張增英

（合肥通用職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥230031）

0 引言

微波爐由于具有省時、節(jié)能、美觀和便捷等優(yōu)點,在生活中越來越受到消費者的喜愛。因此，越來越多的微波爐生產(chǎn)商開始在材質(zhì)上對微波爐提出更高的要求。本文所分析的某生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的微波爐腔體采用熱浸鍍鋅板和430不銹鋼兩種材質(zhì)進行沖壓成形。

本文采用世界上廣泛使用的板料成形專業(yè)軟件DYNAFORM軟件就微波爐腔體的沖壓變形和拉深開裂現(xiàn)象進行CAE分析，利用分析結(jié)果預(yù)測和消除成形缺陷，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，為后續(xù)的模具設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

1 微波爐沖壓成形過程數(shù)值模擬分析

1）建立模型。本文中作者利用UG軟件進行幾何建模，根據(jù)微波爐的沖壓工藝要求，對其模型展開，展開后的幾何模型如圖1所示。本次模擬網(wǎng)格最大尺寸為30，最小為0.5，圖2為零件的網(wǎng)格劃分圖。

圖1 微波爐腔體展開幾何模型

圖2 零件的網(wǎng)格劃分圖

3）定義工具。對零件創(chuàng)建好后，進行相關(guān)模具零件的創(chuàng)建。在本設(shè)計中主要有創(chuàng)建壓邊圈零件、定義坯料零件和定義凸凹模零件。在定義相關(guān)零件時，可采用零件模型中進行分離或者復(fù)制的方法，快速生成相關(guān)模型，這樣模型中的網(wǎng)格劃分直接帶到其他模型中，所以不需要再分別對其他零件進行網(wǎng)格的劃分，可以節(jié)約很多時間[1]。

4）材料的定義。該腔體采用的材料是430不銹鋼板和DC51D+Z兩種。

5）工具的定義和定位。在DYNAFORM中，工具的定義和定位有快速設(shè)置、自動設(shè)置和傳統(tǒng)設(shè)置三種方式。在本文中，由于微波爐腔體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，采用自動設(shè)置，可以節(jié)約大量時間，同時能保證計算精度。

6）后處理。將前處理通過求解器運算后的文件用后處理組件進行處理。它能夠讀取和處理d3plot文件中所有能夠使用的數(shù)據(jù)，不僅包含沒有變形的數(shù)據(jù)模型，還包含所有由LS-DYNA生成的一系列結(jié)果文件。

2 設(shè)計方案的模擬分析和研究

通過前面的一系列的設(shè)置，建立了該微波爐的有限元模型。通過提交計算器運算得到后處理結(jié)果，然后通過后處理軟件進行分析處理。在本設(shè)計過程中對相同的設(shè)計方案采用430不銹鋼和DC51D+Z兩種材料分別進行模擬分析。

2）網(wǎng)格劃分。利用DYNAFORM的網(wǎng)格劃分功能對模具及毛坯進行網(wǎng)格劃分。在劃分網(wǎng)格的時候要兼顧模擬的精確度和計算的效率。

2.1 選用430不銹鋼材料模擬結(jié)果分析

圖3 利用430不銹鋼的成形極限圖

當(dāng)采用材料430不銹鋼板時，壓邊力設(shè)定為300 kN,選擇凹模的運動速度為2000 mm/s，摩擦因數(shù)為0.125，進行后處理。在DYNAFORM后處理界面讀入d3plot文件，成形極限圖能夠反映出成形性能的好壞，能夠反映出成形缺陷以及成形是否充分。在DYNAFORM中，成形極限圖通過不同的顏色來表示不同的成形結(jié)果。設(shè)定材料為430不銹鋼板時，得到的成形極限如圖3所示。從圖3中顯示結(jié)果來看，成形結(jié)果較好，無明顯起皺和開裂區(qū)域，能夠滿足沖壓要求[2]。

