發動機用特種油濾網沖壓過程質量控制

李智軍，徐向毅，寧建華，李 飛

(1.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100)2.空軍裝備部駐西安地區軍事代表局第八軍事代表室，陜西 西安 710065)

0 引言

油濾網廣泛應用于航天、航空、汽車、石油化工等行業，在發動機、閥門、管路液壓系統中起到過濾雜質、保護系統的重要作用[1]。油濾網一般采用編制絲網制成，小孔徑、薄壁平面結構，某發動機使用的特種油濾網橫截面呈“W”型(見圖1)，通過薄壁帶材(厚度僅0.15 mm)加工而成，曲面和側壁上按規則排列分布著2 600多個φ0.1 mm、垂直于濾網曲面的小孔。相比于傳統的平面油濾網，W型特種油濾網采用異型截面結構，彈性好，抗沖擊能力強，可以更好地保障系統的穩定性。

圖1 W型油濾網橫截面輪廓及孔分布

分析認為W型油濾網適合采用沖壓成形工藝[2-7]，首先將平面狀態的帶材進行打孔，然后進行沖壓成形。文獻研究表明，零件沖壓成形過程中，材料容易出現過度減薄、拉裂現象，邊緣區域也容易出現起皺和制耳現象。為防止起皺，通常在帶材邊緣放置壓邊圈，壓邊圈上施加一定的軸向壓邊力，如圖2(a)所示，壓邊力大小要合適，壓邊力太大時，帶材被壓區域材料流動減慢，其他區域材料減薄嚴重，產生拉裂；壓邊力太小時抗皺效果不理想，成形零件邊緣處仍有微小皺紋[8-11]。對于W型油濾網沖壓過程，如圖2(b)所示，谷底區域材料變形量最大，為材料拉裂區，外緣區域材料為自由端，極易產生起皺，屬于起皺區(見圖1)。凸模外緣、帶材外徑空間很小(見圖2(b))，僅為1 mm，很難施加用于抗皺的壓邊圈，而且油濾網整體尺寸小(外徑僅為10 mm)，壓邊圈上壓邊力需要脫離凸模之外獨立施加，受空間限制，運動機構設計和操作難度極大，即使設計和制造出精密的沖壓成形模具，制造和維護成本極高，生產效率低，不適用于大批量生產[8]。因此，開展不帶壓邊圈的W型油濾網沖壓過程分析，從模具和工藝優化角度突破，研究和獲得產品缺陷和尺寸等質量控制方法，形成穩定的成形工藝和質量控制措施，是W型油濾網高質量、高效生產的重要技術途徑之一[12-15]。而且，隨著發動機對“C型”等結構形式特種油濾網需求的增加，開展W型油濾網沖壓過程分析和質量控制研究已成為特種油濾網成形技術領域需要解決的基礎問題。

圖2 沖壓過程及模具示意圖

因此，本文基于有限元對W型油濾網沖壓過程進行仿真分析[16-19]，研究起皺拉裂現象，在此基礎上，開展模具結構和沖壓工藝優化，設計沖壓模具，基于試生產結果，開展沖壓過程質量控制研究，形成質量控制措施，并進行批量生產檢驗質量控制措施的有效性。

1 生產工藝及質量控制難點分析

W型油濾網生產主要包括如下工序：

激光打孔采用激光切割機進行精密加工，首先對帶材進行小孔激光切割，然后進行外圓切割(見圖3)。由于激光切割機加工精度高(≤0.005 mm)，因此小孔直徑、孔位置精度以及外圓直徑可以通過設備和程序保證。冷沖壓為塑性成形過程，成形中受材料、幾何、結構以及接觸表面摩擦、潤滑狀態影響，成形后產品質量差異較大。冷沖壓后，油濾網外徑φA和高度H為最終尺寸，不進行二次加工，防止后續車削加工導致小孔堵塞、受壓變形等導致零件報廢。

