空调阀门支架级进冲压工艺的数值模拟优化分析

耿 佩，李军超，陆俊江

（1.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；3.格力电器（重庆）有限公司，重庆 400039）

空调阀门支架级进冲压工艺的数值模拟优化分析

耿 佩1，李军超2，陆俊江3

（1.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089；2.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400044；3.格力电器（重庆）有限公司，重庆 400039）

级进模冲压成形中易出现起皱、破裂和成形精度低等缺陷。本文以某阀门支架零件为研究对象，采用多工步多工序的建模方法建立了级进模成形全工序有限元模型。对原有成形工艺参数进行优化，并借助Dynaform软件对其进行全程数值模拟分析，得出良好的模拟结果。通过分析，证明该优化结果是可行的，可有效指导级进模成形零件的产品质量控制。

冲压工艺；级进模成形；有限元模拟；支架零件

级进模冲压成形过程中除了起皱和破裂缺陷，成形精度也是成形中的主要问题，这些缺陷主要受摩擦条件、模具几何形状、压边力、材料特性等工艺参数的影响[1]。不合理的工艺取值会导致板料出现起皱和拉裂等缺陷，这些缺陷不仅破坏零件的表面质量、降低零件的成形精度，甚至直接导致零件报废。因此各种成形工艺参数对冲压件成形质量的影响不容忽视，合理的冲压成形工艺参数可以使板料在成形过程中变形均匀，提高材料的冲压成形性，从而提高产品质量。

本文基于某阀门支架零件，采用多工步多工序建模的方法建立了其级进模成形的全工序有限元模型，针对级进模首次模拟成形出现的质量缺陷，基于工艺参数影响规律对其进行参数优化，并以优化后的工艺参数对级进模成形工艺再次进行数值模拟，最后进行实验验证。

1 级进模成形全工序有限元模型建立

空调阀门支架零件图如图1所示，材料为电镀锌板SECC，板厚1.45mm。该零件形状复杂，需要多道工序加工成形，且零件需求量较大。要求零件成形后不能出现破裂和严重起皱缺陷，同时零件孔的精度要满足要求。

图1 零件尺寸结构图

由零件图可知，该阀门支架零件的成形需要浅拉深成形、冲孔、翻孔、折边、弯曲等工序来完成。目前的生产方式为单工序生产，所需设备和工人数量都较多[2，3]。虽然成形工序和操作比较简单，但生产效率低，成本高，半成品周转占用空间大，而且单工序时多次定位造成尺寸精度不高，因此考虑用级进模在一台机床上加工完成[4]。

级进模成形包含多个成形工步，所以采用多工步多工序的方法建立全工序有限元模型。该方法根据不同工步的成形工序建立各个工步的凸凹模网格模型，将所有工步的凸模作为一个整体，所有工步的凹模作为一个整体，凸模每动作一次，板料沿送料方向前进一个步距，实现板料在不同工步的连续成形[5]。因此基于Dynaform软件所建立的级进模冲压成形全工序有限元模型如图2所示。

图2 全工序有限元模型

2 级进模成形过程模拟

2.1 级进模有限元模拟关键技术

随着计算机技术的快速发展以及有限元技术的日益成熟，有限元模拟技术在工程领域得到了广泛应用。其中有限元分析软件Dynaform在板料成形过程中应用比较广泛[4，6]。

在级进模成形过程中通常有冲孔、拉深、弯曲、翻边等工序，是一个多步冲压成形过程，各个工步的成形板料是相互联系的，一般最后工位所得的制件才是最终所需要的零件，而其他工步成形所得到的坯料都属于半成品。坯料的几何形状、厚度以及材料的性能等在不同工位间会随着不同的变形发生变化[4，7]。

因此，在进行级进模冲压成形有限元分析时，后面工序的坯料信息应该是前一步坯料变形后的分析结果，包括坯料各节点的应力、应变、坐标值以及单元的实际厚度等信息。为保证前后不同工序之间的板料信息准确传递，应将上一步工序模拟结束后所生成的包含板料信息的Dynain文件作为下一步模拟时的坯料，进行下一步有限元模拟，依次类推直至所有工序模拟完成[8，9]。

2.2 级进模成形过程数值模拟

初次模拟参数设置为：虚拟压边速度V1=500mm/s，冲压成形速度V2=2000mm/s，凸凹模间隙为1.1t（t为板料厚度），摩擦系数为0.125，压边力为20kN。基于以上模拟参数，得出前三工位数值模拟的成形极限图如图3所示。很明显板料出现了起皱及破裂现象，说明工艺参数的选择不尽合理，为了对零件成形质量进行有效控制，需要对成形工艺参数进行优化。

图3 前三工位成形极限图

2.3 参数优化及有限元验证

从图3可以看出，第一、二工位成形模拟结果中，板料底部圆角部位出现破裂现象，且板料起皱现象比较严重。对于圆角破裂现象，仅改变成形参数始终无法完全消除，因此需要修改底部圆角半径大小，增大圆角半径可以减小圆角部位材料流动阻力，从而改善圆角部位成形质量。如图4所示，将模型底部圆角半径由2.5mm增大为3.5mm。

