劉玉霞，黃迪山，傅惠燕

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海天安軸承有限公司，上海 200230)

浪形保持架作為大量使用的軸承沖壓件，其制造工藝為：下料沖裁→成形→整形→沖鉚釘孔。成形工序中，利用模具在特定工藝參數(shù)下，將內(nèi)徑較大的環(huán)形料收縮為特定內(nèi)徑的波浪形成形件，由于后續(xù)工藝中不再對(duì)內(nèi)徑進(jìn)行進(jìn)一步的加工和修正，因此，浪形保持架內(nèi)徑的制造精度取決于成形件的內(nèi)徑精度[1-2]。對(duì)于微型軸承使用的浪形保持架，由于其尺寸微小，對(duì)每道工序中工件的幾何精度檢測(cè)較為繁瑣和復(fù)雜，制造質(zhì)量不能夠很好地保證。因此，需要探索一種新的方法，以控制和預(yù)測(cè)成形產(chǎn)品的制造質(zhì)量和精度，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著塑性成形基礎(chǔ)理論和數(shù)值計(jì)算方法的不斷完善與發(fā)展, 使板料成形過程的數(shù)值模擬仿真成為可能。目前仿真分析已逐漸成為縮短模具開發(fā)時(shí)間、支持新產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)、 解決塑性加工技術(shù)的有效手段, 成為塑性加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。借助于數(shù)值模擬仿真, 可以對(duì)金屬成形過程進(jìn)行控制與優(yōu)化，進(jìn)而可以預(yù)測(cè)成形工序中的金屬流動(dòng)、 應(yīng)變、 應(yīng)變率、 成形極限、 應(yīng)力[3], 為沖壓生產(chǎn)提供有力的技術(shù)支持。Dynaform在軸承沖壓零部件中的應(yīng)用較少，文獻(xiàn)[4-5]通過對(duì)軸承保持架成形件進(jìn)行仿真，將仿真結(jié)果在模具設(shè)計(jì)中進(jìn)行反饋，開啟了Dynaform在軸承沖壓件分析中的應(yīng)用先例。

下文基于金屬板料成形有限元軟件Dynaform，介紹了浪形保持架成形工序的CAD模型和CAE模型建立的方法及成形工序中工藝參數(shù)在軟件中的定義方法，并通過測(cè)量成形件的尺寸，分析了工藝參數(shù)和模具精度對(duì)成形件的影響。

1 模型的建立

浪形保持架成形模的上、下凸模形狀如圖1 所示。在Dynaform中，沖壓仿真的凸模由凹模通過偏移得到，CAD模型導(dǎo)入時(shí)只需導(dǎo)入凹模和坯料的模型。然而，由于浪形保持架成形模為上、下凸模間隔分布，無法通過一側(cè)的凸模偏移出另一側(cè)的凸模，故這種建模方法在此不適用。因此，在建模軟件UG中將成形工序的上、下凸模均創(chuàng)建出，如圖2所示，為七兜孔浪形保持架的成形工序仿真模型。Dynaform軟件識(shí)別的是片體模型，通常將在三維建模軟件中建立的模型轉(zhuǎn)化成僅有模面形狀和坯料片體的模型，保存為IGS格式文件，導(dǎo)入Dynaform板料成形有限元軟件中進(jìn)行分析。

圖1 成形凸模

圖2 成形工序仿真模型

將CAD模型導(dǎo)入Dynaform后，軟件界面顯示的模型如圖3所示。該模型全部由面要素組成。Dynaform軟件網(wǎng)格劃分時(shí)遵循模具網(wǎng)格尺寸與坯料網(wǎng)格劃分相適應(yīng)的原則。在對(duì)模具進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)精確模擬模具的幾何形狀，使模具的網(wǎng)格模型能夠精確地描述模具表面的幾何形狀，由于模具材料為剛性，模具單元尺寸不參與系統(tǒng)臨界時(shí)間步長的確定，細(xì)密的模具網(wǎng)格更容易與坯料網(wǎng)格相適應(yīng)，有利于獲得接觸界面上理想分布的接觸力。在對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)選擇一個(gè)合適的網(wǎng)格密度，過疏的網(wǎng)格使仿真的精度降低，過密的網(wǎng)格則會(huì)使計(jì)算量增大，甚至導(dǎo)致計(jì)算的終止。劃分好網(wǎng)格后的成形模型如圖4所示。

圖3 導(dǎo)入后的模型

圖4 有限元模型

2 仿真參數(shù)的定義

工具的定義：將圖4中中間圓環(huán)定義為坯料，坯料上部的元素定義為上凸模，下部的元素定義為下凸模。

分析模型的建立：選擇沖壓類型為正裝拉延(Toggle draw)，接觸界面選擇為單向的面與面接觸。

坯料材料模型的選擇：坯料厚度為0.35 mm；坯料材料為1Cr18Ni9，在仿真軟件材料庫中，對(duì)應(yīng)的材料為DQSK type36；材料模型選為針對(duì)薄金屬成形分析的三參數(shù)Barlat材料模型，該模型的參數(shù)見表1。

表1 坯料材料模型參數(shù)

成形參數(shù)設(shè)置：設(shè)置上凸模向下運(yùn)動(dòng)，下凸模固定，對(duì)上凸模加載速度曲線，首先確定凸模的行程為2.974 mm；為確定上凸模的沖壓速度，采用多次仿真試驗(yàn)的方法，得到坯料發(fā)生彎曲變形內(nèi)徑縮小至與下凸模內(nèi)徑一致時(shí)的上凸模速度為1 000 mm/s。