圖3 成形用帶孔坯料

可以看出，W型油濾網生產過程中的關鍵工序是沖壓成形，由于油濾網外徑、高度及橫截面尺寸要求高，沖壓過程質量控制難度很大，實際沖壓成形過程中出現的質量問題主要包括：

1)拉裂。孔間距小，孔結合強度不高(水平和垂直兩方向間距為0.18 mm和0.21 mm)，沖壓時容易導致W型橫截面谷底區域的小孔發生變形，嚴重時出現孔拉裂現象。

2)起皺。材料在沖壓過程中側壁部分材料徑向收縮，容易發生失穩起皺，起皺區域如圖1所示。

3)尺寸超差。材料在沖壓過程中存在周向不均勻變形，導致油濾網發生橢圓，尺寸超差；帶材沖壓后產生不可避免的回彈，油濾網橫截面尺寸和輪廓尺寸超差；帶材初始下料尺寸(帶孔平面帶材的直徑尺寸，沖壓后為W型油濾網外徑φA)超差。

匯總W型油濾網成形過程質量問題，并對其原因進行簡要分析如下：

1)拉裂和起皺都是由于沖壓工藝不合理引起的，例如模具間隙小，材料流動緩慢；沖壓過程凸模壓下速度過大。

2)尺寸超差中，油濾網橢圓是由于工藝設置不當造成的，例如凸模壓下速度過大。油濾網橫截面尺寸和輪廓尺寸(包括直徑、高度)超差主要是由于材料回彈引起的，此外，下料尺寸不合理、模具參數不合理也會造成尺寸超差。

2 濾網沖壓過程質量控制

2.1 研究思路

首先進行歸因分析。沖壓過程的參數主要有：①材料參數，包括材料屈服強度、彈性模量、抗拉強度、延伸率等；②模具參數，包括模具間隙、凹模圓角半徑、W型弧面半徑、W型開口角；③工藝參數，包括摩擦系數、凸模壓下速度、帶材下料尺寸。上述參數中，由于材料在一個生產批次內不發生變化，這里只做輸入參數，不作研究。生產中選擇固定低摩擦潤滑油，摩擦系數影響忽略不計。通過分析，剩余的模具參數和工藝參數中，可能導致成形缺陷類質量問題的參數有：模具間隙、凹模圓角半徑、凸模壓下速度；可能導致尺寸超差類質量問題的參數有：W型弧面半徑R、W型開口角α、帶材下料尺寸。

基于上述分析，結合沖壓過程，提出研究思路如圖4所示。

圖4 研究思路

1)仿真分析。建立有限元模型，進行沖壓有限元分析和缺陷分析；進而進行工藝優化，修改有利于改善起皺和拉裂趨勢的結構參數和工藝，包括模具間隙、凹模圓角半徑、凸模壓下速度，重新進行仿真計算，將濾網外側起皺和谷底拉伸控制在合理范圍內。

2)尺寸優化設計。主要針對材料在沖壓過程中出現的回彈。首先計算濾網回彈量，通過修改模具結構尺寸，包括W型弧面半徑、W型開口角，反算補償回彈量；然后計算材料拉伸量，確定帶材最終下料尺寸。

3)試驗。設計并加工帶有定位和導向槽的沖壓模具，進行濾網加工，檢驗零件尺寸，并進行反復修改，確定帶材最終下料尺寸、模具尺寸。

2.2 濾網沖壓過程仿真分析

根據圖1所示的零件尺寸，計算出帶材初始下料尺寸，設計沖壓模具基本結構如圖2(b)所示，通過一次沖壓完成。為了模擬沖壓過程中的缺陷，本文基于ABAQUS建立三維整體有限元模型。模型中，設置模具為剛性體，帶材為變形體，采用S4R單元(4節點平面縮減積分單元)進行網格劃分。材料為1Cr18Ni9Ti，室溫下材料初始屈服強度σs=240 MPa，抗拉強度σb=595 MPa，延伸率δ=57%，彈性模量E=198 GPa。冷沖壓過程中采用20號航空液壓油潤滑，摩擦系數0.14。考慮到計算效率，分別建立無孔和有孔的三維有限元模型。首先采用無孔帶材三維模型研究，目的是為了快速進行仿真計算，用于缺陷研究并形成控制方法，其次采用有孔帶材的三維模型進行二次模擬研究，用于驗證無孔帶材三維模擬的正確性。

