本文以車用空調(diào)用電磁線圈革體零件為研究對(duì)象，通過(guò)采用Deform-3D鍛壓有限元模擬分析軟件與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了罩體類零件沖壓冷鍛成形工藝(Flow Control Forming of Sheet metal)過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明:該模擬分析能夠很好的指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

1 引言

  1.1罩體類零件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及成形特點(diǎn)

罩體類零件是一種廣泛應(yīng)用于汽車、電機(jī)、計(jì)算機(jī)及辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域的特殊部件。它是一種有環(huán)形盲槽且中部有通孔的薄壁件。如圖1所示為有壁厚差的罩體類零件形狀。

圖2為局部形狀變化較大的罩體類零件形狀?？梢钥闯觯辶虾穸扔凶兓窃擃惲慵墓餐攸c(diǎn)。

顯然，切削加工該零件既不經(jīng)濟(jì)，又無(wú)法保證質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，特別是在加工環(huán)形槽時(shí)將很難保證環(huán)形槽的尺寸公差及表面粗糙度要求。另外該零件環(huán)形槽底部圓角半徑一般很小，對(duì)成形工藝來(lái)說(shuō)非常不利。

由于該類零件底部厚度和壁厚尺寸不同，傳統(tǒng)的沖壓或冷鍛工藝很難成形。如采用傳統(tǒng)的環(huán)形立體坯料冷鍛或沖壓，成形時(shí)由于材料表面不規(guī)則的金屬流動(dòng)，各處應(yīng)力狀態(tài)不一致，變形分布不均勻、存在著材料利用率低、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成形力大、零件精度不穩(wěn)定等現(xiàn)象、產(chǎn)生諸如褶皺、裂紋等缺陷。為了改進(jìn)以上缺陷，在生產(chǎn)實(shí)踐中，主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)反復(fù)的試模和修模、調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。但即使如此，很多缺點(diǎn)依然存在。因此探索新的成形工藝，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了罩體類零件批量化生產(chǎn)以及實(shí)際工程應(yīng)用是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)和緊迫的課題，具有非常廣闊的市場(chǎng)前景和不可估量的社會(huì)效益。

本文結(jié)合沖壓冷鍛成形新技術(shù)的研究，采用板料為原始坯料進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)車用空調(diào)用電磁線圈罩體零件(圖3),采用計(jì)算機(jī)模擬軟件Deform對(duì)沖壓冷鍛成形工藝過(guò)程進(jìn)行了模擬，分析了坯料的金屬流動(dòng)特征，以及應(yīng)力應(yīng)變分布情況，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模具工藝參數(shù)的優(yōu)化奠定了更為科學(xué)的基礎(chǔ)。

1.2沖壓冷鍛工藝簡(jiǎn)介

在金屬塑性成形領(lǐng)域，普通板料沖壓可基本認(rèn)為是平面應(yīng)力狀態(tài)，一般在板厚方向不受或基本不受應(yīng)力作用(變薄拉深除外)，即可以忽略板厚方向的應(yīng)力數(shù)值，在分析板料的塑性變形時(shí)，一般只考慮平面內(nèi)的兩個(gè)相互垂直的主應(yīng)力的性質(zhì)和大小。因此除了變薄拉深以外，普通沖壓過(guò)程中，板料厚度基本不變，或者即使有變化相對(duì)于板料厚度來(lái)說(shuō)也是很微小的。這樣，普通板料沖壓工藝過(guò)程可認(rèn)為:板料。平面應(yīng)力作用下的變形、基本等于壁厚的零件(沖壓件)。而冷鍛變形是典型的三維體積成形過(guò)程，工件在變形時(shí)一般受三向壓應(yīng)力作用，因此冷鍛變形所需壓力一般較高，冷鍛工藝過(guò)程可認(rèn)為棒料一體積成型一冷鍛件。

對(duì)罩體類零件，只有采用板料沖壓與冷鍛技術(shù)結(jié)合的復(fù)合塑性成形工藝即"沖壓冷鍛新技術(shù)"才能解決。其工藝路線為上述兩種工藝路線的交叉與綜合:板料、平面應(yīng)力變形十三向應(yīng)力體積成形一沖壓冷鍛件。

2 罩體類零件沖壓冷鍛成形的數(shù)值模擬分析

在研究過(guò)程中.我們首先進(jìn)行了罩體沖壓冷鍛成形件圖設(shè)計(jì)，其次根據(jù)體積不變的原則，按照罩體沖壓冷鍛成形件圖，計(jì)算出其坯料的形狀和尺寸(坯料是環(huán)狀的，其厚度與零件的底厚相當(dāng))，同時(shí)進(jìn)行了力能參數(shù)計(jì)算和成形設(shè)備選擇(經(jīng)計(jì)算，成形力為1200KN，選擇設(shè)備為YA-315型液壓機(jī))，最后開展了罩體沖壓冷鍛成形模具設(shè)計(jì)。(注:以上研究?jī)?nèi)容作者另文有述)。