3 仿真結(jié)果

使用LS-DYNA求解器求解所建立的成形參數(shù)模型，得d3plot和dynain格式結(jié)果文件。d3plot格式文件為成形模擬的結(jié)果文件[6]，本算例得到的d3plot文件包含的模擬過程共21幀，圖5所示為第21幀模擬，即成形過程結(jié)束時(shí)上、下凸模和成形件的狀態(tài)圖。從圖可知，通過正確的參數(shù)設(shè)置，坯料能夠在上凸模的作用下，沿著上、下凸模的表面向內(nèi)徑方向滑移，并恰好發(fā)生彎曲變形，使坯料的內(nèi)徑縮小至與凸模內(nèi)徑一致，完成浪形保持架的成形工序。圖6為dynain格式的結(jié)果文件，為坯料成形結(jié)果圖。圖7為成形件的厚度變化圖，由圖可知成形后坯料的厚度發(fā)生了變化，成形件內(nèi)徑方向的厚度較大，高于公稱厚度，在靠近內(nèi)徑的波峰和波谷處，厚度最大，較公稱厚度大2 μm；外徑方向厚度較公稱厚度小，在工件外邊緣的部分波峰處，厚度較公稱厚度小9 μm，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生與成形過程中坯料由外徑方向向內(nèi)徑方向的運(yùn)動(dòng)有關(guān)。圖8為坯料的成形極限圖，圖中大部分區(qū)域拉伸不足，這是由于浪形保持架的成形工序變形主要為彎曲變形。

圖5 成形模擬結(jié)果

圖6 最終成形件

圖7 成形件厚度變化

圖8 成形極限圖

4 工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)浪形保持架成形精度的影響

浪形保持架內(nèi)、外徑的設(shè)計(jì)值分別為13.65 mm和18.30 mm。

4.1 工藝參數(shù)的影響

(1)其他條件不變，改變上凸模下行速度，對(duì)成形過程進(jìn)行仿真，并讀取dynain格式結(jié)果文件。令上凸模下行速度為3 000,1 000和800 mm/s時(shí)，得到成形件的內(nèi)徑分別為r1，r和r2。圖9為成形件在xOy平面內(nèi)的投影，圖中r1>r>r2。

圖9 不同成形速度下的成形件

通過獲取整形件內(nèi)(外)徑上的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值(圖10)，在Matlab中編寫代碼，并根據(jù)成形工序CAD模型建模時(shí)設(shè)定的圓心坐標(biāo)，得到各成形速度下成形件的內(nèi)(外)徑值，見表2。

圖10 成形件節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的獲取

表2 不同成形速度下成形件的內(nèi)(外)徑

(2)其他條件不變，改變上凸模行程，對(duì)成形過程進(jìn)行仿真，并讀取dynain格式結(jié)果文件。令上凸模行程為4.0，2.974和2.0 mm時(shí)，所得成形件的內(nèi)徑分別為r1，r和r2，波谷深度分別為h1，h和h2。圖11為3種成形深度下得到的成形件，其中r1h>h2。不同成形深度下，成形件的內(nèi)徑值見表3。

圖11 不同成形深度下的成形件

表3 不同成形深度下成形件的內(nèi)(外)徑值 mm

由上述分析可知，工藝參數(shù)不同，所得到的浪形保持架成形件的尺寸也不同，成形工序中內(nèi)徑超差的工件，不能進(jìn)入后續(xù)工序的加工，因此，在沖壓成形中，應(yīng)設(shè)計(jì)合適的工藝參數(shù)，以保證成形后內(nèi)徑的精度。沖壓仿真技術(shù)在浪形保持架制造工藝應(yīng)用中，在對(duì)工藝參數(shù)設(shè)定和調(diào)整之前，預(yù)知保持架的整形精度，根據(jù)保持架的制造誤差狀況，設(shè)定合理的工藝參數(shù)(如沖壓力、沖壓速度)，有助于提高效率，降低試驗(yàn)成本。

4.2 模具結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

浪形保持架成形凸模的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為滑移角α，如圖12所示，滑移角的作用為有利于材料收縮、使環(huán)形坯料變形均勻，不易開裂。對(duì)于微型軸承浪形保持架成形模，公稱滑移角為8°[7]。由于模具存在制造誤差，且模具在使用的過程中不斷和坯料接觸產(chǎn)生磨損，會(huì)使滑移角與設(shè)計(jì)值存在偏差?；平堑某叽绯顚?duì)成形件的影響分析如下：其他條件參數(shù)不變，建立滑移角分別為7.5°和8.5°的成形模具仿真模型，對(duì)坯料進(jìn)行成形仿真，將仿真結(jié)果與模具滑移角為8°時(shí)的進(jìn)行對(duì)比,如圖13所示。令滑移角為7.5°，8°，8.5°時(shí)得到的成形件的內(nèi)徑分別為r1，r，r2，由圖12知，r1

圖12 成形凸?；平?/p>

圖13 不同滑移角下的成形件局部放大圖

表4 不同滑移角下成形件的內(nèi)(外)徑

5 結(jié)束語

以浪形保持架成形工序的仿真分析為實(shí)例,運(yùn)用數(shù)值模擬軟件 Dynaform 分析板料成形技術(shù)在軸承沖壓零部件制造工藝中的應(yīng)用, 探討了板料沖壓成形中，工藝參數(shù)及模具的精度對(duì)成形件精度的影響，為軸承沖壓保持架沖壓工藝設(shè)計(jì)及產(chǎn)品質(zhì)量保證提供了新的思路，同時(shí)有利于預(yù)測(cè)和控制成形產(chǎn)品的制造質(zhì)量和精度，提高對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的有效控制。