301 不銹鋼圓孔翻邊工藝CAE 分析與優化

趙博寧，李 宇，羅 若

（柳州鐵道職業技術學院裝備制造學院，廣西 柳州 545616）

301 不銹鋼不但具有良好的耐腐蝕性能，而且強度高，厚度薄，焊接性能好，冷加工容易，在汽車裝飾中被廣泛應用，如汽車雨刷，頭燈護圈，安全帶緊線器等[1]。

不銹鋼翻邊零件作為一種應用非常廣泛的沖壓件，在翻邊成形過程中易出現粘模、起皺、破裂等現象，成品率低。凸模圓角半徑和預制孔徑大小確定是翻邊成形工藝設計的關鍵。預制孔徑過小，孔口開裂嚴重；預制孔徑過大，成形高度不足，修邊余量過大；凸模圓角半徑過小，成形時，材料流動阻力增大，孔口開裂趨勢隨之增加；凸模圓角半徑過大，很難完全成形[2]。

以往，在圓孔翻邊成形過程中，預制孔徑的大小通常采用經驗公式計算，凸模圓角半徑通常采用反復修磨凸模圓角半徑、反復試沖來獲取合理的圓角半徑。這兩種方法使模具設計和生產周期加長，修磨凸模圓角對工人的技術要求水平高，而且修磨難度大。針對不銹鋼翻邊工藝，僅憑現有工藝方法已經不能滿足其零件成形質量的要求，其關鍵在于工藝參數的合理確定和模具結構的設計。

本文針對上述問題，采用有限元軟件Dyanform，以301 不銹鋼圓孔翻邊件（圖1）為研究對象，對不同的凸模圓角半徑和預制孔徑分別進行數值模擬，從而確定其成形過程中，凸模圓角半徑和預制孔徑的最佳合理參數，目的是降低301 不銹鋼在翻邊成形過程中模具設計、生產和調試的時間，達到降低生產成本的目標。

圖1 不銹鋼翻邊件

1 圓孔翻邊理論計算

1.1 計算預沖孔直徑

式中：d 為預制孔孔徑；D 為內孔翻邊后的孔徑；H 為內孔翻邊后的豎邊高度；r 為內孔翻邊后的內圓周半徑；t 為坯料厚度[3,4]。

由圖1 可知，D=?19.5mm，H=15.2mm，r=1mm，t=1mm，代入公式（1）后計算可得

d=?12.8 mm

1.2 一次翻邊后豎邊極限高度

式中：Hmax為翻邊后豎邊極限高度；D 為翻邊后孔徑；Kmin為極限翻邊系數；rd為翻邊凹模圓角半徑；t為坯料厚度。

代入數據D=19.5mm，Kmin=0.52，r=1mm，t=1mm，計算得,其值大于工件要求翻邊高度4.5mm，所以能一次翻邊成形。

1.3 凸凹模工作尺寸

在翻邊成形過程中，回彈現象是不可避免的，即翻邊件上孔的直徑比凸模的直徑小。因此，凸模、凹模按照翻邊件孔徑尺寸的上偏差加工。由圖2 可見，制件精度為IT13 級，凸模采用IT7 級，制件翻孔尺寸D0為18.5mm，則其公差Δ=0.021mm。為使翻邊回彈小，垂直度好，翻邊時，凸模和凹模之間的間隙小于制件的厚度，目的是使其稍微變薄[4]。圖1 所示制件厚度為1mm，凸模和凹模間隙Z/2=0.85t=0.85mm。

圖2 有限元模型

2 數值模擬

2.1 數值模擬方案

以公式1 計算的預制孔徑d=?12.8mm 為參考，分別以?13mm、?14mm、?15mm、?16mm 作為預制孔徑的模擬參數。

凸模底部圓角半徑要求≥4t（t 為板料厚度）[5]，圖1 所示翻邊件的厚度為1.0mm，因此以4.0 mm 為參考，設置增量為1mm，直至凸模底部圓角半徑至9.2605mm（凸模半徑）作為凸模底部圓角半徑作為模擬參數，最終建立表1 所示的模擬方案。

表1 模擬方案（mm）

2.2 有限元模型的建立

采用三維軟件UGNX 按照表1 數據逐一對毛坯、凸模、凹模進行建模，然后將其轉化為igs 格式文件導入Dynaform 進行沖壓參數設定。板料網格劃分采用均勻化的網格，網格大小為1mm。凸模和凹模采用非均勻化網格劃分，圓角部分網格大小為1mm，其余部分網格大小為2mm，壓邊圈采用凹模偏置，建立的有限元模型如圖4 所示[6]。

