陳小潤(rùn) 唐相偉 易寧 張南富

廣東美的廚房電器制造有限公司 廣東佛山 528311

1 引言

隨著仿真技術(shù)的逐步發(fā)展，在汽車(chē)、航空航天、家電等行業(yè)，仿真技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品工藝等多個(gè)環(huán)節(jié)普及應(yīng)用，嵌入到產(chǎn)品研發(fā)流程中，提升產(chǎn)品品質(zhì)、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，減少產(chǎn)品研發(fā)成本。

在家電行業(yè)的很多家電產(chǎn)品中，鈑金件是主要的結(jié)構(gòu)部件，目前在公司，鈑金沖壓模具設(shè)計(jì)都是借助經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)多次反復(fù)的試模，來(lái)確定可行性方案，周期長(zhǎng)且成本高。參考汽車(chē)行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，嘗試引入沖壓仿真技術(shù)，對(duì)沖壓過(guò)程中的關(guān)鍵工藝進(jìn)行先期仿真分析，輸出可行性方案后，再進(jìn)行試模，減少以往經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ街械脑嚹７磸?fù)次數(shù)。本文中，以一款簡(jiǎn)單的燃?xì)庠畛幸罕P(pán)為研究對(duì)象，利用沖壓仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，輸出可行性方案。

沖壓仿真技術(shù)是利用CAE軟件數(shù)字模擬實(shí)際試模過(guò)程，獲取鈑金件沖壓成形結(jié)果，解決出現(xiàn)的起皺、拉裂、回彈等問(wèn)題，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，提升鈑金件成形質(zhì)量。沖壓仿真技術(shù)可輸出零件的變形過(guò)程，及成形后的成形極限圖、厚度分布圖、應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D等仿真結(jié)果，可較完整及有效地評(píng)價(jià)零件結(jié)構(gòu)鈑金成形的可行性。

（1）變形過(guò)程：以動(dòng)畫(huà)方式或逐幀方式顯示坯料在受模具沖壓時(shí)的變形過(guò)程，可顯示整體結(jié)果，也可單獨(dú)顯示坯料的瞬間變形情況。

（2）成形極限圖：也簡(jiǎn)稱(chēng)FLD，如圖1所示，由板料在不同應(yīng)變路徑下的局部失穩(wěn)極限工程應(yīng)變e1和e2或極限真實(shí)應(yīng)變?chǔ)?和ε2構(gòu)成的條帶形區(qū)域或曲線(xiàn), 它反映了板料在單向和雙向拉應(yīng)力作用下抵抗頸縮或破裂的能力，經(jīng)常被用來(lái)分析、解決成形時(shí)的破裂、起皺等問(wèn)題。

（3）厚度分布圖：分析坯料成形過(guò)程中的厚度變化，以等值線(xiàn)云圖方式顯示各區(qū)域成形后的厚度大小，以此可得出材料的減薄率和增厚率。對(duì)鈑金材料來(lái)說(shuō)，如果減薄率太大，材料則容易破裂。

（4）應(yīng)變?cè)茍D：分為主應(yīng)變?cè)茍D和次應(yīng)變?cè)茍D，判斷零件的變形情況。

本文中主要以成形極限圖和厚度分布圖作為結(jié)果分析依據(jù)。

2 研究背景

燃?xì)庠畛幸罕P(pán)主要安裝在燃?xì)庠顮t頭的周圈，在做菜、煲湯或燒水時(shí)，可以承接濺出來(lái)的菜、湯、水，避免影響燃?xì)獾恼Ｈ紵⒈阌谇鍧?。承液盤(pán)一般由金屬薄板材料加工而成，常用的材料有sus430、sus201等不銹鋼材料，常采用鈑金沖壓工藝制造成形。如圖2所示為某款燃?xì)庠町a(chǎn)品的小爐頭承液盤(pán)結(jié)構(gòu)，初選材料為sus430不銹鋼，成形工藝分別為拉深——沖孔——裁剪，但在模具拉深試模時(shí)，發(fā)生零件嚴(yán)重破裂現(xiàn)象，如圖3為試模沖壓成形件，其中小凸包兩側(cè)倒圓角（后文中稱(chēng)為凸耳）位置局部發(fā)生開(kāi)裂；故采用仿真技術(shù)模擬零件拉深沖壓過(guò)程，分析零件成型破裂的原因，并在零件結(jié)構(gòu)、沖壓工藝、零件材料等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證，輸出可行性?xún)?yōu)化方案。

