空調閥門支架級進沖壓工藝的數值模擬優化分析

耿 佩，李軍超，陸俊江

（1.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；3.格力電器（重慶）有限公司，重慶 400039）

空調閥門支架級進沖壓工藝的數值模擬優化分析

耿 佩1，李軍超2，陸俊江3

（1.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089；2.重慶大學 材料科學與工程學院，重慶 400044；3.格力電器（重慶）有限公司，重慶 400039）

級進模沖壓成形中易出現起皺、破裂和成形精度低等缺陷。本文以某閥門支架零件為研究對象，采用多工步多工序的建模方法建立了級進模成形全工序有限元模型。對原有成形工藝參數進行優化，并借助Dynaform軟件對其進行全程數值模擬分析，得出良好的模擬結果。通過分析，證明該優化結果是可行的，可有效指導級進模成形零件的產品質量控制。

沖壓工藝；級進模成形；有限元模擬；支架零件

級進模沖壓成形過程中除了起皺和破裂缺陷，成形精度也是成形中的主要問題，這些缺陷主要受摩擦條件、模具幾何形狀、壓邊力、材料特性等工藝參數的影響[1]。不合理的工藝取值會導致板料出現起皺和拉裂等缺陷，這些缺陷不僅破壞零件的表面質量、降低零件的成形精度，甚至直接導致零件報廢。因此各種成形工藝參數對沖壓件成形質量的影響不容忽視，合理的沖壓成形工藝參數可以使板料在成形過程中變形均勻，提高材料的沖壓成形性，從而提高產品質量。

本文基于某閥門支架零件，采用多工步多工序建模的方法建立了其級進模成形的全工序有限元模型，針對級進模首次模擬成形出現的質量缺陷，基于工藝參數影響規律對其進行參數優化，并以優化后的工藝參數對級進模成形工藝再次進行數值模擬，最后進行實驗驗證。

1 級進模成形全工序有限元模型建立

空調閥門支架零件圖如圖1所示，材料為電鍍鋅板SECC，板厚1.45mm。該零件形狀復雜，需要多道工序加工成形，且零件需求量較大。要求零件成形后不能出現破裂和嚴重起皺缺陷，同時零件孔的精度要滿足要求。

圖1 零件尺寸結構圖

由零件圖可知，該閥門支架零件的成形需要淺拉深成形、沖孔、翻孔、折邊、彎曲等工序來完成。目前的生產方式為單工序生產，所需設備和工人數量都較多[2，3]。雖然成形工序和操作比較簡單，但生產效率低，成本高，半成品周轉占用空間大，而且單工序時多次定位造成尺寸精度不高，因此考慮用級進模在一臺機床上加工完成[4]。

級進模成形包含多個成形工步，所以采用多工步多工序的方法建立全工序有限元模型。該方法根據不同工步的成形工序建立各個工步的凸凹模網格模型，將所有工步的凸模作為一個整體，所有工步的凹模作為一個整體，凸模每動作一次，板料沿送料方向前進一個步距，實現板料在不同工步的連續成形[5]。因此基于Dynaform軟件所建立的級進模沖壓成形全工序有限元模型如圖2所示。

圖2 全工序有限元模型

2 級進模成形過程模擬

2.1 級進模有限元模擬關鍵技術

隨著計算機技術的快速發展以及有限元技術的日益成熟，有限元模擬技術在工程領域得到了廣泛應用。其中有限元分析軟件Dynaform在板料成形過程中應用比較廣泛[4，6]。

在級進模成形過程中通常有沖孔、拉深、彎曲、翻邊等工序，是一個多步沖壓成形過程，各個工步的成形板料是相互聯系的，一般最后工位所得的制件才是最終所需要的零件，而其他工步成形所得到的坯料都屬于半成品。坯料的幾何形狀、厚度以及材料的性能等在不同工位間會隨著不同的變形發生變化[4，7]。

因此，在進行級進模沖壓成形有限元分析時，后面工序的坯料信息應該是前一步坯料變形后的分析結果，包括坯料各節點的應力、應變、坐標值以及單元的實際厚度等信息。為保證前后不同工序之間的板料信息準確傳遞，應將上一步工序模擬結束后所生成的包含板料信息的Dynain文件作為下一步模擬時的坯料，進行下一步有限元模擬，依次類推直至所有工序模擬完成[8，9]。

2.2 級進模成形過程數值模擬

初次模擬參數設置為：虛擬壓邊速度V1=500mm/s，沖壓成形速度V2=2000mm/s，凸凹模間隙為1.1t（t為板料厚度），摩擦系數為0.125，壓邊力為20kN。基于以上模擬參數，得出前三工位數值模擬的成形極限圖如圖3所示。很明顯板料出現了起皺及破裂現象，說明工藝參數的選擇不盡合理，為了對零件成形質量進行有效控制，需要對成形工藝參數進行優化。