沖壓工序類型設定為雙動拉延，工具參考面選擇上、下模。毛坯以國產301 不銹鋼為板料材料，所用板料301 材料屬性如表2 所示。選取36 號模型[7]。工序中設置摩擦因數為0.125。壓邊工序BINDER 采用速度控制，速度為180 mm/s。拉延工序PUNCH 采用速度控制，速度為180 mm/s，DIE 靜止。BINDER控制方式為力控制，其值15000N，持續時間設定為位移控制，位移長度設定為20?？刂茀禃r間步長設定為-2.13e-008。

表2 301 材料參數

3 模擬結果

翻邊時，變形區基本限制在凹模圓角區內，凸模底部材料為主要變形區，處于切向、徑向兩向受拉伸應力狀態，切向應力在孔邊緣最大，徑向應力在孔邊緣為零。在整個變形區，材料都要變薄，而在孔的邊緣，變薄最為嚴重，翻邊完成后，零件翻邊的高度，將比變形區的寬度略有縮短，由于翻邊時最大拉伸發生在口部，當拉伸變形超過材料成形極限時，就會在此處產生縮頸或裂紋。因此本文主要從減薄率、成形高度、成形極限三個方面進行分析。

3.1 厚度最大減薄率

減薄率反映板料的減薄和增厚問題。通常，減薄率在3%～25%的制件出現拉裂的危險幾率都很低[7]，在允許的范圍內。圖3 為不同預制孔徑大小下，不同圓角半徑時零件的最大減薄率曲線圖。圖上0 代表無裂紋，1 代表有裂紋。由圖可見，預制孔徑為?14mm、?15mm、?16mm 時減薄率均在20%以下，而且隨著圓角半徑由4mm 變為9.2605mm 時，減薄率變化緩慢，說明當預制孔徑為?14mm、?15mm、?16mm 時，采用圓柱直角凸模時，增大凸模底部圓角半徑對成形減薄率影響不大。

圖3 減薄率變化曲線

由圖還可以看到，當凸模圓角半徑不改變時，減薄率隨著預制孔徑的增大而減小。再次說明減薄率和預制孔徑的大小有很大關系。當預制孔經為?13mm 時，減薄率最大，超過20%。當預制孔徑為?13mm 時，除了圓角半徑為8.0 時，其余圓角半徑狀態下均有破裂產生。而預制孔經為?13mm、?14mm、?15mm、?16mm 時都沒有裂紋產生[8]。

3.2 不同凸模圓角半徑下的成形高度

圖4 為數值模擬的翻邊高度值隨凸模圓角半徑變化的曲線圖。由圖4 可知，預制孔徑d=?14mm，?15mm、?16mm 時數值模擬后的零件的翻邊高度約位于4.65mm，3.96mm，3.37mm。與理論計算3.9mm，3.4mm，2.9mm 相差較大。?14mm 的模擬結果與零件要求的高度4.5mm 相差較近。

圖4 零件翻邊高度隨凸模圓角半徑變化曲線

綜合減薄率和成形高度兩個因素，RT=4.0，5.0mm，預制孔徑為d=?14mm 為最佳成形參數。

3.3 不同凸模圓角半徑下的成形極限

成形極限圖可以有效地體現板料成形過程中各部分的成形極限，圖5 為?14mm 時，RT=4.0mm，5.0mm 的成形極限圖。從圖5 可以看出: 凸緣區均沒有起皺產生，證明采用的壓邊力大小合適。圓角區均有起皺趨勢，但都不明顯，不影響成形質量。

圖5 不同預制孔徑下的成形極限圖

4 生產驗證

根據前面數值模擬得到的最佳的工藝參數設計凸模工作部分尺寸為，凸模圓角半徑rT=5mm，如圖6 所示。凹模工作部分尺寸為，凹模圓角半徑為rA=1mm，如圖7 所示。沖壓速度為180 mm/s，摩擦因數為0.125，模具間隙為2.55mm，壓邊為15kN。在型號為JB23-800t壓力機進行沖壓成形試驗，圖8 為采用RT=5mm 的301 不銹鋼翻邊件實物的照片，但是制件上的圓角半徑沒有達到零件圖要求的1mm，因為圓角半徑1mm太小，難以達到沖壓要求。從零件的成形高度和孔徑來看，基本上滿足要求。

圖6 凸模

圖7 凹模

圖8 合格產品

5 結論

（1）本研究依據傳統經驗方法確定凸模底部圓角半徑和預制孔徑的取值范圍，然后通過Dynaform對不同圓角半徑和預制孔徑的翻邊過程模擬仿真，最終找出圓角半徑和預制孔徑的最佳參數。因此可縮短凸模設計制作周期，減輕修磨勞動強度和盲目性，降低模具調試難度，從而達到降低生產成本的目標。

（2）導致翻邊破裂主要有以下原因：平底凸模底部圓角半徑太小和預制孔孔徑太小。

（3）取圓角半徑 RT=5.0mm，預制孔徑為d=?14mm，在現有設備的實際條件進行沖制，沖制的零件雖然有部分誤差，但是基本上符合要求，屬于合格產品。