劉存平，郭 晟，劉 勇，劉光虎，吳福洲

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引 言

不銹鋼水槽是當(dāng)前最常見的廚房用水槽，該水槽質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀精美，深受消費(fèi)者喜愛。盒型不銹鋼水槽成型具有一定難度，隨著板料成型技術(shù)的發(fā)展，不銹鋼水槽成型方式逐漸形成了以整體一次拉深為主。盒型不銹鋼水槽拉深過程伴隨著大的塑性變形過程，涉及到板料成型的應(yīng)力應(yīng)變及塑性強(qiáng)化和流動等非常復(fù)雜的多體接觸力學(xué)問題。傳統(tǒng)的模具工序計算和經(jīng)驗估值對產(chǎn)品的成型存在較大的誤差，甚至?xí)霈F(xiàn)錯誤的判斷，因此會產(chǎn)生大量的試制費(fèi)用并造成時間浪費(fèi)[1-6]。

筆者應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Dynaform對盒型不銹鋼水槽拉深過程進(jìn)行模擬分析，從而為生產(chǎn)時間中選擇合適的成型工藝參數(shù)提供參考。

1 不銹鋼水槽拉深過程仿真

1.1 模型建立

根據(jù)不銹鋼水槽零件圖尺寸和水槽的修邊余量，利用UGNX軟件建立不銹鋼水槽零件實體3D模型，如圖1所示分別為3D模型和實物零件圖。將建立好的3D模型導(dǎo)出并保存為IGS格式，以便進(jìn)行下一步的仿真分析。材料厚度設(shè)置為1.0 mm，材料為SS304。

圖1 水槽拉深零件實體與3D模型(模型凸緣已增加修邊余量)

1.2 不銹鋼材料性能

材料選用不銹鋼水槽常用材料SS304，其力學(xué)和物理性能如表1所列。

表1 Ss304不銹鋼力學(xué)及物理性能

1.3 模具參數(shù)設(shè)置

不銹鋼水槽拉深的凹模圓角半徑的大小設(shè)置為10 mm，拉深凸模圓角半徑設(shè)置為25 mm，按照一次拉深進(jìn)行設(shè)計，凹模圓角半徑與凸緣圓角半徑相等，凸模圓角半徑和零件底部圓角半徑相等，凸模和凹模間隙為1.1 mm，拉深模采用壓邊圈設(shè)置，初始壓邊力為100 kN。

1.4 毛坯尺寸確定

毛坯形狀和尺寸是影響水槽件質(zhì)量的重要因素，確定拉深毛坯形狀的方法也比較多，現(xiàn)在比較常用的有映射法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、計算機(jī)數(shù)值模擬法等，其中有限元法較為全面地考慮了板料成型中金屬的塑性流動等因素影響，具有較好的使用效果。本研究利用建好的3D零件模型，導(dǎo)入Dynaform軟件中，通過求解得到零件毛坯輪廓線，并制作成毛坯。

1.5 不銹鋼水槽仿真分析過程

(1) 實體建模：利用建模軟件UGNX建立不銹鋼水槽拉深模具，保存為IGS文件，并導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行處理。

(2) 建立分析模型：將IGS模型導(dǎo)入Dynaform，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，毛坯網(wǎng)格劃分并檢查。

(3) 仿真模型設(shè)置：利用Dynaform中的Autosetup功能進(jìn)行沖壓仿真初始設(shè)置，分別定義Blank、Die、Punch以及Binder，設(shè)置板料參數(shù)，劃分板料網(wǎng)格，設(shè)置初始壓邊力及恒定摩擦系數(shù)，完成設(shè)置后提交到Job submitter處理器進(jìn)行運(yùn)算，圖2為不銹鋼水槽求解模型。

圖2 水槽仿真求解模型

(4) 后處理：求解完成后可以獲得不銹鋼水槽零件的成型極限圖(FLD圖)、厚度變化云圖等，用于判斷零件成型性能。

2 工藝參數(shù)對拉深性能的影響分析

2.1 壓邊力對成型的影響

通過對不銹鋼水槽拉深成型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)成型過程中，部分區(qū)域會出現(xiàn)破裂和起皺問題。當(dāng)壓邊力過大時，易于導(dǎo)致水槽的破裂問題，當(dāng)壓力不足時，又易于導(dǎo)致水槽的起皺問題，所以控制好壓邊力可以有效控制不銹鋼水槽的成型過程。根據(jù)壓邊力公式：

