罩体类零件冲压冷锻成形工艺有限元模拟及试验分析

大老虎

本文以车用空调用电磁线圈革体零件为研究对象，通过采用Deform-3D锻压有限元模拟分析软件与试验相结合的方法，研究了罩体类零件冲压冷锻成形工艺(Flow Control Forming of Sheet Metal)过程中金属流动规律，为优化模具结构和工艺参数提供了理论依据。研究结果表明:该模拟分析能够很好的指导生产实践。
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1 引言
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$ Q7 O( o% ?/ n  }: e: J" Q1.1罩体类零件产品结构及成形特点

# Y* Y9 U8 M4 t/ ~/ {7 ?; W罩体类零件是一种广泛应用于汽车、电机、计算机及办公自动化等领域的特殊部件。它是一种有环形盲槽且中部有通孔的薄壁件。如图1所示为有壁厚差的罩体类零件形状。

图2为局部形状变化较大的罩体类零件形状。可以看出，板料厚度有变化是该类零件的共同特点。

显然，切削加工该零件既不经济，又无法保证质量和提高生产效率，特别是在加工环形槽时将很难保证环形槽的尺寸公差及表面粗糙度要求。另外该零件环形槽底部圆角半径一般很小，对成形工艺来说非常不利。
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由于该类零件底部厚度和壁厚尺寸不同，传统的冲压或冷锻工艺很难成形。如采用传统的环形立体坯料冷锻或冲压，成形时由于材料表面不规则的金属流动，各处应力状态不一致，变形分布不均匀、存在着材料利用率低、生产周期长、成形力大、零件精度不稳定等现象、产生诸如褶皱、裂纹等缺陷。为了改进以上缺陷，在生产实践中，主要依靠设计人员的经验，通过反复的试模和修模、调整工艺参数来实现。但即使如此，很多缺点依然存在。因此探索新的成形工艺，改进模具结构和工艺设计，实现了罩体类零件批量化生产以及实际工程应用是一个非常现实和紧迫的课题，具有非常广阔的市场前景和不可估量的社会效益。
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5 H9 m- J! V/ w! l  ?% E本文结合冲压冷锻成形新技术的研究，采用板料为原始坯料进行试验，对车用空调用电磁线圈罩体零件(图3),采用计算机模拟软件Deform对冲压冷锻成形工艺过程进行了模拟，分析了坯料的金属流动特征，以及应力应变分布情况，并进行了相关试验研究，为进一步实现模具工艺参数的优化奠定了更为科学的基础。

1.2冲压冷锻工艺简介
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# P9 v8 w2 n- Y$ Z. a3 [7 [  l在金属塑性成形领域，普通板料冲压可基本认为是平面应力状态，一般在板厚方向不受或基本不受应力作用(变薄拉深除外)，即可以忽略板厚方向的应力数值，在分析板料的塑性变形时，一般只考虑平面内的两个相互垂直的主应力的性质和大小。因此除了变薄拉深以外，普通冲压过程中，板料厚度基本不变，或者即使有变化相对于板料厚度来说也是很微小的。这样，普通板料冲压工艺过程可认为:板料。平面应力作用下的变形、基本等于壁厚的零件(冲压件)。而冷锻变形是典型的三维体积成形过程，工件在变形时一般受三向压应力作用，因此冷锻变形所需压力一般较高，冷锻工艺过程可认为棒料一体积成型一冷锻件。

对罩体类零件，只有采用板料冲压与冷锻技术结合的复合塑性成形工艺即"冲压冷锻新技术"才能解决。其工艺路线为上述两种工艺路线的交叉与综合:板料、平面应力变形十三向应力体积成形一冲压冷锻件。

