曹可可，汪洪峰.，朱增寶，儲(chǔ)杰，祝夢(mèng)臣，宋娓娓

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南，232001；2.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山，245041；3.黃山三佳誼華精密機(jī)械有限公司，安徽 黃山，245041)

換熱器翅片是指換熱裝置中進(jìn)行熱傳遞的金屬片，是空調(diào)中最主要的部件。近年來(lái)，人們生活水平不斷提高，空調(diào)的需求量越來(lái)越大，為了提高能源效率、降低成本，對(duì)換熱器翅片材料鋁箔厚度的要求也越來(lái)越薄。而翅片的成形工序又較復(fù)雜，主要有拉深(多次拉深)、成形、沖孔翻直邊、二次翻邊等工序。所用鋁箔材料較薄，厚度一般為0.1 mm左右，在拉深工序中容易出現(xiàn)起皺和破裂，直接影響了翅片的成形質(zhì)量[1-3]。沖壓成形過(guò)程是極其復(fù)雜的彈塑性變形力學(xué)問(wèn)題，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)及公式無(wú)法對(duì)其成形問(wèn)題進(jìn)行分析與描述，往往會(huì)增加試模次數(shù)，進(jìn)而增加了模具設(shè)計(jì)周期與生產(chǎn)成本[4]。因此，運(yùn)用CAE軟件對(duì)翅片的拉深成形過(guò)程進(jìn)行模擬分析，對(duì)指導(dǎo)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較重要的工程意義。

目前，對(duì)換熱器翅片成形仿真模擬，通常采用的是單工位多工序方法。文獻(xiàn)[5]對(duì)換熱器翅片的翻邊孔沖壓成形進(jìn)行仿真模擬，驗(yàn)證了摩擦因數(shù)對(duì)其成形的影響；文獻(xiàn)[6]對(duì)翅片多次拉深工序進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)了在拉深成形中出現(xiàn)的缺陷; 文獻(xiàn)[7]對(duì)換熱器翅片的沖壓成形進(jìn)行了多工位全工序數(shù)值模擬，研究了經(jīng)拉深、翻邊后的成形質(zhì)量。

文中對(duì)空調(diào)換熱翅片拉深成形中的不同工位和工序進(jìn)行連續(xù)沖壓模擬，重現(xiàn)了沖壓成形時(shí)發(fā)生的破裂、起皺等問(wèn)題，通過(guò)增大第5道次拉深凸模圓角半徑使該問(wèn)題得到了解決；以沖壓速度、模具間隙、壓邊力和摩擦因數(shù)作為翅片成形質(zhì)量的影響因素，通過(guò)正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)成形后板料的最大減薄率影響，選出最優(yōu)方案組合參數(shù)，并模擬驗(yàn)證了該方案合理，為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。

1 翅片結(jié)構(gòu)及成形工藝分析

某空調(diào)換熱翅片結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1，列距為21 mm，孔距為50.8 mm。該空調(diào)翅片由翻邊孔和波紋片2個(gè)基本單元組成，翻邊孔深度為1.4 mm，遠(yuǎn)大于材料的厚度，需要經(jīng)過(guò)多步工序才能成形，該翅片的成形工序見(jiàn)圖2。拉深是翅片沖壓成形的最重要的工序之一，其成形結(jié)果直接決定翅片質(zhì)量[8-10]，所以，文中主要對(duì)翅片的拉深成形進(jìn)行仿真模擬。

圖1 空調(diào)翅片結(jié)構(gòu)Fig.1 The air conditioner fin structure

圖2 翅片成形工序Fig.2 The fin forming process

2 級(jí)進(jìn)拉深多工序有限元模型建立

2.1 幾何模型的建立

空調(diào)換熱翅片是由許多翻邊孔規(guī)則排列組成，其主要工藝流程為：拉深(多道次拉深)、沖孔、翻邊等，在沖壓成形過(guò)程中不同工位和工序之間的連接區(qū)域材料的流動(dòng)性比較復(fù)雜，影響成形質(zhì)量，為更接近實(shí)際的級(jí)進(jìn)沖壓過(guò)程，減少坯料網(wǎng)格數(shù)量、提高仿真效率，取2列翻邊孔進(jìn)行多工位多工序仿真模擬。如圖3所示為SolidWorks建立的凸凹模、條形鋁箔幾何模型，并導(dǎo)入Dynaform中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖4所示為模型網(wǎng)格劃分圖，其中鋁箔最小單元尺寸設(shè)為2 mm，壓邊圈通過(guò)軟件偏置而成。仿真成形過(guò)程中每完成一次拉深成形后，條形鋁箔會(huì)自動(dòng)沿著級(jí)進(jìn)方向移動(dòng)一個(gè)孔距，軟件會(huì)將包含鋁箔成形后應(yīng)力應(yīng)變等信息的結(jié)果文件dynain自動(dòng)導(dǎo)入到下一個(gè)工序，實(shí)現(xiàn)鋁箔在不同工位的多工序連續(xù)沖壓成形。

