CFD分析在沖模鐵屑控制裝置設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

孫正輝

（東風(fēng)本田汽車有限公司， 湖北 武漢 430000）

0 引 言

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是流體力學(xué)的一個(gè)分支，它通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)代替試驗(yàn)裝置完成“計(jì)算試驗(yàn)”。CFD分析作為一種實(shí)際工況模擬仿真的操作平臺(tái)，受外在因素的干擾較小，有利于氣路系統(tǒng)全局動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的快速準(zhǔn)確分析，在提高氣動(dòng)裝置動(dòng)力學(xué)效能、降低裝置設(shè)計(jì)驗(yàn)證成本等方面起到較大作用。CFD分析可以在流體裝置設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、可靠性分析等，對(duì)提高流體裝置的性能和降低生產(chǎn)成本起到了重要作用，現(xiàn)研究CFD分析在沖模修邊鐵屑控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 沖模修邊鐵屑控制裝置

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車覆蓋件生產(chǎn)線加快向著高效化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，全自動(dòng)化伺服沖壓生產(chǎn)線已達(dá)到12～20 SPM（每分鐘沖程數(shù)），更快的節(jié)拍給沖模工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

修邊工序模具切斷坯料時(shí)，交刀部分（修邊刀與廢料切斷刀交會(huì)區(qū)域）會(huì)產(chǎn)生大量的修邊鐵屑（面積在2 mm2內(nèi)，質(zhì)量不超過(guò)1 g）。上模高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)形成的凹模負(fù)壓氣流，會(huì)將這些鐵屑吸入模具工作區(qū)域，附著在零件或者模具零件表面，造成零件表面凹凸缺陷、模具零件型面損傷、刀口鐵屑積瘤、模具表面鐵屑臟污等不良現(xiàn)象，如圖1所示。為保證零件生產(chǎn)品質(zhì)，提高生產(chǎn)效率，需在修邊模上安裝高效的修邊鐵屑控制裝置，對(duì)修邊鐵屑進(jìn)行清理。

圖1 修邊模切斷鐵屑造成的不良現(xiàn)象

2 CFD仿真與分析

模具修邊鐵屑控制裝置內(nèi)部流體狀態(tài)復(fù)雜多變，利用傳統(tǒng)計(jì)算方法難以計(jì)算出結(jié)果，因此借助Flow Simulation軟件對(duì)模具修邊鐵屑控制裝置進(jìn)行實(shí)際工況下CFD分析。CFD流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析的基本原理：通過(guò)建立分析對(duì)象的三維模型及定義流體介質(zhì)和對(duì)模型各出入口給定邊界條件，并將分析對(duì)象實(shí)體分解成為許多小的互連子域，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些子域選取合適的有效流體計(jì)算域，然后明確計(jì)算目標(biāo)，通過(guò)N-S方程、流體連續(xù)性方程及伯努利定律等數(shù)學(xué)工具進(jìn)行計(jì)算，最后得出實(shí)體各位置的目標(biāo)參數(shù)，通過(guò)結(jié)果參數(shù)即可對(duì)裝置設(shè)計(jì)的合理性作出判斷。

2.1 修邊鐵屑控制裝置基本結(jié)構(gòu)與原理

沖模修邊工序切斷鐵屑的裝置結(jié)構(gòu)包括通道管體、吸屑口、排屑口、壓縮空氣輸入氣管、導(dǎo)氣管等，其工作原理：根據(jù)伯努利定理與連續(xù)性方程，在一個(gè)流體系統(tǒng)中，流體由壓強(qiáng)大的方向向壓強(qiáng)小的方向流動(dòng)，同時(shí)流速越小壓強(qiáng)越大，流速越大壓強(qiáng)越小。模具修邊鐵屑控制裝置在實(shí)際使用時(shí)，由生產(chǎn)線壓力機(jī)臺(tái)車提供壓縮空氣，通過(guò)導(dǎo)氣管將壓縮空氣輸入到通道管體內(nèi)，在導(dǎo)氣管出氣端和排屑口之間的空間內(nèi)形成高速氣流，在吸屑口和排屑口之間形成較大的氣壓差，在外部大氣壓作用下會(huì)形成吸屑口向排屑口方向的高速氣流，對(duì)模具交刀處周邊鐵屑進(jìn)行及時(shí)吸取清理。

根據(jù)上述裝置原理，鐵屑控制裝置的清理效能與其吸屑口空氣流速呈現(xiàn)正相關(guān)性。因此，要想獲得鐵屑清理效能最佳，必須用試驗(yàn)獲得吸屑口空氣流速最優(yōu)的方案。

2.2 傳統(tǒng)修邊鐵屑控制裝置流體動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1 三維建模