2.2.1 無孔帶材沖壓過程模擬

圖5給出了無孔帶材沖壓后結果，可以看出，帶材邊緣出現了起皺現象，波谷處等效塑性應變最大值為0.40，略小于應變極限值0.451(延伸率57%對應值)，材料在此處的拉伸較大，有一定的拉裂趨勢。

圖5 沖壓無孔帶材時的起皺現象

采用單因素法，分別依次改變模具間隙為0.00、0.02、0.04、0.06 mm；凹模圓角半徑為0.15、0.18、0.2、0.22 mm；凸模壓下速度為0.1、0.5、1.0、2.0 mm/min；仿真分析中以谷底區域等效塑性應變PEEQ最大值和外緣起皺程度為觀測指標，得到上述各參數的優化值。確定模具間隙在0.04 mm，凹模圓角半徑0.2 mm時有利于減小起皺和拉裂趨勢，凸模壓下速度減小有利于減小起皺和拉裂趨勢，但到一定程度后對結果無影響，取0.5 mm/min。采用參數優化值重新進行仿真得到沖壓結果如圖6所示。從圖6可以看出，帶材邊緣的起皺現象得到極大的緩解，波谷處等效塑性應變最大值為0.32。

2.2.2 有孔帶材沖壓過程模擬

在參數優化后無孔帶材沖壓過程基礎上，考慮實際有孔帶材沖壓過程孔變形以及應力變化，從而評估有限元模型的合理性。模擬時，由于采用全打孔帶材進行仿真，計算效率非常低，考慮到孔沿周向分布的對稱性，在沖壓過程中，十字區域四處材料的受力變形基本可以反映整體周向360°的情況，因此，為了提高計算效率，采用十字打孔帶材進行特征分析，通過分析十字打孔區域材料的應力應變行為，近似獲得全孔帶材沖壓過程整體變形情況。同時，為了充分反映有孔區域材料在沖壓過程的受力和變形情況，選擇4～5排孔十字交叉孔進行仿真分析，結果如圖7所示。通孔在W型谷底處變形量最大，最大應力和等效塑性應變分別為562 MPa和0.31。圖6和圖7結果對比表明確定的工藝和模具參數是合理的。圖7所示成形后的零件橢圓度≤0.05 mm，滿足≤0.1 mm的尺寸要求。分析零件橢圓度產生的原因是由于材料局部拉伸減薄不均勻導致的。通過調整模具間隙、凹模圓角半徑以及凸模壓下速度，不僅可以有效防止起皺、拉裂等缺陷的產生，而且可以顯著降低零件的橢圓度。

圖7 十字打孔帶材沖壓成形結果

2.3 參數優化設計

在完成缺陷控制基礎上，開展模具參數優化研究，同時進行帶材下料尺寸計算。對影響回彈的兩個主要參數：W型弧面半徑R和W型開口角α進行計算(見圖8)，計算公式為

圖8 回彈主要影響參數

Dadjust+Dadjust·s=Ddesign

(1)

式中：Dadjust為調整尺寸；s為調整尺寸Dadjust的回彈率；Ddesign為設計尺寸。公式(1)可以寫為

Dadjust=Ddesign/(1+s)

(2)

