家电产品“U形件”弯曲回弹有限元分析

冯安平，原红玲

(佛山职业技术学院机电工程系，广东佛山 528137)

家电产品在整个制造业领域占有举足轻重的地位。在家电产品的设计、制造上，除了制冷、电器控制系统上的难点之外，复杂冲压件的成形也是家电产品制造中的难点之一。冰箱竖梁等零件都是“U形件”结构件，其弯曲成形过程中的回弹量控制，将直接影响到家电产品开发的成败。

1 家电产品“U形件”弯曲回弹分析

对于“U形件”来说，回弹包含两方面的容:角部角度的回弹和侧壁卷曲。角度回弹是指板料经过弯曲，零件中的弹性变形释放导致的最终弯曲角度的变化。而侧壁卷曲则是毛坯料在拉力的作用下，经过凹模圆角，弯曲、展开变形的结果。由于残余应力的释放，导致相应区域的卷曲［1］。回弹效果如图1所示。

图1 “U形件”角度回弹与侧壁卷曲示意图

2 家电产品“U形件”弯曲回弹模拟过程

形状复杂的冲压零件，由于冲压时材料流动极其复杂，利用板料冲压的有限元数值模拟技术，确定合理的毛坯外形尺寸和优化各种模具结构参数，对提高产品质量、降低制造成本和缩短开发周期有着重要的作用。

DYNAFORM-PC软件是美国ETA公司与LSTC公司合作推出针对板料成形数值模拟的专业化软件，能提供丰富高效的单元类型，能模拟弯曲、翻边、拉伸、成形、压筋和扩 (缩)口等绝大部分成形工艺以及多工序冲压成形，能确定冲压件的最大应力(变)部位、输出厚向应变图、Von Mises等效应力分布图和具有真实感的成形过程动画［2］。目前 DYNAFORM己在世界各大汽车、航空、钢铁公司以及众多的大学和科研单位得到了广泛的应用［3］。

下面以家电产品上常用的碳素结构钢Q215A为例，试样尺寸为100 mm×30 mm×0.2 mm，采用DYNAFORM-PC软件对“U形件”弯曲回弹进行模拟。

试样“U形件”弯曲工艺如图2所示。

图2 “U形件”弯曲简图

该试样“U形件”弯曲模拟过程及分析如下:

(1)有限元数值模型

图3为二维对称有限元数值模型，图3(a)给出了零件的主要几何参数。零件处于平面应变状态。有限元网格如图3(b)所示，采用双线性四边形单元［4］。

图3 分析模型

(2)凸模运动速度曲线和压边力曲线

经过网格划分，坯料展开，毛坯网格设定，模型检查，确定凸模、毛坯、凹模、压料板的相对位置等步骤，得到凸模位移曲线 (图4)和压边力曲线 (图5)。

图4 凸模位移曲线

图5 压边力曲线

(3)后处理

后处理结果中提供了零件的成形信息，如零件的变形情况、主应力分布、副应力分布、平面应变向量等，如图6(a)— (d)所示。

图6 后处理结果

(4)加载过程中凸模载荷、材料温度与加载历史的关系

图7显示，加载过程分为3个阶段:弹塑性变形阶段、塑性变形阶段和零件被压紧阶段。图8为零件温度分布情况。

图7 凸模载荷随时间变化

图8 零件温度分布

(5)加载过程中零件温度分布

图9表示了中间过程和加载终了时零件的温度分布情况。高温区表明零件经历了大的塑性变形。尽管模具与零件相互接触，但由于板料厚度较小，故温度在零件厚度方向上的变化可以忽略不计［5］。

图9 零件温度分布

(6)加载过程中有效应变、应力分布

图10表示加载过程中零件的有效应变分布情况。与温度分布情况不同的是，可以看到:在板料厚度方向上，有效应变有较大的变化［6］。不论板料厚度大小，这是弯曲零件应变分布的主要特征。在凸模圆角附近，零件内部有相对较大的应变值，相应的应力分布如图11所示。

图10 零件的有效应变分布

图11 零件的有效应力分布

3 家电产品“U形件”弯曲回弹模拟结果分析

根据凹模圆角半径Rd与回弹的关系 (图12)，凸、凹模间隙与回弹的关系 (图13)，摩擦系数与回弹的关系 (图14)，凸模速度vp与回弹的关系 (图15)得到以下模拟结果:

图12 凹模圆角半径Rd与回弹的关系

图13 凸凹模间隙C与回弹的关系

图14 摩擦因数μ与回弹的关系

图15 凸模速度vp与回弹的关系

(1)凹模圆角半径。凹模圆角半径对回弹的影响程度较小［7］;

(2)凸、凹模间隙与“U形”零件的负回弹几乎呈线性关系，间隙值越大，回弹值越大;

(3)压边力对“U形件”弯曲回弹的影响。压边力较小时，回弹随着压边力的增大而增加;相反，压边力较大时，回弹随着压边力的增大而减小。对应于回弹的最大值，存在某一压边力值。同时，还可以找到一压边力数值，使得回弹基本消失。

(4)摩擦因数对“U形件”弯曲回弹的影响。随着摩擦因数的增加，零件的负回弹有一定程度的减小。但当μ大于某一数值时，回弹均为正值。这种趋势说明，采用合适的润滑剂，可以减小回弹值［8］。

4 结束语

文中的研究确定影响“U形件”回弹的诸多因素，提出了一些减小回弹的方法。将研究结果用于冲压生产的工程实践，进行生产的过程控制和零件质量控制，为模具制造和冲压生产从业人员提供有益的参考。

［1］原红玲，王可胜，杨安民.冰箱竖梁“П”形件弯曲回弹规律研究［J］.机械设计与制造，2013(10):252－254.

［2］岳陆游，姜银方，陈炜，等.DYNAFORM-PC软件及其在钣金冲压中的应用［J］.江苏大学学报:自然科学版，2002，23(6):51 －52.

［3］CHO J R，MOON S J，MOON Y H，et al.Finite Element Investigation on Spring-back Characteristics in Sheet Metal U-bending Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，141(1):109 －116.

［4］赵侠，傅建，余玲，等.有限元模拟技术在板料冲压成形中的应用［J］.四川工业学院学报，2004，23(S1):241－249.

［5］谢起斌.橢球形件复合成形规律的研究［D］.西安:西安交通大学图书馆，2005:183－186.

［6］刘联群，马广慧.板料弯曲的弹复现象［J］.电子工艺技术，2004，25(4):174 －175.

［7］岳陆游，许丽平.数值模拟在板料冲压加工中的应用［J］.模具工业，2004(11):34 －37.

［8］衡猛，周建中.有限元数值模拟在汽车覆盖及其模具中的应用［J］.机床与液压，2004(11):140－141.