3 沖壓仿真

3.1 仿真運(yùn)算及試驗(yàn)對(duì)比

對(duì)承液盤(pán)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行拉深階段的仿真建模及運(yùn)算，采用試模時(shí)相同的sus430材料，相同的邊界條件，相同的胚料尺寸，胚料厚度0.6mm；分析仿真結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的建模準(zhǔn)確性。如圖4為導(dǎo)入并經(jīng)過(guò)幾何前處理后的仿真模型，并在零件基礎(chǔ)上增加壓邊部分，抽中面劃分網(wǎng)格，中面網(wǎng)格作為凹模（die）結(jié)構(gòu)，并在凹模網(wǎng)格基礎(chǔ)上復(fù)制得到壓邊圈（binder）和凸模（punder）網(wǎng)格，坯料（blank）結(jié)構(gòu)采用與實(shí)際相同的八角形結(jié)構(gòu)。對(duì)以上仿真模型進(jìn)行運(yùn)算，得出如下結(jié)果：

（1）從圖5成形極限圖看，在承液盤(pán)的4個(gè)凸耳位置出現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)裂現(xiàn)象。在胚料四周出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，但考慮到起皺區(qū)域?yàn)橛嗔喜贸糠郑挥绊懥慵尚钨|(zhì)量。

（2）從圖6厚度變化云圖看，成形后，材料厚度最薄值為0.17mm，最大減薄率70%，發(fā)生在圖中4個(gè)凸耳位置。起皺區(qū)域的材料增厚，最厚處0.61mm，最大增厚率2.0%，發(fā)生在胚料余料部分。

（3）綜上，從仿真結(jié)果看，拉深沖壓過(guò)程中，胚料發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，且開(kāi)裂位置及開(kāi)裂程度與實(shí)際試模出現(xiàn)的開(kāi)裂現(xiàn)象一致；所以，認(rèn)為當(dāng)前采用的仿真模型準(zhǔn)確度可信，滿(mǎn)足分析要求，后期更改方案仿真驗(yàn)證時(shí)，采用相似的仿真建模方式滿(mǎn)足優(yōu)化要求。

3.2 原因分析

從零件結(jié)構(gòu)看，4個(gè)凸包位置局部尺寸變化劇烈，且凸包拔模角小，造成該處拉深成形需要更多的材料流動(dòng)；從材料看，sus430不銹鋼的延展性一般，造成凸耳位置材料流動(dòng)不滿(mǎn)足拉深需求。所以，改善方向從零件厚度、結(jié)構(gòu)、材料三方面進(jìn)行。

3.3 優(yōu)化及仿真驗(yàn)證

3.3.1 厚度優(yōu)化

在原零件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加坯料材料厚度，由0.6mm分別增加到0.7mm和0.8mm，分別形成方案1及方案2，進(jìn)行仿真運(yùn)算得出如下結(jié)果：

圖1 成形極限圖

圖2 承液盤(pán)零件圖

圖3 試模沖壓成形件

圖4 沖壓仿真模型

圖5 原方案成形極限圖

圖6 原方案厚度變化云圖

圖7 承液盤(pán)凸耳結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸

（1）從成形極限圖看，不論是方案1還是方案2，在拉深過(guò)程中，均在4個(gè)凸耳位置發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

（2）從厚度變形圖看，方案1，0.7mm厚坯料時(shí)，最薄厚度為0.20mm，減薄率為71.4%；方案2，0.8mm厚坯料時(shí)，最薄厚度為0.27mm，減薄率為66.3%。

