發布日期：2022-04-27 點擊率：4
本文以車用空調用電磁線圈革體零件為研究對象，通過采用Deform-3D鍛壓有限元模擬分析軟件與試驗相結合的方法，研究了罩體類零件沖壓冷鍛成形工藝(Flow Control Forming of Sheet metal)過程中金屬流動規律，為優化模具結構和工藝參數提供了理論依據。研究結果表明:該模擬分析能夠很好的指導生產實踐。
1 引言
1.1罩體類零件產品結構及成形特點
罩體類零件是一種廣泛應用于汽車、電機、計算機及辦公自動化等領域的特殊部件。它是一種有環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。
顯然，切削加工該零件既不經濟，又無法保證質量和提高生產效率，特別是在加工環形槽時將很難保證環形槽的尺寸公差及表面粗糙度要求。另外該零件環形槽底部圓角半徑一般很小，對成形工藝來說非常不利。
由于該類零件底部厚度和壁厚尺寸不同，傳統的沖壓或冷鍛工藝很難成形。如采用傳統的環形立體坯料冷鍛或沖壓，成形時由于材料表面不規則的金屬流動，各處應力狀態不一致，變形分布不均勻、存在著材料利用率低、生產周期長、成形力大、零件精度不穩定等現象、產生諸如褶皺、裂紋等缺陷。為了改進以上缺陷，在生產實踐中，主要依靠設計人員的經驗，通過反復的試模和修模、調整工藝參數來實現。但即使如此，很多缺點依然存在。因此探索新的成形工藝，改進模具結構和工藝設計，實現了罩體類零件批量化生產以及實際工程應用是一個非常現實和緊迫的課題，具有非常廣闊的市場前景和不可估量的社會效益。
本文結合沖壓冷鍛成形新技術的研究，采用板料為原始坯料進行試驗，對車用空調用電磁線圈罩體零件(圖3),采用計算機模擬軟件Deform對沖壓冷鍛成形工藝過程進行了模擬，分析了坯料的金屬流動特征，以及應力應變分布情況，并進行了相關試驗研究，為進一步實現模具工藝參數的優化奠定了更為科學的基礎。
1.2沖壓冷鍛工藝簡介
在金屬塑性成形領域，普通板料沖壓可基本認為是平面應力狀態，一般在板厚方向不受或基本不受應力作用(變薄拉深除外)，即可以忽略板厚方向的應力數值，在分析板料的塑性變形時，一般只考慮平面內的兩個相互垂直的主應力的性質和大小。因此除了變薄拉深以外，普通沖壓過程中，板料厚度基本不變，或者即使有變化相對于板料厚度來說也是很微小的。這樣，普通板料沖壓工藝過程可認為:板料。平面應力作用下的變形、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程，工件在變形時一般受三向壓應力作用，因此冷鍛變形所需壓力一般較高，冷鍛工藝過程可認為棒料一體積成型一冷鍛件。
對罩體類零件，只有采用板料沖壓與冷鍛技術結合的復合塑性成形工藝即"沖壓冷鍛新技術"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、平面應力變形十三向應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值模擬分析
在研究過程中.我們首先進行了罩體沖壓冷鍛成形件圖設計，其次根據體積不變的原則，按照罩體沖壓冷鍛成形件圖，計算出其坯料的形狀和尺寸(坯料是環狀的，其厚度與零件的底厚相當)，同時進行了力能參數計算和成形設備選擇(經計算，成形力為1200KN，選擇設備為YA-315型液壓機)，最后開展了罩體沖壓冷鍛成形模具設計。(注:以上研究內容作者另文有述)。
在以上研究的基礎上，我們對罩體成形工藝進行有限元模擬研究，掌握金屬流動和成形規律，為優化模具結構和工藝參數提供理論依據。采用精密成型過程金屬流動三維有限元模擬軟件Deform-3D，既能夠進行剛塑性/剛粘塑性模擬，又可進行彈塑性模擬，已被用于多種塑性加工工藝的仿真分析，是成型工藝缺陷預報和分析以及模具及工藝過程優化設計的有力工具。
2.1有限元幾何模型的建立及模擬參數的設定
采用剛粘塑性有限元模擬方法實現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:忽略材料的彈性變形、不計體積力和慣性力、材料不可壓縮、材料服從Levy-Mises屈服準則、材料均質且各向同性、材料存在應變強化和應變速率強化。
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體模型，并導出為STL格式，通過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體模型.如圖3所示。
我們采用四節點四面體單元對坯料進行了網格劃分，劃分單元數為77 427，節點數為18 9910坯料材料為SPCE,假設坯料為剛粘塑性體，模具為剛性體。根據實際沖壓冷鍛情況設定模擬參數如下:
2.2沖壓冷鍛過程的數值模擬