在以上研究的基礎(chǔ)上，我們對(duì)罩體成形工藝進(jìn)行有限元模擬研究，掌握金屬流動(dòng)和成形規(guī)律，為優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。采用精密成型過(guò)程金屬流動(dòng)三維有限元模擬軟件Deform-3D，既能夠進(jìn)行剛塑性/剛粘塑性模擬，又可進(jìn)行彈塑性模擬，已被用于多種塑性加工工藝的仿真分析，是成型工藝缺陷預(yù)報(bào)和分析以及模具及工藝過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì)的有力工具。

2.1有限元幾何模型的建立及模擬參數(shù)的設(shè)定

采用剛粘塑性有限元模擬方法實(shí)現(xiàn)罩體成形工藝的模擬分析，需要先建立有限元模擬模型。我們作了如下的假設(shè):忽略材料的彈性變形、不計(jì)體積力和慣性力、材料不可壓縮、材料服從Levy-Mises屈服準(zhǔn)則、材料均質(zhì)且各向同性、材料存在應(yīng)變強(qiáng)化和應(yīng)變速率強(qiáng)化。

在Pro/E三維造型軟件中分別建立工件、凸模、凹模等組件的三維實(shí)體模型，并導(dǎo)出為STL格式，通過(guò)Deform前置處理器中的模型輸人接口得到有限元軟件中的三維實(shí)體模型.如圖3所示。

我們采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)坯料進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，劃分單元數(shù)為77 427，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 9910坯料材料為SPCE,假設(shè)坯料為剛粘塑性體，模具為剛性體。根據(jù)實(shí)際沖壓冷鍛情況設(shè)定模擬參數(shù)如下:

2.2沖壓冷鍛過(guò)程的數(shù)值模擬

2.2.1等效應(yīng)變場(chǎng)圖4給出了鍛件等效應(yīng)變的有限元模擬結(jié)果，從圖中顏色深淺可以看出，隨著沖壓冷鍛成形的結(jié)束，應(yīng)變主要分布在罩體的底部。

圖4 罩體成型工藝有限元模擬模型

2.2.2圖5給出了變形后期等效應(yīng)力分布有限元模擬結(jié)果，從圖中可以看出，在變形后期等效應(yīng)力密集在零件壁的中部，此時(shí)模具承受的作用力和零件的質(zhì)量將由此決定，模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以注意。

2.2.3虛擬速度圖6給出了材料流動(dòng)速度場(chǎng)的變化過(guò)程，從圖中可以看出，罩體壁向上的箭頭表示反擠壓趨勢(shì)明顯，速度矢量集中在零件底部，箭頭向下說(shuō)明先進(jìn)入正擠壓。

2.2.4圖7給出了開裂因子的有限元模擬結(jié)果，從圖中可以看出，紅色部位(零件底部、零件壁中部)易產(chǎn)生裂紋，灰色部位變形不充分，相應(yīng)的凸模、凹模等參數(shù)選擇應(yīng)特別加以注意。

2.2.6圖9給出了該工件成形過(guò)程模擬計(jì)算得到的載荷-行程曲線，可見該工件的成形力隨行程的增加穩(wěn)定增加，在成形到壓底時(shí)(上模行程到72mm時(shí))開始急劇增大，工件底部已基本充滿模腔，此時(shí)材料變形流動(dòng)困難，模具運(yùn)動(dòng)需要施加更大的壓力。根據(jù)現(xiàn)有摩擦模型和材料成形流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變曲線，模擬計(jì)算得到成形該鍛件所需的最大壓力為280噸。

3 罩體類零件沖壓冷鍛成形工藝試驗(yàn)分析

3.1沖壓冷鍛成形的金屬變形分析

我們以JSS120罩體為例，采用初始狀態(tài)完全相同的一組坯料進(jìn)行試驗(yàn)，得出金屬坯料在封閉的模具型腔中，不同階段的成形態(tài)勢(shì)以及金屬充填效果的真實(shí)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合工藝試驗(yàn)，來(lái)得到金屬坯料在模具型腔中的變形規(guī)律。圖10-13為金屬坯料在封閉模具型腔中的幾個(gè)變形階段，它可以讓我們直觀地了解從板狀環(huán)形坯料向罩體零件演變的整個(gè)變形過(guò)程。