/ k0 a5 @8 ?  X+ V8 x# c- ~5 l2 罩体类零件冲压冷锻成形的数值模拟分析

. z- A) z7 \8 f3 r1 j, Z在研究过程中.我们首先进行了罩体冲压冷锻成形件图设计，其次根据体积不变的原则，按照罩体冲压冷锻成形件图，计算出其坯料的形状和尺寸(坯料是环状的，其厚度与零件的底厚相当)，同时进行了力能参数计算和成形设备选择(经计算，成形力为1200KN，选择设备为YA-315型液压机)，最后开展了罩体冲压冷锻成形模具设计。(注:以上研究内容作者另文有述)。
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6 b. k0 w5 D: v0 w在以上研究的基础上，我们对罩体成形工艺进行有限元模拟研究，掌握金属流动和成形规律，为优化模具结构和工艺参数提供理论依据。采用精密成型过程金属流动三维有限元模拟软件Deform-3D，既能够进行刚塑性/刚粘塑性模拟，又可进行弹塑性模拟，已被用于多种塑性加工工艺的仿真分析，是成型工艺缺陷预报和分析以及模具及工艺过程优化设计的有力工具。
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5 b( V2 P1 I" B* u2 I2.1有限元几何模型的建立及模拟参数的设定

采用刚粘塑性有限元模拟方法实现罩体成形工艺的模拟分析，需要先建立有限元模拟模型。我们作了如下的假设:忽略材料的弹性变形、不计体积力和惯性力、材料不可压缩、材料服从Levy-Mises屈服准则、材料均质且各向同性、材料存在应变强化和应变速率强化。
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' S) ^, q+ a$ a+ ~/ B在Pro/E三维造型软件中分别建立工件、凸模、凹模等组件的三维实体模型，并导出为STL格式，通过Deform前置处理器中的模型输人接口得到有限元软件中的三维实体模型.如图3所示。

2 E& J: ]1 F, A1 p1 _& @. T我们采用四节点四面体单元对坯料进行了网格划分，划分单元数为77 427，节点数为18 9910坯料材料为SPCE,假设坯料为刚粘塑性体，模具为刚性体。根据实际冲压冷锻情况设定模拟参数如下:
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; }9 A4 a& q) a8 l; m; h# y% U! c! ]2.2冲压冷锻过程的数值模拟

; @' _" I1 u  |8 [& K) U+ k4 r0 g; K2.2.1等效应变场图4给出了锻件等效应变的有限元模拟结果，从图中颜色深浅可以看出，随着冲压冷锻成形的结束，应变主要分布在罩体的底部。

图4 罩体成型工艺有限元模拟模型

2.2.2图5给出了变形后期等效应力分布有限元模拟结果，从图中可以看出，在变形后期等效应力密集在零件壁的中部，此时模具承受的作用力和零件的质量将由此决定，模具设计时应加以注意。

2.2.3虚拟速度图6给出了材料流动速度场的变化过程，从图中可以看出，罩体壁向上的箭头表示反挤压趋势明显，速度矢量集中在零件底部，箭头向下说明先进入正挤压。

2.2.4图7给出了开裂因子的有限元模拟结果，从图中可以看出，红色部位(零件底部、零件壁中部)易产生裂纹，灰色部位变形不充分，相应的凸模、凹模等参数选择应特别加以注意。

2.2.6图9给出了该工件成形过程模拟计算得到的载荷-行程曲线，可见该工件的成形力随行程的增加稳定增加，在成形到压底时(上模行程到72mm时)开始急剧增大，工件底部已基本充满模腔，此时材料变形流动困难，模具运动需要施加更大的压力。根据现有摩擦模型和材料成形流动应力应变曲线，模拟计算得到成形该锻件所需的最大压力为280吨。

3 罩体类零件冲压冷锻成形工艺试验分析
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3.1冲压冷锻成形的金属变形分析

. T, x4 P4 m+ Z1 \4 v; \. B, I; ]/ N我们以JSS120罩体为例，采用初始状态完全相同的一组坯料进行试验，得出金属坯料在封闭的模具型腔中，不同阶段的成形态势以及金属充填效果的真实数据，采用数值模拟分析结果，结合工艺试验，来得到金属坯料在模具型腔中的变形规律。图10-13为金属坯料在封闭模具型腔中的几个变形阶段，它可以让我们直观地了解从板状环形坯料向罩体零件演变的整个变形过程。

