胡　星，　李曉甜，　楊海軍，　楊洪剛

(上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

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熱水器后殼的沖壓成形模擬

胡星，李曉甜，楊海軍，楊洪剛

(上海電機學院 汽車學院, 上海 201306)

摘要：基于有限元方法對熱水器后殼的成形過程進行了分析，再現(xiàn)了實際沖壓中所產生的起皺缺陷，分析了缺陷所產生的原因；通過對熱水器后殼翻邊工藝的調整，對成形結果進行了優(yōu)化，提高了熱水器后殼的制造質量，同時也驗證了有限元模擬方法的適用性。

關鍵詞：熱水器后殼; 沖壓成形; 起皺; 開裂

熱水器后殼是熱水器關鍵零件之一，其形狀復雜，表面質量要求高，其品質直接影響到熱水器的整體形象和性能，是典型的外覆蓋件[1]。與汽車外覆蓋件相比，熱水器后殼更復雜，沖壓變形劇烈，因而成形難度更大。熱水器后殼整個工件的變形由彎曲、拉深、局部脹形等工序組成。通過材料的局部塑性變形，材料的強度、硬度得到了明顯提高，從而保證了熱水器安裝固定時的可靠性、安全性。其主要成形缺陷是翻邊位置產生起皺現(xiàn)象，為提高沖壓件的成形質量，關鍵要分析產品的變形特點，找出產生起皺等成形缺陷的內在原因，為沖壓工藝的制訂和沖壓模具的設計提供指導。實際生產中，多根據(jù)零件的變形特點，結合經驗，通過反復試驗調整后方能確定工藝參數(shù)，費時費力。

近年來，隨著計算機技術和優(yōu)化理論的快速發(fā)展，將有限元分析工具與優(yōu)化算法相結合，對沖壓工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計已成為當前該領域的研究熱點[2-4]。采用計算機數(shù)值模擬技術，在計算機上模擬沖壓成形過程，根據(jù)坯料在模具中的流動情況預測板料的最終形狀及可能產生的缺陷(起皺、開裂等)，可不斷改進模具的結構尺寸，優(yōu)化毛坯尺寸，最終達到確定合理的成形工藝、獲得較高的模具壽命、降低生產成本的目的[5-7]。

本文分析了熱水器后殼在沖壓過程中可能造成的缺陷，并基于有限元軟件的一步法和增量法對板料可能出現(xiàn)的裂紋和起皺等成形質量問題進行了數(shù)值模擬；在此基礎上，通過工藝參數(shù)的調整使產品工藝達到優(yōu)化，進而提高了熱水器后殼的沖壓成形質量。

1沖壓成形質量初步分析

后殼是重要的熱水器外觀件，其外形不算復雜，主要變形為彎曲變形。由于大部分變形應力比較均勻，當成形表面的應力數(shù)值遠小于抗拉強度極限時，容易產生剛性不足及起皺等現(xiàn)象。工藝設計時，應考慮如何使后殼在成形時材料能得到充分延展，且表面不產生明顯的缺陷，使中部材料變薄率力爭達到4%左右，并具有良好的強度、剛度和表面質量。

經過現(xiàn)場調研，發(fā)現(xiàn)熱水器后殼成形后，因翻邊部分起皺，導致局部有暗坑，影響零件表面質量，如圖1所示。

圖1　熱水器后殼表面缺陷Fig.1　Surface defects of the water heater’s back shell

本文基于有限元軟件的一步法對熱水器后殼的沖壓成形進行模擬分析，并根據(jù)模擬分析結果對成形工藝進行優(yōu)化及驗證。沖壓成形一步法(或稱單步法)是一種非常簡便、快捷的產品模擬方法，可以在不進行模面設計或僅有簡單模面的情況下進行粗略的處理，觀察零件變形的趨勢[8]。其突出優(yōu)點是計算效率高，在覆蓋件設計階段可以用來快速預示其成形性，根據(jù)零件的形面快速地對其成形性進行初步分析，預測出可能出現(xiàn)缺陷的部位。因此，一步法是國際沖壓成形領域中研究的熱點之一。