图4 模型圆角修改

而对于起皱现象，根据理论与生产经验，一般与压边力大小关系紧密。一般较小的压边力，不能有效地控制材料的流动，板料容易出现起皱现象；而压边力较大时，虽然可以避免起皱的产生，但破裂趋势也会明显增加。初始压边力为20kN，为防止出现裂纹而又能有效减小起皱现象，此处综合考虑将压边力增大到29kN。

按照修改后的凹模重新进行有限元模拟，模拟结果如图5所示，由成形极限图可以看出，增大凹模底部圆角半径和修改压边力后，成形质量得到了改善，底部圆角没有出现破裂现象，起皱现象减轻，成形质量良好。

图5 优化后前三工位的成形极限图

通过前期的工艺参数优化，主要成形部分变形良好，成形参数基本已定，根据前三工位变形结果，作为后续变形板料，继续进行后续工位的模拟，最终得到零件的成形模拟结果，其成形极限图如图6所示，厚度变化如图7所示。

图6 优化后成形极限图

图7 优化后厚度分布图

由成形极限图可以看出，零件没有出现开裂，起皱现象也得到了一定控制。测得板料最大减薄率为28.89%，最大增厚率为4.93%，均满足成形要求，说明了优化成形参数的可行性。虽然板料部分区域仍有起皱，但起皱造成的增厚率在要求范围内，而且零件后续要喷漆处理，所以不会对零件质量造成影响。

3 实验验证

数值模拟结果说明了优化参数的合理性，因此将优化后的成形工艺参数统一应用到该支架零件级进模成形的生产试制过程中，得出零件实物图如图8所示。经检验，零件试制结果与数值模拟结果相吻合，制件没有出现破裂，起皱缺陷也得到改善。

图8 零件实物图

4 结论

（1）对某阀门支架零件进行工艺分析，确定级进成形工艺方案，并建立级进模成形的全工序有限元模型，使有限元模拟过程和实际的级进模生产过程相吻合。

（2）借助Dynaform对该零件级进成形过程进行数值模拟，并针对圆角破裂与起皱严重现象对工艺参数的设置进行分析并优化。

（3）基于优化后的工艺参数，完成了最终零件的全工序数值模拟过程，并得到最终零件的成形极限图和厚度分布图，经分析得知零件厚度减薄率、增厚率等参数均在允许范围内，符合零件最终要求。最终进行产品试制，试制结果与模拟结果相吻合，证明优化参数的正确性，并说明了优化模拟过程对实际生产有很大的指导作用。

[1]杨连发，孙希延，李泉永.板料拉深成形数值模拟的关键技术[J].现代机械，2002，（3）：49-52.

[2]段来根.多工位级进模冲压与自动化[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]贾俐俐，柯旭贵.冲压工艺与模具设计[M].北京：人民邮电出版社，2008.

[4]李 崇.基于数值分析的空调阀门支架级进冲压工艺设计及优化[D].重庆：重庆大学，2013.

[5]李军超，王 宾，周同贵，等.基于数值模拟和响应面法的级进模成形优化[J].中南大学学报（自然科学版），2014，46（1）：66-72.

[6]丁华天，杜佳东，等.基于数值模拟的封盖冲压工艺及模具设计[J].锻压装备与制造技术，2013，48（1）：79-81.

[7]张骥超，刘 罡，林忠钦，等.侧围外板冲压工艺稳健性优化设计[J].上海交通大学学报，2012，46（7）：1005-1010.

[8]盈 亮，贾治域，等.高强度钢板热冲压成形工艺的改进[J].锻压装备与制造技术，2013，48（1）：75-78.

[9]Wang Hu，Li Enying，Li Guang Yao.Optimization of drawbead design in sheet metal forming based on intelligent sampling by using response surface methodology[J].journal of materials processing technology 206（2008）45-55.

Optimized analysis of numerical simulation on progressive die forming process for air-conditioning value bracket

GENG Pei1,LI Junchao2,LU Junjiang3
（1.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an 710089,Shaanxi China; 2.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400030,China；3.Gree Electric Appliances（Chongqing）Co.,Ltd.,Chongqing 400039,China）

Ruptures,winkles and low forming accuracy are the common forming defects for progressive die forming parts.Taking the valve bracket as the research object in the text,a finite element model (FEM)of complete progressive die forming process has been established with a multi-step and multi-process modeling approach.The original forming process parameters have been optimized.The complete numerical simulation has been analyzed by use of Dynaform software and good simulation result has been obtained.The analysis proves that the optimization results are feasible,which can effectively guide the quality control of the progressive die forming parts.

Progressive die forming;FEM model of complete process;Numerical simulation

TG386

A

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.026

1672－0121（2016）04－0085－03

2016－01－29；

2016－03－06

耿 佩（1987－），女，助教，从事塑性成形与模具设计研究。E－mail：gengpei119＠163.com