变形过程大致经历了弯曲变形、弯曲一挤压变形、挤压变形、精整等几个变形阶段。

3.1.1弯曲变形
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当凸模下行到与坯料接触后，坯料在凸模、凹模和芯轴的约束下，沿着凹模和芯轴的第一锥面下行，开始发生弯曲变形，坯料的下端部没有任何约束，只有内外锥面作用于坯料上的摩擦力，促使坯料开始弯曲变形，直到接触图10所示 。

3.1.2弯曲一挤压变形

随着凸模继续下行，坯料进人凹模与芯轴的第二锥面组成的型腔，其空间逐渐小于坯料的厚度，此时下行凸模开始将金属坯料带人凹模和芯轴间的型腔中，只有金属发生流动才能完成，逐渐由弯曲变形过渡到挤压变形。如图11所示

3.1.3挤压变形
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3 Y) M" h( X- F' n, I凸模带着坯料接触挤压工作带时，挤压变形成为主要因素，模具承受的作用力和零件的质量将由这一阶段决定，摩擦更为严重，在第二锥面内的金属需要通过挤压工作带成型罩体零件的内外壁。如图12所示

3.1.4精整
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上述墩挤变形结束后，凸模仍将微量(4.2mm)下行，迫使坯件底部与顶料环接触压平坯件的底平面，使自然形成的R尽可能小。如图13所示。

3.2工艺试验结果分析
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* U9 X+ d8 D  S7 u$ |! P以JSS120罩体零件为例，工艺试验采用的坯料尺寸为:厚度二4.5mm，外径=101.5mm，内径二24.2mm。材料状态为:上海宝钢生产的冷轧板SPHE(相当于08A1)，坯料表面处理:磷化一皂化，在冲压冷锻成型过程中用机油润湿坯料表面，坯料数量15件。

模具调整采用坯料自动对中，然后进行手动微调，试压一件检查内外壁的壁厚差，并作好在模具中的位置记号，通过调整螺钉调整凹模的位置，达到凹模、凸模和芯轴三者之间间隙均匀。成形力可以从设备上的压力表上读出。

模具调整好后，我们使用了三个坯料进行了试压，使设备、模具和顶料系统处于正常状态，随后用六个坯料进行了JSS120的初步试验。
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3 N: z( Q: v$ I) I& [  u9 a从罩体零件成型过程初步试验结果分析可以看出:

(1)内外径尺寸都在设计的范围之内，但都靠近尺寸的极限偏差。在设计凹模、芯轴时尽管考虑了回弹的影响，但是回弹的方向有一定的差异;
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4 t% G3 _! o- n: Y! i+ H(2)底厚采用了5mm的板料，并且设备的下始点得到有效控制，因此底厚一致性较好;

(3)内外壁高度有较大差异，而内外径尺寸又基本一致，说明凸模与下工作台面的垂直度不好，需要调;

(4)冲压冷锻成形工艺的成型力很小。在成形过程中，设备上压力表基本都显示为不超过15MPa。其中弯曲变形阶段为5MPa,弯曲一挤压变形阶段为6MPa，挤压变形阶段为10MPa,精整阶段为14MPa;
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  i6 k$ v5 _/ A(5)罩体冲压冷锻件表面光滑，粗糙度完全能满足图纸和用户的要求。
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) A) p% z) l, [# P4结论

从罩体零件模拟成型过程以及初步试验结果分析可以看出:罩体类零件冲压冷锻成形模拟结果以及模拟中的次序和变形趋势，都与实际试验结果吻合得较好。主要优点概括如下:
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+ g% X6 X/ ]# f; a6 J" b(1)通过数值模拟，直观再现了罩体类零件冲压冷锻成形过程。通过对工件的可成形性分析做出是否可制造的早期判断，通过对模具方案和冲压冷锻工艺的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少试模次数，缩短开发周期;
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4 ]$ C; N% l) j" q, a2 H  A6 B(2)通过缺陷模拟来制定缺陷预防措施，改进工艺设计，增强模具结构设计以及冲压冷锻工艺的可靠性，减少生产成本;

- B1 ~( `, }" ?" d1 a' y(3)计算机模拟技术的应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可以通过虚拟的冲压冷锻成形模拟，提高工艺人员的经验。