對于薄板類沖壓件，回彈率初始值按8%～15%計算，代入式(2)，進行仿真計算，得到凹模W型弧面半徑為原始值的88.4%(弧面半徑設計值為9.5±0.05 mm，模具尺寸為8.4 mm)，W型開口角為原始值的90%(W型開口角α設計值為10°，模具為9°)。通過有孔帶材沖壓過程模擬，計算出材料的延伸率7%左右，近似得到帶材的初始下料尺寸。

2.4 模具設計和試驗

2.4.1 模具設計

模具設計原則如下[20]：

1) 關鍵結構尺寸參考計算尺寸；

2) 采用沖壓模具成形設備通用的接口形式；

3) 保證沖壓成形過程中凸、凹模的定位精度、帶材的定位精度；

4) 充分考慮模具加工成本，選擇強度合適、不易產生彈性變形的材料作為模具加工材料；

5) 考慮成形中模具封閉腔內、外的壓力平衡；

6) 成形后W型油濾網便于拆卸。

依據上述原則，設計模具如圖9所示。凹模、凸模依靠同軸的定位面保證定位精度，凹模內有一淺槽，薄壁帶材嵌入淺槽中進行定位，徑向與凹模淺槽有一定間隙保證定位精度。由于潤滑油的作用，模具內部容易形成密閉腔，沖壓時腔內壓力增加，使得帶材受壓變形。為防止這一現象的發生，在凹模底部增加一排氣孔，兼用于成形后W型油濾網的頂出。排氣孔位置要偏離承壓較大的中心線上，防止成形中模具對濾網造成壓傷。模具材料為Cr12MoV，表面拋光至≤Ra0.4，模具合模后，上下端面平面度要求≤0.04 mm，加工的沖壓模具如圖10所示。

圖9 濾網沖壓模具設計

圖10 W型油濾網沖壓模具

2.4.2 試驗

為了充分驗證有限元仿真結果，加工優化前后兩套模具，分別采用優化前后的成形工藝進行試驗驗證，沖壓采用壓力試驗機(型號：TLS-S5000，最大試驗力5 000 N，壓力精度0.5 N)，結果如圖11所示。結果表明，采用優化前的模具和工藝加工的無孔試驗件，油濾網外緣發生明顯的起皺。采用優化后的模具和工藝，油濾網試件的外緣未發生起皺現象，放大鏡檢查通孔沒有出現拉裂現象，成形效果良好。采用YXLON X光機對W型油濾網進行橫截面無損檢測(見圖12)，橫截面尺寸滿足零件尺寸公差要求。采用萬能工具顯微鏡對谷底周圍的通孔進行放大檢測，孔存在一定的拉伸變形，孔形由圓形變為橢圓形，但橢圓長短軸直徑尺寸均在公差范圍內，通孔尺寸滿足設計要求。

圖12 W型油濾網X光檢測

圖11 優化前后W型油濾網試件成形質量對比

2.5 質量控制措施

實際生產過程中，針對試生產合格率不高的問題，對沖壓成形過程檢查出現的質量問題進行統計和分類，研究并匯總形成質量控制措施如表1所示。

表1 W型油濾網成形過程質量控制措施匯總表

3 實施效果

1)通過采取質量控制措施，進行W型油濾網3批次共300余件產品生產，產品合格率由40%提高至99%，驗證了質量控制措施的有效性；

2)產品交付經過發動機考核，無質量問題，驗證了產品生產的質量穩定性；

3)將W型油濾網質量控制措施及研究方法推廣應用于“C型”特種油濾網生產，產品合格率99%以上。

4 結論

針對發動機W型特種油濾網沖壓成形過程出現的拉裂、起皺缺陷以及尺寸超差等問題，通過有限元分析、試驗研究，獲得了優化工藝參數和模具結構尺寸；通過開展質量控制研究，形成具體的質量措施控制，產品合格率由40%提高至99%，優化后的加工工藝穩定，滿足批量生產交付要求。本文的質量控制措施及研究方法具有普適性，已推廣應用于“C型”特種油濾網生產。