將產品數(shù)模導入到有限元軟件中，在轉換文件的同時劃分有限元網(wǎng)格。根據(jù)最小拉深深度、最小沖壓負角等準則自動確定沖壓方向，并進行孔洞補充和邊界光順。材料為冷軋鋼板DC04，厚度為0.8mm，摩擦系數(shù)為0.15，壓邊壓強為 3MPa。參數(shù)設定完成后，利用一步模擬求解器進行模擬運算，計算結果如圖2所示。

圖2　一步法成形質量預測結果Fig.2　Formability prediction using a one-step method

由圖2可見，在直線翻邊和曲線翻邊處容易起皺，這與實際沖壓缺陷結果一致。起皺是板料在成形過程中受壓失穩(wěn)的一個主要表現(xiàn)形式。板料在塑形變形過程中，會受到復雜應力狀態(tài)的作用，由于板厚方向的尺寸與其他2個方向的尺寸相比很小，因此，板料在厚度方向上最不穩(wěn)定；當板面內的壓應力達到一定程度時，板厚方向最容易因受壓而不能維持穩(wěn)定的塑形變形，產生因受壓失穩(wěn)的現(xiàn)象[9]。

分析熱水器后殼產生起皺缺陷的具體原因，零件成形時，直邊和圓角部分是分兩步彎曲的，由于受壓向外擠壓，圓角部分翻邊時很容易在相切區(qū)域產生起皺，如圖3所示。

圖3　初始翻邊工藝Fig.3　Description of preliminary solution

為了緩解該區(qū)域的起皺，工藝優(yōu)化應該朝著緩解圓角部分的擠壓的方向進行。

2沖壓缺陷模擬

在工藝和模具信息全部確定后，就可以采用增量方法對成形過程進行精確模擬[10]。增量法可以模擬整個沖壓過程，并發(fā)現(xiàn)設計中可能存在的問題，方便對工藝進行優(yōu)化，減少試模時間和費用。熱水器后殼沖壓成形工藝分翻邊和成形兩步進行數(shù)值模擬。如圖4所示。

圖4　熱水器后殼成形過程Fig.4　Forming steps of the water heater’s back shell

熱水器后殼成形的難點在圓角處，即拐角處。該拐角部分形面復雜，圓角小，過渡急劇，成形時變形集中，容易起皺。彎曲工序是熱水器后殼成形最重要的工序，工件的形狀全部或大部分在此工序壓出，它直接影響產品的品質。

在有限元軟件下，零件成形工藝設計的過程如下： 對三維數(shù)據(jù)進行分析→確定沖壓方向→對原始數(shù)據(jù)進行處理(如填充內孔、確定翻邊線和修邊面)→設計工藝補充部分→確定拉延試模板料尺寸等。采用增量法對熱水器后殼的整個成形過程進行數(shù)值模擬。翻邊模擬的工具定位如圖5所示。

圖5　翻邊模擬工具定位Fig.5　Tool establishment for flanging

數(shù)值模擬時，模具被視為剛體，采用剛性材料模型[11-13]，板料為各項異性低碳鋼板CR1，采用柔性材料模型，模擬取界面摩擦系數(shù)為0.15，完成各項參數(shù)設置后提交運算，得到分析結果。對仿真分析結果進行分析，板料成形過程如圖6所示。工藝上采用整體式翻邊，兩條長直邊一次性翻邊出來?？梢?，成形過程中圓角部位疊料明顯。在模擬過程中，由于疊料過大，導致了計算錯誤，以至于起皺明顯，使得計算無法繼續(xù)，圓角翻邊特征也沒有完全成形。