Fq=Ap

式中：A為板料投影面積；p為單位壓力。根據(jù)相關(guān)資料可知，不銹鋼單位壓力介于2.5～4.5 MPa，在摩擦系數(shù)0.125不變的情況下，設(shè)定了不同的壓邊力，用以觀察壓邊力對不銹鋼水槽成型性能的影響。圖3所示分別為不同壓邊力下不銹鋼水槽成型極限圖。

圖3 不同壓邊力條件下的成型極限圖

圖3中發(fā)現(xiàn)，壓邊力為100 kN時，不銹鋼水槽凸緣部分出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的起皺問題，水槽側(cè)壁也出現(xiàn)了一定的起皺問題，水槽底部成型較好；壓邊力為700 kN，水槽凸緣起皺問題依然存在，嚴(yán)重起皺問題消失，側(cè)壁起皺問題變小或者消失；當(dāng)壓邊力為1 300 kN，凸緣部分起皺趨勢變小，起皺問題基本消失，底部和側(cè)壁成型效果較好；壓邊力為1 400 kN，由于壓邊力過大，材料流動性變差，導(dǎo)致不銹鋼水槽圓角部分出現(xiàn)破裂。通過應(yīng)力和成型極限圖分析，材料厚度減薄情況最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在水槽內(nèi)側(cè)直壁與相鄰凹模圓角部分，材料厚度增厚最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在零件凸緣部分。圖4為不同壓邊力情況下的減薄率和增厚率趨勢圖。

圖4 不同壓邊力情況下的減薄率和增厚率趨勢圖

從圖4可以看出隨著壓力增大，同一深度最大減薄率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其中在700 kN時出現(xiàn)了最小減薄率。同時，增厚率線圖基本呈穩(wěn)步下降的趨勢。從材料流動角度分析，在其他條件不變的情況下，壓邊力越小，越有利于不銹鋼水槽直壁及其相鄰圓角部分材料的流入。

2.2 摩擦系數(shù)對拉深影響

在實際生產(chǎn)中通常通過涂抹潤滑油等方式改變板料與模具之間的摩擦力，在進(jìn)行仿真時通過改變摩擦系數(shù)來達(dá)到改變板料與模具之間的相互摩擦作用。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，板料與模具之間的摩擦系數(shù)范圍一般為0.05～0.15之間。在壓邊力為700 kN，模具間隙1.1 mm，沖壓速度5 000 mm·s-1的條件下，設(shè)置模具與板料之間的摩擦系數(shù)，利用Dynaform進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。圖5為不同磨擦系數(shù)條件下的成型極限圖，從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)增大，盒型件側(cè)壁和凸緣起皺現(xiàn)象逐漸趨緩，同時側(cè)邊與圓角交界處部分拉裂風(fēng)險逐漸加大，當(dāng)其他條件不變，摩擦系數(shù)為0.18時，出現(xiàn)了拉裂問題。

圖5 不同摩擦系數(shù)條件下的成型極限圖

圖6為不同摩擦系數(shù)情況下的減薄率和增厚率趨勢圖，從圖中可以看出板料的減薄率隨摩擦系數(shù)增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且隨著摩擦系數(shù)增大，減薄率增大的速度有增強(qiáng)的趨勢；隨著摩擦系數(shù)增大，增厚率基本呈線性下降的趨勢。從材料流動的角度分析，隨著摩擦系數(shù)的增大，材料流向內(nèi)側(cè)直面與相鄰凹模圓角部分難度加大。

圖6 不同摩擦系數(shù)情況下的減薄率和增厚率趨勢圖

3 結(jié) 語

文中針對不銹鋼水槽成型過程中產(chǎn)生的起皺、破裂問題，利用Dynaform有限元軟件研究了影響水槽成型過程的壓邊力和摩擦系數(shù)，研究結(jié)果表明，隨著壓邊力增大水槽成型質(zhì)量有逐漸變好的趨勢，但是破裂的風(fēng)險也會增大；摩擦系數(shù)增大，破裂風(fēng)險的增大趨勢明顯，而起皺風(fēng)險呈線性下降趨勢。借助于研究成果，選擇較為合理的工藝參數(shù)改進(jìn)模具，可以有效提高模具開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本。