圖3 翅片拉深工序三維模型Fig.3 The three-dimensional model of fin drawing process

圖4 模型網(wǎng)格劃分Fig.4 The model meshing

2.2 模型材料

換熱器翅片用的鋁箔主要牌號(hào)有8011，1100和8006等鋁合金，狀態(tài)主要有H22，H26 和O態(tài)等狀態(tài)。模擬所用的鋁箔材料為1100， O態(tài)，料厚為0.1 mm，部分力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表1。在Dynaform中對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行編輯，選用Bwlytschko-Tsay單元類(lèi)型，36號(hào)三參數(shù)Barlat屈服準(zhǔn)則模型材料進(jìn)行分析[8]。

表1 AA1100鋁箔力學(xué)性能Table 1 The mechanical properties of AA1100 aluminum foil

3 有限元數(shù)值模擬

3.1 成形參數(shù)設(shè)置

數(shù)值模擬主要成形參數(shù)設(shè)置如下：虛擬沖壓速度為2 000 mm/s，壓邊力為1 000 N，摩擦因數(shù)為0.125?？照{(diào)換熱器翅片拉深成形過(guò)程中總共有5道次拉深工序，每道次工序的拉深參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 5道次拉深工序模具參數(shù)Table 2 Five-step drawing process mold parameters

3.2 模擬結(jié)果

基于Dynaform對(duì)空調(diào)換熱器翅片拉深工序進(jìn)行多工位多工序連續(xù)沖壓仿真模擬，結(jié)果見(jiàn)圖5，可看出第1至第4道次拉深工序翅片主體單元都在安全范圍之內(nèi)。在鋁箔2個(gè)相鄰拉深部位之間的連接區(qū)域出現(xiàn)起皺趨勢(shì)，這是由于在拉深時(shí)此區(qū)域受到雙向拉力引起的輕微應(yīng)變，屬于正常情況。起皺最明顯的區(qū)域是鋁箔周邊，可通過(guò)修邊工序剪切掉。

5道次級(jí)進(jìn)拉深最大減薄率見(jiàn)表3。一般認(rèn)為拉深件在拉深過(guò)程中最大減薄率在30%以?xún)?nèi)都是正常的[6]。由表3可知：第1至第4道次最大減薄率都小于30%，第5道次拉深最大減薄率達(dá)到了31.867%，超出正常范圍。如圖6所示，在成形極限圖中可以看出：第5道次拉深后凸模圓角處出現(xiàn)破裂，這是由于在第5道次拉深時(shí)凸凹模間隙及圓角都相對(duì)減小，拉深過(guò)程中鋁箔在凸模圓角與直壁相切處的拉應(yīng)力最大且隨著拉深位移增大而增大，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)鋁箔的抗拉極限時(shí)，板料破裂[11]。

(a)1道次;(b)2道次;(c)3道次;(d)4道次;(e)5道次圖5 5道次級(jí)進(jìn)拉深成形極限圖Fig.5 Five-step progressive drawing forming limit diagram

表3 5道次級(jí)進(jìn)拉深最大減薄率Table 3 Maximum thinning rate of five-step progressive drawing

圖6 第5道次拉深破裂部位Fig.6 Cracking position of step 5 drawing

4 成形工藝優(yōu)化

4.1 凸凹模圓角結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在成形參數(shù)設(shè)置時(shí)，如果凸凹模圓角半徑過(guò)小，鋁箔在圓角半徑處應(yīng)力過(guò)大，易造成局部嚴(yán)重變薄甚至破裂。如果凸凹模圓角過(guò)大，會(huì)減小鋁箔與凸凹模端面的接觸面積，拉深時(shí)易起皺。