變形過(guò)程大致經(jīng)歷了彎曲變形、彎曲一擠壓變形、擠壓變形、精整等幾個(gè)變形階段。

3.1.1彎曲變形

當(dāng)凸模下行到與坯料接觸后，坯料在凸模、凹模和芯軸的約束下，沿著凹模和芯軸的第一錐面下行，開始發(fā)生彎曲變形，坯料的下端部沒(méi)有任何約束，只有內(nèi)外錐面作用于坯料上的摩擦力，促使坯料開始彎曲變形，直到接觸圖10所示 。

3.1.2彎曲一擠壓變形

隨著凸模繼續(xù)下行，坯料進(jìn)人凹模與芯軸的第二錐面組成的型腔，其空間逐漸小于坯料的厚度，此時(shí)下行凸模開始將金屬坯料帶人凹模和芯軸間的型腔中，只有金屬發(fā)生流動(dòng)才能完成，逐漸由彎曲變形過(guò)渡到擠壓變形。如圖11所示

3.1.3擠壓變形

凸模帶著坯料接觸擠壓工作帶時(shí)，擠壓變形成為主要因素，模具承受的作用力和零件的質(zhì)量將由這一階段決定，摩擦更為嚴(yán)重，在第二錐面內(nèi)的金屬需要通過(guò)擠壓工作帶成型罩體零件的內(nèi)外壁。如圖12所示

3.1.4精整

上述墩擠變形結(jié)束后，凸模仍將微量(4.2mm)下行，迫使坯件底部與頂料環(huán)接觸壓平坯件的底平面，使自然形成的R盡可能小。如圖13所示。

3.2工藝試驗(yàn)結(jié)果分析
 
以JSS120罩體零件為例，工藝試驗(yàn)采用的坯料尺寸為:厚度二4.5mm，外徑=101.5mm，內(nèi)徑二24.2mm。材料狀態(tài)為:上海寶鋼生產(chǎn)的冷軋板SPHE(相當(dāng)于08A1)，坯料表面處理:磷化一皂化，在沖壓冷鍛成型過(guò)程中用機(jī)油潤(rùn)濕坯料表面，坯料數(shù)量15件。

模具調(diào)整采用坯料自動(dòng)對(duì)中，然后進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)，試壓一件檢查內(nèi)外壁的壁厚差，并作好在模具中的位置記號(hào)，通過(guò)調(diào)整螺釘調(diào)整凹模的位置，達(dá)到凹模、凸模和芯軸三者之間間隙均勻。成形力可以從設(shè)備上的壓力表上讀出。

模具調(diào)整好后，我們使用了三個(gè)坯料進(jìn)行了試壓，使設(shè)備、模具和頂料系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，隨后用六個(gè)坯料進(jìn)行了JSS120的初步試驗(yàn)。

從罩體零件成型過(guò)程初步試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出:

(1)內(nèi)外徑尺寸都在設(shè)計(jì)的范圍之內(nèi)，但都靠近尺寸的極限偏差。在設(shè)計(jì)凹模、芯軸時(shí)盡管考慮了回彈的影響，但是回彈的方向有一定的差異;

(2)底厚采用了5mm的板料，并且設(shè)備的下始點(diǎn)得到有效控制，因此底厚一致性較好;

(3)內(nèi)外壁高度有較大差異，而內(nèi)外徑尺寸又基本一致，說(shuō)明凸模與下工作臺(tái)面的垂直度不好，需要調(diào);

(4)沖壓冷鍛成形工藝的成型力很小。在成形過(guò)程中，設(shè)備上壓力表基本都顯示為不超過(guò)15MPa。其中彎曲變形階段為5MPa,彎曲一擠壓變形階段為6MPa，擠壓變形階段為10MPa,精整階段為14MPa;

(5)罩體沖壓冷鍛件表面光滑，粗糙度完全能滿足圖紙和用戶的要求。

4結(jié)論

從罩體零件模擬成型過(guò)程以及初步試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出:罩體類零件沖壓冷鍛成形模擬結(jié)果以及模擬中的次序和變形趨勢(shì)，都與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。主要優(yōu)點(diǎn)概括如下:

(1)通過(guò)數(shù)值模擬，直觀再現(xiàn)了罩體類零件沖壓冷鍛成形過(guò)程。通過(guò)對(duì)工件的可成形性分析做出是否可制造的早期判斷，通過(guò)對(duì)模具方案和沖壓冷鍛工藝的模擬分析，及時(shí)調(diào)整修改模具結(jié)構(gòu)，減少試模次數(shù)，縮短開發(fā)周期;

(2)通過(guò)缺陷模擬來(lái)制定缺陷預(yù)防措施，改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，增強(qiáng)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及沖壓冷鍛工藝的可靠性，減少生產(chǎn)成本;

(3)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的應(yīng)用不僅可以彌補(bǔ)工藝人員在經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)用工藝資料方面的不足，還可以通過(guò)虛擬的沖壓冷鍛成形模擬，提高工藝人員的經(jīng)驗(yàn)。