（3）從結(jié)果對(duì)比看，在方案1和方案2中，厚度的增加對(duì)成形開(kāi)裂現(xiàn)象無(wú)明顯改善效果。

3.3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在原零件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，更改承液盤(pán)凸耳局部結(jié)構(gòu)尺寸，材料同樣用sus430，如圖7為凸耳關(guān)鍵尺寸，在方案3中，更改a和b兩個(gè)尺寸，a由14mm更改為10mm，b由12mm減少為10mm；對(duì)方案3進(jìn)行仿真運(yùn)算，從仿真結(jié)果看，方案3還是會(huì)出現(xiàn)凸耳位置開(kāi)裂現(xiàn)象，最薄厚度為0.39mm，相比原結(jié)構(gòu)已有較大改善，但依然不滿(mǎn)足成形要求。

在方案3基礎(chǔ)上，更改c尺寸，由5mm更改為4mm，形成方案4，仿真結(jié)果如下：

（1）從圖8成形極限圖看，方案4中零件已無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)，在凸耳周邊出現(xiàn)小區(qū)域起皺現(xiàn)象。

（2）如圖9所示，成型后，材料厚度最薄值為0.47mm，最大減薄率21.6%。

3.3.3 材料優(yōu)化

考慮到sus430不銹鋼的延展性不足，更換為sus201不銹鋼，零件結(jié)構(gòu)不變，形成方案5。其他的條件均相同的情況下，對(duì)方案5進(jìn)行仿真分析運(yùn)算，得出如下結(jié)果：

（1）從圖10成形極限圖看，方案5中零件無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)，在凸耳周邊出現(xiàn)小區(qū)域起皺現(xiàn)象。

（2）如圖11所示，成型后，材料厚度最薄值為0.39mm，最大減薄率35%。

（3）綜上，說(shuō)明方案5可滿(mǎn)足沖壓成形要求。

3.4 仿真小結(jié)

綜上，共完成6種不同方案的沖壓仿真分析，包括原方案及5種更改方案，各方案的仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示，其中方案4和方案5在拉深仿真中，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象出現(xiàn)，可滿(mǎn)足成形要求。

表1 各方案沖壓仿真結(jié)果

圖8 方案4成形極限圖

圖9 方案4厚度變化圖

圖10 方案5成形極限圖

圖11 方案5厚度變化圖

4 結(jié)論

本文以一款燃?xì)庠畛幸罕P(pán)為研究對(duì)象，利用仿真技術(shù)分析承液盤(pán)試模過(guò)程中出現(xiàn)的開(kāi)裂原因，并進(jìn)行零件厚度、結(jié)構(gòu)、材料的更改設(shè)計(jì)，及快速仿真驗(yàn)證，輸出可行性方案。

（1）在原方案的仿真結(jié)果中，開(kāi)裂的位置及程度與實(shí)際試模現(xiàn)象相吻合，也驗(yàn)證了仿真模型的可信度。

（2）更改坯料厚度，由0.6mm增加到0.7mm還是0.8mm，但均會(huì)在拉深過(guò)程中出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

（3）更改零件結(jié)構(gòu)，變更凸耳3個(gè)尺寸，當(dāng)只更改凸耳a、b尺寸時(shí)，依然會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，當(dāng)3個(gè)尺寸同時(shí)更改時(shí)，拉深工序中零件無(wú)開(kāi)裂發(fā)生，滿(mǎn)足成形要求。

（4）將材料由sus430變更為sus201后，材料拉延性能提升，在仿真過(guò)程中，零件無(wú)開(kāi)裂發(fā)生。并考慮只換材料試模方便，已進(jìn)行sus201材料的試模測(cè)試，實(shí)際拉深后零件無(wú)開(kāi)裂出現(xiàn)，滿(mǎn)足成形要求。

（5）綜上，可認(rèn)為利用沖壓仿真技術(shù)模擬實(shí)際沖壓工藝過(guò)程，準(zhǔn)確度可信；且仿真可快速驗(yàn)證更改方案的優(yōu)化可行性，以可行性方案試模實(shí)驗(yàn)，可節(jié)省成本及時(shí)間。