拉深成形時(shí)在凸模圓角與直壁相切處應(yīng)力應(yīng)變最大，最容易在該部位產(chǎn)生破裂危險(xiǎn)，因此，將第5道次拉深凸模圓角半徑從0.8 mm增大到1.0 mm，然后對(duì)翅片拉深成形工序進(jìn)行仿真模擬，得到成形極限圖及最大減薄率見(jiàn)圖7，增大凸模圓角半徑解決了破裂問(wèn)題，同時(shí)，最大減薄率從31.867%減至24.718%，提高了成形質(zhì)量。

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后拉深成形極限圖及最大減薄率Fig.7 Drawing forming limit diagram and maximum thinning rate after structural optimization

4.2 基于正交試驗(yàn)優(yōu)化其他拉深成形參數(shù)

為了減少試驗(yàn)次數(shù)，采用正交試驗(yàn)法對(duì)翅片拉深成形參數(shù)進(jìn)行分析，其中摩擦因數(shù)、模具間隙、壓邊力和沖壓速度4個(gè)因素對(duì)翅片的成形質(zhì)量具有顯著的影響，每個(gè)因素取3個(gè)水平，因素水平劃分見(jiàn)表4，采用L9(34)四因素三水平正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)研究[12]，分為9種組合方案進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 因素水平表Table 4 Table of factors and levels

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 5 Orthogonal test plan and results

基于優(yōu)選工藝成形參數(shù)組合，對(duì)翅片5道次拉深工序仿真模擬，結(jié)果見(jiàn)圖8。拉深過(guò)程都在安全范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)破裂，鋁箔最大減薄率為18.82%，最小厚度為0.81 mm，成形質(zhì)量得到明顯提高。

以最大減薄率作為評(píng)估依據(jù)進(jìn)行直觀分析，從正交試驗(yàn)結(jié)果中得到各因素水平下的減薄率之和K1～K3及平均值k1～k3,并結(jié)合極差法對(duì)其進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表6。各因素對(duì)鋁箔最大減薄率的影響趨勢(shì)圖見(jiàn)圖9，要使成形時(shí)減薄率達(dá)到最小，最優(yōu)水平組合為A1B3C2D1,即沖壓速度為1 000 mm/s 、壓邊力為1 000 N、第1至第4道次凸凹模間隙為0.4 mm、第5道次凸凹模間隙為0.35、摩擦因數(shù)為0.1。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 6 Analyses of orthogonal test results %

以模擬優(yōu)化后的最優(yōu)成形參數(shù)組合指導(dǎo)沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)際拉深成形試驗(yàn)，實(shí)際試模結(jié)果見(jiàn)圖10，成形質(zhì)量較好無(wú)明顯起皺、破裂現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)實(shí)物圖進(jìn)行剖開(kāi)并在5處區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記，利用千分尺測(cè)量對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)厚度見(jiàn)表7，由表7可知：換熱器翅片模擬厚度與實(shí)際拉深成形后的厚度基本吻合，從而驗(yàn)證了模擬的正確性。

(a)成形極限圖; (b)最大減薄率;(c)厚度圖8 優(yōu)化后的成形極限圖、厚度及最大減薄率Fig.8 Optimized forming limit diagram, thickness and maximum thinning rate

(a)沖壓速度;(b)壓邊力;(c)凸凹模間隙;(d)摩擦因數(shù)圖9 各因素水平對(duì)最大減薄率的影響Fig.9 Influence of various factors and levels on the maximum thinning rate

(a)翅片拉深實(shí)物圖;(b)模擬厚度圖10 模擬厚度及測(cè)量厚度Fig.10 The simulated and measured thickness

表7 模擬厚度和測(cè)量厚度Table 7 The simulated and measured thickness

5 結(jié)論

1)通過(guò)Dynaform對(duì)翅片拉深成形中不同工位和工序進(jìn)行連續(xù)沖壓仿真模擬，重現(xiàn)了成形過(guò)程中發(fā)生的起皺、破裂等問(wèn)題，確定了破裂區(qū)域，將翅片第5道次拉深凸模圓角半徑從0.8 mm增大至1.0 mm，使最大減薄率從31.867%減至24.718%。

2)采用正交實(shí)驗(yàn)結(jié)合極差法分析確定了對(duì)空調(diào)翅片拉深成形后影響最大減薄率的順序?yàn)闆_壓速度、壓邊力、凸凹模間隙和摩擦因數(shù)，同時(shí)得到了最優(yōu)拉深成形參數(shù)組合。

3)將最優(yōu)成形參數(shù)組合進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果顯示與實(shí)際翅片拉深成形厚度基本吻合，驗(yàn)證了模擬的正確性。