圖3 前三工位成形極限圖

2.3 參數優化及有限元驗證

從圖3可以看出，第一、二工位成形模擬結果中，板料底部圓角部位出現破裂現象，且板料起皺現象比較嚴重。對于圓角破裂現象，僅改變成形參數始終無法完全消除，因此需要修改底部圓角半徑大小，增大圓角半徑可以減小圓角部位材料流動阻力，從而改善圓角部位成形質量。如圖4所示，將模型底部圓角半徑由2.5mm增大為3.5mm。

圖4 模型圓角修改

而對于起皺現象，根據理論與生產經驗，一般與壓邊力大小關系緊密。一般較小的壓邊力，不能有效地控制材料的流動，板料容易出現起皺現象；而壓邊力較大時，雖然可以避免起皺的產生，但破裂趨勢也會明顯增加。初始壓邊力為20kN，為防止出現裂紋而又能有效減小起皺現象，此處綜合考慮將壓邊力增大到29kN。

按照修改后的凹模重新進行有限元模擬，模擬結果如圖5所示，由成形極限圖可以看出，增大凹模底部圓角半徑和修改壓邊力后，成形質量得到了改善，底部圓角沒有出現破裂現象，起皺現象減輕，成形質量良好。

圖5 優化后前三工位的成形極限圖

通過前期的工藝參數優化，主要成形部分變形良好，成形參數基本已定，根據前三工位變形結果，作為后續變形板料，繼續進行后續工位的模擬，最終得到零件的成形模擬結果，其成形極限圖如圖6所示，厚度變化如圖7所示。

圖6 優化后成形極限圖

圖7 優化后厚度分布圖

由成形極限圖可以看出，零件沒有出現開裂，起皺現象也得到了一定控制。測得板料最大減薄率為28.89%，最大增厚率為4.93%，均滿足成形要求，說明了優化成形參數的可行性。雖然板料部分區域仍有起皺，但起皺造成的增厚率在要求范圍內，而且零件后續要噴漆處理，所以不會對零件質量造成影響。

3 實驗驗證

數值模擬結果說明了優化參數的合理性，因此將優化后的成形工藝參數統一應用到該支架零件級進模成形的生產試制過程中，得出零件實物圖如圖8所示。經檢驗，零件試制結果與數值模擬結果相吻合，制件沒有出現破裂，起皺缺陷也得到改善。

圖8 零件實物圖

4 結論

（1）對某閥門支架零件進行工藝分析，確定級進成形工藝方案，并建立級進模成形的全工序有限元模型，使有限元模擬過程和實際的級進模生產過程相吻合。

（2）借助Dynaform對該零件級進成形過程進行數值模擬，并針對圓角破裂與起皺嚴重現象對工藝參數的設置進行分析并優化。

（3）基于優化后的工藝參數，完成了最終零件的全工序數值模擬過程，并得到最終零件的成形極限圖和厚度分布圖，經分析得知零件厚度減薄率、增厚率等參數均在允許范圍內，符合零件最終要求。最終進行產品試制，試制結果與模擬結果相吻合，證明優化參數的正確性，并說明了優化模擬過程對實際生產有很大的指導作用。

[1]楊連發，孫希延，李泉永.板料拉深成形數值模擬的關鍵技術[J].現代機械，2002，（3）：49-52.

[2]段來根.多工位級進模沖壓與自動化[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]賈俐俐，柯旭貴.沖壓工藝與模具設計[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[4]李 崇.基于數值分析的空調閥門支架級進沖壓工藝設計及優化[D].重慶：重慶大學，2013.

[5]李軍超，王 賓，周同貴，等.基于數值模擬和響應面法的級進模成形優化[J].中南大學學報（自然科學版），2014，46（1）：66-72.

[6]丁華天，杜佳東，等.基于數值模擬的封蓋沖壓工藝及模具設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（1）：79-81.

[7]張驥超，劉 罡，林忠欽，等.側圍外板沖壓工藝穩健性優化設計[J].上海交通大學學報，2012，46（7）：1005-1010.

[8]盈 亮，賈治域，等.高強度鋼板熱沖壓成形工藝的改進[J].鍛壓裝備與制造技術，2013，48（1）：75-78.

[9]Wang Hu，Li Enying，Li Guang Yao.Optimization of drawbead design in sheet metal forming based on intelligent sampling by using response surface methodology[J].journal of materials processing technology 206（2008）45-55.

Optimized analysis of numerical simulation on progressive die forming process for air-conditioning value bracket

GENG Pei1,LI Junchao2,LU Junjiang3
（1.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China; 2.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China；3.Gree Electric Appliances（Chongqing）Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China）

Ruptures,winkles and low forming accuracy are the common forming defects for progressive die forming parts.Taking the valve bracket as the research object in the text,a finite element model (FEM)of complete progressive die forming process has been established with a multi-step and multi-process modeling approach.The original forming process parameters have been optimized.The complete numerical simulation has been analyzed by use of Dynaform software and good simulation result has been obtained.The analysis proves that the optimization results are feasible,which can effectively guide the quality control of the progressive die forming parts.

Progressive die forming;FEM model of complete process;Numerical simulation

TG386

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.026

1672－0121（2016）04－0085－03

2016－01－29；

2016－03－06

耿 佩（1987－），女，助教，從事塑性成形與模具設計研究。E－mail：gengpei119＠163.com