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        叉形三通沖壓件可靠性能研究

        2020-08-05 05:40:46楊芝明蔚鑫
        家電科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化產(chǎn)品實驗

        楊芝明 蔚鑫

        珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

        1 引言

        沖壓件不僅具有較高的加工效率、精度,產(chǎn)生較少的切削碎料,而且具有較好的經(jīng)濟效益,在航空航天、機械、化工、日用電器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。叉形三通沖壓件是安裝在空調(diào)分體內(nèi)機集氣管上的主要組件,具有分流、節(jié)流作用。結(jié)合氦檢泄漏數(shù)據(jù),沖壓件耐疲勞指標(biāo)為系統(tǒng)中最薄弱部分,也是發(fā)生泄漏最多的地方,提升沖壓件的可靠性,完善沖壓件各項質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn),可以提高產(chǎn)品的使用壽命[2]。本文從三通沖壓件的結(jié)構(gòu)著手,分析其薄弱部分,通過改善加工模具的過渡圓角,以減少其應(yīng)力集中避免在某一位置應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。通過優(yōu)化沖壓間距,增加其危險點的壁厚來提高耐壓性和韌性。經(jīng)驗證,優(yōu)化后的沖壓件在爆破壓力、壓力脈沖等性能方面具有顯著改善。耐疲勞指標(biāo)的提升,有效延長了零件使用壽命,提高其在空調(diào)系統(tǒng)中的可靠性。

        2 材料失效形式分析

        2.1 靜力破壞形式分析

        靜力破壞失效:當(dāng)材料承受的最大載荷大于其本身材料的屈服強度時,產(chǎn)生靜力破壞失效。靜力加載破壞時材料內(nèi)部不會產(chǎn)生裂紋累積,受力裂紋會持續(xù)擴展到材料破壞。現(xiàn)對公司集氣管沖壓件進行受力分析,如圖1所示。

        根據(jù)微元體的徑向力平衡條件,有以下平衡方程(1):

        當(dāng)σ=σb時,該點為發(fā)生破裂極限點,當(dāng)σ>σb時,材料產(chǎn)生裂紋。

        式中:p——集氣管三通沖壓件內(nèi)壓力;da——單位面積元;σ——拉力;t——微元體壁厚;θ——內(nèi)壓與拉力夾角;R——微元體曲率半徑;σb——抗拉強度。

        2.2 疲勞失效形式分析

        影響機械零件疲勞強度的因素有很多,有應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等,其中前三種為主要影響因素,疲勞破壞是一個累計的過程,受多種因素影響,與應(yīng)力大小和加載次數(shù)有關(guān)。當(dāng)三通沖壓件在冷媒反復(fù)沖擊作用下會發(fā)生疲勞失效,導(dǎo)致泄漏[3]。

        3 模具過渡不圓滑加工過程優(yōu)化

        沖壓件加工流程主要工序為:下料、旋壓擴口、粗沖、精沖。各工序加工示意圖如圖2所示[4]。

        根據(jù)全面質(zhì)量管理理論中人、機、料、法、環(huán)5大影響因素,分析影響沖壓件成型質(zhì)量的以下4點因素:

        (1)人:員工培訓(xùn)不足,現(xiàn)場實操及培訓(xùn)內(nèi)容不能正確指導(dǎo)員工生產(chǎn)。

        (2)機:模具管理不規(guī)范,點檢及壽命周期維護不到位,模具圓角過渡不圓滑。

        (3)料:原材料壁厚,管坯壁厚波動較大。

        (4)法:三通沖壓件E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理,沖壓速率的變化會對沖壓件壁厚產(chǎn)生影響。預(yù)制坯形狀不合理對壁厚產(chǎn)生影響。經(jīng)現(xiàn)場檢查、測量、仿真分析和實驗對比確定要因為模具過渡不圓滑和E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理[5]。

        針對模具過渡不圓滑因素,公司內(nèi)部已做相應(yīng)更改,沖壓管路件因形狀不規(guī)則而常存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。為消除或減少應(yīng)力集中,需盡量減緩沖壓管路件沖壓過渡位置的尺寸變化,把其沖壓前端的加工面設(shè)計為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體如圖3所示。

        通過優(yōu)化沖壓模具,使沖壓件前端的加工面成型為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體,改善模具過渡不圓滑現(xiàn)狀。優(yōu)化前的沖壓面為斜平面,改進后的沖壓面是一個球弧面如圖4所示。沖壓槽與沖壓面的夾角θ,分流孔的中心距H,分流孔定位長度L,定位點與沖壓面的距離k,沖壓球面半徑R,沖壓前端的球弧面SR。

        使用有限元仿真軟件對三通沖壓件更改前后進行靜力學(xué)分析如圖5、圖6所示[6]。

        沖壓件過渡位置采用圓滑過渡能有效改善應(yīng)力集中,優(yōu)化前三通沖壓件最大應(yīng)力為407 MPa,優(yōu)化后最大應(yīng)力為307 Pa,應(yīng)力下降24.6%。