2.2 選用DC51D+Z材料模擬結(jié)果分析

1）成形極限圖分析與研究。

當(dāng)采用材料DC51D+Z時，由于DC51D+Z材料的基材為DC01,所以在選擇材料時設(shè)定DC01，壓邊力仍然設(shè)定為300 kN，凹模的運動速度為2000 mm/s，摩擦因數(shù)為0.125，進行后處理，得到的成形極限圖如圖4所示。從圖形當(dāng)中可以看出在底部拉深部分和左側(cè)面環(huán)形凹坑中紅色部分代表有明顯拉裂現(xiàn)象。顯然，從分析過程來看，在同等情況下，DC51D+Z和430不銹鋼相比較，430不銹鋼具有更好的拉延性能。在本設(shè)計中，該腔體研發(fā)階段設(shè)定兩種材料加工，以滿足不同消費者的需求。從成形結(jié)果來看，當(dāng)采用材料DC51D+Z時，由于開裂較為嚴重，單純從參數(shù)方面進行修改很難達到要求，要對結(jié)構(gòu)做進一步的優(yōu)化[3]。

圖4 利用DC01的成形極限圖

2）結(jié)構(gòu)改進與其成形結(jié)果分析與討論。

圖5 優(yōu)化改進后的成形極限圖

原來的模型中，底部型腔的拉深深度為40 mm，底部的拉深圓角半徑為3 mm；另外左側(cè)的環(huán)形槽的拉深深度為16 mm，底部的拉深圓角半徑為4 mm。在此基礎(chǔ)上對微波爐腔體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以改善沖壓結(jié)果。該產(chǎn)品在滿足使用要求的前提下對拉深的深度并沒有特別嚴格的要求。考慮到這一點，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，將拉深的深度從40 mm降到32 mm,底面和側(cè)面的夾角從原來的60°減少到50°，底部的圓角從原來的4 mm增大到6 mm，得到的成形極限圖如圖5所示。從成形極限圖來看，在底部型腔的4個尖角處仍然存在少量開裂現(xiàn)象，為了得到合格沖件顯然需要繼續(xù)進行優(yōu)化。

第二次優(yōu)化將底部4個尖角過渡改為球角過渡。在不改變壓邊力及其他參數(shù)的前提下，得到的成形極限圖如圖6所示。通過此次優(yōu)化后，成形極限圖顯示，在工作區(qū)域不存在開裂和起皺現(xiàn)象，符合沖壓要求。

圖6 第二次優(yōu)化后的成形極限圖

圖7 第二次優(yōu)化厚度等值線圖

在此基礎(chǔ)上，對第二次優(yōu)化方案的厚度等值線圖進行分析。厚度等值線如圖7所示。從厚度等值線圖來看，沖壓過程中厚度變化幅度比較大，存在變形的危險區(qū)域[4]。

第三次優(yōu)化時，將底面和側(cè)面的夾角調(diào)為45°。成形極限如圖8所示。在工作區(qū)域不存在開裂和起皺現(xiàn)象，符合使用要求。

圖8 第三次優(yōu)化后的成形極限圖

圖9 第三次優(yōu)化厚度等值線圖

對第三次優(yōu)化方案的厚度等值線圖進行分析。厚度等值線如圖9所示。沖壓過程中絕大部分區(qū)域厚度變化幅度不大，基本都處于安全區(qū)域。

圖10 最終確定方案

3 設(shè)計方案的確定

根據(jù)以上的分析討論，最終確定第三種方案作為最終方案。在此基礎(chǔ)上，進行沖壓模具的設(shè)計制造。第三種方案最終確定的沖壓加工模型如圖10所示。

4 結(jié)論

運用有限元分析軟件DYNAFORM軟件模擬分析不同材料的沖壓性能和不同結(jié)構(gòu)形狀的微波爐腔體進行，通過不斷優(yōu)化，最終確定下來最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，在同樣的參數(shù)下，可以同時采用兩種不同的材料進行沖壓，為后續(xù)的沖壓模具的設(shè)計、制造、調(diào)試做好充分的準備。

[參 考 文 獻]

[1] 胡正乙.基于DYNAFORM軟件的汽車拉延模具設(shè)計[D].重慶：重慶大學(xué),2010.

[2] 汪超.開水煲外殼零件的數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué),2013.

[3] 張增英.基于DYNAFORM軟件的微波爐腔體成形數(shù)值研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 曲令晉.基于DYNAFORM的微波爐外殼成形仿真分析與模具設(shè)計[J].模具工業(yè),2014(6)：32-35.

[5] 張榮清.模具設(shè)計與制造[M].北京：高等教育出版社,2003.