圖6　板料變形過程Fig.6　Deformation of the material

3沖壓工藝優(yōu)化及驗證

按照初始工藝，圓角部分要經過兩次變形。第一次變形時所產生的應力集中效應影響了材料的流動，最終導致材料在圓角部位產生了嚴重的起皺。為了緩解起皺趨勢，改善后期的成形質量，考慮對圓角處的翻邊工藝進行優(yōu)化，即在翻邊時，圓角不參與變形，并在翻邊圓角部位做出2個凹槽，同時在該部位設置擋塊，保證該部位材料不參與第1次的彎曲變形；在第2次彎曲時翻邊才一次成形出來。優(yōu)化工藝后的翻邊工具定位如圖7所示。

圖7　優(yōu)化翻邊工藝后的工具定位Fig.7　Tools setup after optimizing flanging process

圖8　優(yōu)化翻邊工藝后的變形過程Fig.8　Deformation under new process

在優(yōu)化后的翻邊工藝下，重新建立工具約束，代入有限元增量法進行模擬計算。此時，材料的變形過程如圖8所示，由圖可見，第1次翻邊時，圓角部分材料不參與變形，在后期的成形時該部位的材料才參與變形，成形后材料的疊料現(xiàn)象依然明顯，但已經略有緩解。

圖9為優(yōu)化翻邊成形工藝后整體成形的結果。由成形圖可見，雖然疊料依然明顯，但與之前相比，成形質量已經有了很大提高，且圓角翻邊已完全成形，沒有產生因疊料嚴重所導致的計算終止現(xiàn)象。因此可以認為，采用優(yōu)化的翻邊工藝后，材料的起皺現(xiàn)象得到了明顯的緩解。

圖9　優(yōu)化翻邊工藝后的成形結果Fig.9　Formability under new process

起皺高度真實地反映了板金件沖壓成形中起皺質量問題的嚴重程度[14-15]。圖10為翻邊工藝改進前、后圓角部位的最大起皺高度的比較。由圖可見，對長直邊圓角翻邊處翻邊工藝進行優(yōu)化后，板料的最大起皺高度從39%降至32%，表明該翻邊工藝優(yōu)化方案對改善疊料是有作用的。

圖10　翻邊工藝優(yōu)化前后的起皺高度對比Fig.10　Wrinkling height before and after　process optimization

4結語

板料沖壓成形有限元數(shù)值模擬在沖壓件行業(yè)的應用正日益廣泛，發(fā)揮著越來越重要的作用。熱水器后殼是熱水器關鍵零件之一，其形狀復雜，表面質量要求高，成形難度大，其主要成形缺陷是翻邊位置的起皺。采用板料成形分析軟件對熱水器后殼的成形過程進行模擬分析，再現(xiàn)了熱水器后殼的沖壓缺陷，并通過優(yōu)化翻邊工藝，提高了熱水器后殼的沖壓成形質量。生產實踐證明，模擬的結果與工藝參數(shù)是可靠的，熱水器后殼的表面質量得到了提高，零件表面質量滿足了技術要求。通過前期的計算機輔助工程軟件模擬，保證了沖壓件的品質，有效降低了模具成本。

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Simulation of Stamping Process of Water Heater Back Shell

HUXing，LIXiaotian，YANGHaijun，YANGHonggang

(School of Automobile, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China)

Abstract：This paper analyzes deformation of the back shell of a water heater using a finite element method. Causes of wrinkling failure are studied. By optimizing the flanging process, formability of the material is improved. Forming quality of the back shell is increased. Feasibility of the finite element method is verified.

Key words：water heater back shell; stamping; wrinkling; fracture

文獻標志碼：A

中圖分類號：TG 306;TS 914.252

文章編號2095 - 0020(2015)06 -0321 - 04

作者簡介：胡星(1982-)，男，講師，博士，主要研究方向為汽車薄板沖壓成形，E-mail： hux@sdju.edu.cn

基金項目：上海高校青年教師培養(yǎng)計劃資助(ZZSDJ15005)；上海市大學生創(chuàng)新活動計劃項目資助(A1-5701-14-006-08-63)；上海電機學院學科基礎建設項目資助(12XKJC02)

收稿日期：2015 - 10 - 25