考，設(shè)置增量為1mm，直至凸模底部圓角半徑至9.2605mm（凸模半徑）作為凸模底部圓角半徑作為模擬參數(shù)，最終建立表1 所示的模擬方案。

表1 模擬方案（mm）

2.2 有限元模型的建立

采用三維軟件UGNX 按照表1 數(shù)據(jù)逐一對毛坯、凸模、凹模進行建模，然后將其轉(zhuǎn)化為igs 格式文件導(dǎo)入Dynaform 進行沖壓參數(shù)設(shè)定。板料網(wǎng)格劃分采用均勻化的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為1mm。凸模和凹模采用非均勻化網(wǎng)格劃分，圓角部分網(wǎng)格大小為1mm，其余部分網(wǎng)格大小為2mm，壓邊圈采用凹模偏置，建立的有限元模型如圖4 所示[6]。

沖壓工序類型設(shè)定為雙動拉延，工具參考面選擇上、下模。毛坯以國產(chǎn)301 不銹鋼為板料材料，所用板料301 材料屬性如表2 所示。選取36 號模型[7]。工序中設(shè)置摩擦因數(shù)為0.125。壓邊工序BINDER 采用速度控制，速度為180 mm/s。拉延工序PUNCH 采用速度控制，速度為180 mm/s，DIE 靜止。BINDER控制方式為力控制，其值15000N，持續(xù)時間設(shè)定為位移控制，位移長度設(shè)定為20?？刂茀?shù)時間步長設(shè)定為-2.13e-008。

表2 301 材料參數(shù)

3 模擬結(jié)果

翻邊時，變形區(qū)基本限制在凹模圓角區(qū)內(nèi)，凸模底部材料為主要變形區(qū)，處于切向、徑向兩向受拉伸應(yīng)力狀態(tài)，切向應(yīng)力在孔邊緣最大，徑向應(yīng)力在孔邊緣為零。在整個變形區(qū)，材料都要變薄，而在孔的邊緣，變薄最為嚴(yán)重，翻邊完成后，零件翻邊的高度，將比變形區(qū)的寬度略有縮短，由于翻邊時最大拉伸發(fā)生在口部，當(dāng)拉伸變形超過材料成形極限時，就會在此處產(chǎn)生縮頸或裂紋。因此本文主要從減薄率、成形高度、成形極限三個方面進行分析。

3.1 厚度最大減薄率

減薄率反映板料的減薄和增厚問題。通常，減薄率在3%～25%的制件出現(xiàn)拉裂的危險幾率都很低[7]，在允許的范圍內(nèi)。圖3 為不同預(yù)制孔徑大小下，不同圓角半徑時零件的最大減薄率曲線圖。圖上0 代表無裂紋，1 代表有裂紋。由圖可見，預(yù)制孔徑為?14mm、?15mm、?16mm 時減薄率均在20%以下，而且隨著圓角半徑由4mm 變?yōu)?.2605mm 時，減薄率變化緩慢，說明當(dāng)預(yù)制孔徑為?14mm、?15mm、?16mm 時，采用圓柱直角凸模時，增大凸模底部圓角半徑對成形減薄率影響不大。

圖3 減薄率變化曲線

由圖還可以看到，當(dāng)凸模圓角半徑不改變時，減薄率隨著預(yù)制孔徑的增大而減小。再次說明減薄率和預(yù)制孔徑的大小有很大關(guān)系。當(dāng)預(yù)制孔經(jīng)為?13mm 時，減薄率最大，超過20%。當(dāng)預(yù)制孔徑為?13mm 時，除了圓角半徑為8.0 時，其余圓角半徑狀態(tài)下均有破裂產(chǎn)生。而預(yù)制孔經(jīng)為?13mm、?14mm、?15mm、?16mm 時都沒有裂紋產(chǎn)生[8]。

3.2 不同凸模圓角半徑下的成形高度

圖4 為數(shù)值模擬的翻邊高度值隨凸模圓角半徑變化的曲線圖。由圖4 可知，預(yù)制孔徑d=?14mm，?15mm、?16mm 時數(shù)值模擬后的零件的翻邊高度約位于4.65mm，3.96mm，3.37mm。與理論計算3.9mm，3.4mm，2.9mm 相差較大。?14mm 的模擬結(jié)果與零件要求的高度4.5mm 相差較近。

圖4 零件翻邊高度隨凸模圓角半徑變化曲線

綜合減薄率和成形高度兩個因素，RT=4.0，5.0mm，預(yù)制孔徑為d=?14mm 為最佳成形參數(shù)。

3.3 不同凸模圓角半徑下的成形極限

成形極限圖可以有效地體現(xiàn)板料成形過程中各部分的成形極限，圖5 為?14mm 時，RT=4.0mm，5.0mm 的成形極限圖。從圖5 可以看出: 凸緣區(qū)均沒有起皺產(chǎn)生，證明采用的壓邊力大小合適。圓角區(qū)均有起皺趨勢，但都不明顯，不影響成形質(zhì)量。

圖5 不同預(yù)制孔徑下的成形極限圖

4 生產(chǎn)驗證

根據(jù)前面數(shù)值模擬得到的最佳的工藝參數(shù)設(shè)計凸模工作部分尺寸為，凸模圓角半徑rT=5mm，如圖6 所示。凹模工作部分尺寸為，凹模圓角半徑為rA=1mm，如圖7 所示。沖壓速度為180 mm/s，摩擦因數(shù)為0.125，模具間隙為2.55mm，壓邊為15kN。在型號為JB23-800t壓力機進行沖壓成形試驗，圖8 為采用RT=5mm 的301 不銹鋼翻邊件實物的照片，但是制件上的圓角半徑?jīng)]有達到零件圖要求的1mm，因為圓角半徑1mm太小，難以達到?jīng)_壓要求。從零件的成形高度和孔徑來看，基本上滿足要求。

圖6 凸模

圖7 凹模

圖8 合格產(chǎn)品

5 結(jié)論

（1）本研究依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗方法確定凸模底部圓角半徑和預(yù)制孔徑的取值范圍，然后通過Dynaform對不同圓角半徑和預(yù)制孔徑的翻邊過程模擬仿真，最終找出圓角半徑和預(yù)制孔徑的最佳參數(shù)。因此可縮短凸模設(shè)計制作周期，減輕修磨勞動強度和盲目性，降低模具調(diào)試難度，從而達到降低生產(chǎn)成本的目標(biāo)。

（2）導(dǎo)致翻邊破裂主要有以下原因：平底凸模底部圓角半徑太小和預(yù)制孔孔徑太小。

（3）取圓角半徑 RT=5.0mm，預(yù)制孔徑為d=?14mm，在現(xiàn)有設(shè)備的實際條件進行沖制，沖制的零件雖然有部分誤差，但是基本上符合要求，屬于合格產(chǎn)品。