利用Solidworks軟件繪制傳統(tǒng)模具修邊鐵屑控制裝置三維模型，命名為1號(hào)裝置，如圖2所示。

圖2 1號(hào)裝置模型

2.2.2 基本參數(shù)設(shè)定

設(shè)定模具修邊鐵屑控制裝置的材料類型為鋁，分析類型為內(nèi)部流場(chǎng)，流體介質(zhì)為空氣，流動(dòng)類型為層流和湍流，吸屑口處環(huán)境壓力設(shè)置為0.5 MPa，基本參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 CFD分析基本參數(shù)設(shè)定

2.2.3 CFD解算與其他相關(guān)設(shè)置

（1）對(duì)裝置進(jìn)行計(jì)算域設(shè)定，采用Flow Simulation自動(dòng)生成，如圖3所示。

圖3 建立邊界條件與計(jì)算域

（2）對(duì)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Flow Simulation默認(rèn)的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，共生成3 644個(gè)網(wǎng)格。

（3）對(duì)裝置進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)（吸屑口）流速分析。

（4）查看CFD可視化分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 1號(hào)裝置CFD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化

2.2.4 分析結(jié)果

1號(hào)裝置吸屑口平均空氣流速為69.28 m/s，如圖5所示，輸入口與吸屑口流速分布不均衡（見圖4），需要對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，平衡管體內(nèi)部流速分布情況，提高吸屑口流速，進(jìn)而提高清理鐵屑效能。

圖5 1號(hào)裝置吸屑口氣流速度分析報(bào)告

2.3 裝置流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

2.3.1 2號(hào)裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)1號(hào)裝置吸屑口氣流速度不足，通過(guò)伯努利方程與連續(xù)性方程中流速、壓強(qiáng)與橫截面積的關(guān)系，最終確定通過(guò)減少吸屑口管道橫截面積來(lái)提高吸屑口空氣流速。

選擇5組不同吸屑口與排屑口直徑比的管道進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示，淘汰試驗(yàn)4、5不可用的結(jié)果，試驗(yàn)3直徑比0.5：1、流速179.33 m/s為最優(yōu)解。

表2 不同吸屑口管道橫截面積試驗(yàn)結(jié)果

2號(hào)裝置CFD全局運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示，其吸屑口流速為179.33 m/s比1號(hào)裝置的69.28 m/s提高了2.6倍，但裝置內(nèi)部流體分布存在較多擾流，流速分布不均衡。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)采用非對(duì)稱的單個(gè)氣源結(jié)構(gòu)是造成擾流的根本原因。

圖6 2號(hào)裝置CFD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化

2.3.2 3號(hào)裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)2號(hào)裝置設(shè)計(jì)的非對(duì)稱單個(gè)氣源結(jié)構(gòu)存在的擾流問(wèn)題，進(jìn)行輸入氣源數(shù)量?jī)?yōu)化試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，當(dāng)氣源數(shù)為3個(gè)時(shí)結(jié)果最優(yōu)。

表3 不同氣源數(shù)量試驗(yàn)結(jié)果

將3個(gè)輸入口以兩兩相隔120°均勻排列以平衡氣流，如圖7所示，吸屑口平均空氣流速達(dá)到261.04 m/s（見圖8）。優(yōu)化設(shè)計(jì)的3號(hào)裝置吸屑口空氣流速約為1號(hào)裝置的3.7倍，且其內(nèi)部流體速度分布均勻，無(wú)擾流出現(xiàn)。3號(hào)裝置使用后每生產(chǎn)5 000件零件，鐵屑造成的品質(zhì)不良率降低至0.03%，按照3號(hào)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的修邊鐵屑控制裝置如圖8所示。

圖7 3號(hào)裝置CFD分析報(bào)告

圖7 3號(hào)裝置CFD運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可視化

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Flow Simulation軟件對(duì)沖模修邊鐵屑控制裝置進(jìn)行了CFD分析，對(duì)3種裝置的空氣流場(chǎng)壓強(qiáng)、流量以及流速分布結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，最終確定最優(yōu)方案。根據(jù)仿真結(jié)果制造了新型三氣源結(jié)構(gòu)的鐵屑吸取裝置，在實(shí)際應(yīng)用中滿足吸取效能的要求，達(dá)到良好的修邊鐵屑控制效果。

通過(guò)案例也證明了CFD分析在沖模鐵屑控制裝置設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要性，提高了問(wèn)題點(diǎn)原因的查找效率，可以精確給出裝置各部分的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，便于比較各設(shè)計(jì)方案之間的優(yōu)劣，減少了計(jì)算時(shí)間、試驗(yàn)場(chǎng)地和設(shè)備硬件的成本，并且CFD分析迭代成本低廉，使用效率高，可以離線診斷并且通用性強(qiáng)。