2.2.1等效應變場圖4給出了鍛件等效應變的有限元模擬結果，從圖中顏色深淺可以看出，隨著沖壓冷鍛成形的結束，應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力分布有限元模擬結果，從圖中可以看出，在變形后期等效應力密集在零件壁的中部，此時模具承受的作用力和零件的質量將由此決定，模具設計時應加以注意。
2.2.3虛擬速度圖6給出了材料流動速度場的變化過程，從圖中可以看出，罩體壁向上的箭頭表示反擠壓趨勢明顯，速度矢量集中在零件底部，箭頭向下說明先進入正擠壓。
2.2.4圖7給出了開裂因子的有限元模擬結果，從圖中可以看出，紅色部位(零件底部、零件壁中部)易產生裂紋，灰色部位變形不充分，相應的凸模、凹模等參數選擇應特別加以注意。
2.2.6圖9給出了該工件成形過程模擬計算得到的載荷-行程曲線，可見該工件的成形力隨行程的增加穩定增加，在成形到壓底時(上模行程到72mm時)開始急劇增大，工件底部已基本充滿模腔，此時材料變形流動困難，模具運動需要施加更大的壓力。根據現有摩擦模型和材料成形流動應力應變曲線，模擬計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，采用初始狀態完全相同的一組坯料進行試驗，得出金屬坯料在封閉的模具型腔中，不同階段的成形態勢以及金屬充填效果的真實數據，采用數值模擬分析結果，結合工藝試驗，來得到金屬坯料在模具型腔中的變形規律。圖10-13為金屬坯料在封閉模具型腔中的幾個變形階段，它可以讓我們直觀地了解從板狀環形坯料向罩體零件演變的整個變形過程。
變形過程大致經歷了彎曲變形、彎曲一擠壓變形、擠壓變形、精整等幾個變形階段。
3.1.1彎曲變形
當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，開始發生彎曲變形，坯料的下端部沒有任何約束，只有內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
隨著凸模繼續下行，坯料進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，只有金屬發生流動才能完成，逐漸由彎曲變形過渡到擠壓變形。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，擠壓變形成為主要因素，模具承受的作用力和零件的質量將由這一階段決定，摩擦更為嚴重，在第二錐面內的金屬需要通過擠壓工作帶成型罩體零件的內外壁。如圖12所示
3.1.4精整
上述墩擠變形結束后，凸模仍將微量(4.2mm)下行，迫使坯件底部與頂料環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工藝試驗結果分析
以JSS120罩體零件為例，工藝試驗采用的坯料尺寸為:厚度二4.5mm，外徑=101.5mm，內徑二24.2mm。材料狀態為:上海寶鋼生產的冷軋板SPHE(相當于08A1)，坯料表面處理:磷化一皂化，在沖壓冷鍛成型過程中用機油潤濕坯料表面，坯料數量15件。
模具調整采用坯料自動對中，然后進行手動微調，試壓一件檢查內外壁的壁厚差，并作好在模具中的位置記號，通過調整螺釘調整凹模的位置，達到凹模、凸模和芯軸三者之間間隙均勻。成形力可以從設備上的壓力表上讀出。
模具調整好后，我們使用了三個坯料進行了試壓，使設備、模具和頂料系統處于正常狀態，隨后用六個坯料進行了JSS120的初步試驗。
從罩體零件成型過程初步試驗結果分析可以看出:
(1)內外徑尺寸都在設計的范圍之內，但都靠近尺寸的極限偏差。在設計凹模、芯軸時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，并且設備的下始點得到有效控制，因此底厚一致性較好;
(3)內外壁高度有較大差異，而內外徑尺寸又基本一致，說明凸模與下工作臺面的垂直度不好，需要調;
(4)沖壓冷鍛成形工藝的成型力很小。在成形過程中，設備上壓力表基本都顯示為不超過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結論
從罩體零件模擬成型過程以及初步試驗結果分析可以看出:罩體類零件沖壓冷鍛成形模擬結果以及模擬中的次序和變形趨勢，都與實際試驗結果吻合得較好。主要優點概括如下:
(1)通過數值模擬，直觀再現了罩體類零件沖壓冷鍛成形過程。通過對工件的可成形性分析做出是否可制造的早期判斷，通過對模具方案和沖壓冷鍛工藝的模擬分析，及時調整修改模具結構，減少試模次數，縮短開發周期;
(2)通過缺陷模擬來制定缺陷預防措施，改進工藝設計，增強模具結構設計以及沖壓冷鍛工藝的可靠性，減少生產成本;
(3)計算機模擬技術的應用不僅可以彌補工藝人員在經驗和應用工藝資料方面的不足，還可以通過虛擬的沖壓冷鍛成形模擬，提高工藝人員的經驗。
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