        4 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善方案

        圖1 三通沖壓件靜力破壞微元失效圖

        圖2 三通沖壓件加工工序示意圖

        圖3 三通沖壓件前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

        圖4 優(yōu)化前后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

        圖5 原三通沖壓件結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        圖6 優(yōu)化后三通沖壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

        圖7 優(yōu)化后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

        圖8 優(yōu)化后三通沖壓件檢測位置點圖

        改進三通件沖壓間距E值,增加危險點的壁厚,可以減小壁厚減薄率,提高耐壓性和韌性。考慮到E值、H值對沖壓件成型及焊接效果有很大影響,結(jié)合焊接間隙分析,設(shè)計沖壓間距E值4 mm,成型中心H值7.2 mm。根據(jù)E值、H值估算原材料擴口半徑為OD=12 mm,經(jīng)試產(chǎn)品與芯頭貼合適中成型效果較好,如圖7所示。

        沖壓件E值(沖壓間距)、H值(兩孔中心距)關(guān)系到?jīng)_壓件變形量,對沖壓件E值、H值進行改進,可以降低其變形量,并對危險點壁厚和最大壁厚減薄率進行了仿真與實驗驗證如表1所示。

        表1 改變E值、H值性能參數(shù)對比數(shù)據(jù)

        表2 位置點壁厚變化量實驗結(jié)果

        表3 爆破壓力實驗結(jié)果

        表4 壓力脈沖實驗結(jié)果

        5 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗驗證

        根據(jù)本次改善方案確認驗證項目:產(chǎn)品變薄改善、耐靜力破壞改善、疲勞壽命改善、更改前后焊接質(zhì)量對比、更改后批量生產(chǎn)穩(wěn)定性驗證。在已量產(chǎn)的沖壓產(chǎn)品中選定一款產(chǎn)品進行改善,并進行小批生產(chǎn)。分別在已批量(改善前)產(chǎn)品與小批(改善后)產(chǎn)品中各隨機挑選5件樣品進行以下檢驗:

        (1)檢驗1

        解剖樣件利用金相手段檢測圖8所示位置1、位置2的壁厚,得到其解剖壁厚變化量如表2所示。經(jīng)驗證,結(jié)構(gòu)改善前后薄弱置壁厚明顯改善,壁厚平均增厚14%。

        (2)檢驗2

        采用打水壓測試焊接支管,一端封閉,一端接水壓機。緩慢施壓,直至樣件爆破,檢查記錄爆破位置與爆破壓力,共做5次水壓實驗,結(jié)果如表3所示。結(jié)構(gòu)改善后產(chǎn)品承壓有一定改善,爆破壓力平均增加7%。

        (3)檢驗3

        將樣件接至壓力脈沖實驗儀器,采用液壓油進行循環(huán)壓力脈沖,壓力分別設(shè)為0~3.2 MPa,0~4.5 MPa,檢查記錄破環(huán)位置與脈沖次數(shù),結(jié)果如表4所示。結(jié)構(gòu)改善后,產(chǎn)品承受壓力脈沖次數(shù)有著絕對優(yōu)勢,特別是在應(yīng)用于R32冷媒系統(tǒng)中,將脈沖壓力提升到4.5 MPa時,改善前最低僅能承受7000次,改善后能達到20萬次不破裂。

        (4)檢驗4

        進行焊接實驗,實驗后解剖樣件,利用金相手段檢測產(chǎn)品各關(guān)鍵位置焊接質(zhì)量。本次實驗中,所抽檢產(chǎn)品焊接質(zhì)量均能符合我司焊接質(zhì)量要求。

        (5)檢驗5

        改善后產(chǎn)品經(jīng)小批500、1000試生產(chǎn),生產(chǎn)過程中篩選入廠檢驗,班組抽檢均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品異常,生產(chǎn)安裝、焊接、氦檢無異常。本次實驗中,兩次小批試生產(chǎn),可改善產(chǎn)品生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性能。

        6 結(jié)論

        通過以上驗證,可知本次進行的“模具圓滑過渡”、“沖壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化”改善對產(chǎn)品質(zhì)量有明顯改善作用,達到預(yù)期效果。沖壓模具采用圓滑過渡后,能有效改善應(yīng)力集中,降低零件的最大應(yīng)力。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,新產(chǎn)品壓力脈沖次數(shù)由5萬次提高到20萬次,提升率達300%,爆破壓力由原來的17.5 MPa上升到18.8 MPa,提升7%,薄弱位置的壁厚由原來的0.5875 mm提升到0.673 mm,提升14%。對新產(chǎn)品三通沖壓件進行焊接操作,解剖后觀測其熔深符合我司要求,在現(xiàn)有加工生產(chǎn)條件下對新產(chǎn)品進行小批試產(chǎn),均未發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常,符合我司要求。

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