301 不锈钢圆孔翻边工艺CAE 分析与优化

2022-11-22赵博宁

锻压装备与制造技术 2022年5期

赵博宁，李宇，罗若

（柳州铁道职业技术学院装备制造学院，广西柳州 545616）

301 不锈钢不但具有良好的耐腐蚀性能，而且强度高，厚度薄，焊接性能好，冷加工容易，在汽车装饰中被广泛应用，如汽车雨刷，头灯护圈，安全带紧线器等[1]。

不锈钢翻边零件作为一种应用非常广泛的冲压件，在翻边成形过程中易出现粘模、起皱、破裂等现象，成品率低。凸模圆角半径和预制孔径大小确定是翻边成形工艺设计的关键。预制孔径过小，孔口开裂严重；预制孔径过大，成形高度不足，修边余量过大；凸模圆角半径过小，成形时，材料流动阻力增大，孔口开裂趋势随之增加；凸模圆角半径过大，很难完全成形[2]。

以往，在圆孔翻边成形过程中，预制孔径的大小通常采用经验公式计算，凸模圆角半径通常采用反复修磨凸模圆角半径、反复试冲来获取合理的圆角半径。这两种方法使模具设计和生产周期加长，修磨凸模圆角对工人的技术要求水平高，而且修磨难度大。针对不锈钢翻边工艺，仅凭现有工艺方法已经不能满足其零件成形质量的要求，其关键在于工艺参数的合理确定和模具结构的设计。

本文针对上述问题，采用有限元软件Dyanform，以301 不锈钢圆孔翻边件（图1）为研究对象，对不同的凸模圆角半径和预制孔径分别进行数值模拟，从而确定其成形过程中，凸模圆角半径和预制孔径的最佳合理参数，目的是降低301 不锈钢在翻边成形过程中模具设计、生产和调试的时间，达到降低生产成本的目标。

图1 不锈钢翻边件

1 圆孔翻边理论计算

1.1 计算预冲孔直径

式中：d 为预制孔孔径；D 为内孔翻边后的孔径；H 为内孔翻边后的竖边高度；r 为内孔翻边后的内圆周半径；t 为坯料厚度[3,4]。

由图1 可知，D=ø19.5mm，H=15.2mm，r=1mm，t=1mm，代入公式（1）后计算可得

d=ø12.8 mm

1.2 一次翻边后竖边极限高度

式中：Hmax为翻边后竖边极限高度；D 为翻边后孔径；Kmin为极限翻边系数；rd为翻边凹模圆角半径；t为坯料厚度。

代入数据D=19.5mm，Kmin=0.52，r=1mm，t=1mm，计算得,其值大于工件要求翻边高度4.5mm，所以能一次翻边成形。

1.3 凸凹模工作尺寸

在翻边成形过程中，回弹现象是不可避免的，即翻边件上孔的直径比凸模的直径小。因此，凸模、凹模按照翻边件孔径尺寸的上偏差加工。由图2 可见，制件精度为IT13 级，凸模采用IT7 级，制件翻孔尺寸D0为18.5mm，则其公差Δ=0.021mm。为使翻边回弹小，垂直度好，翻边时，凸模和凹模之间的间隙小于制件的厚度，目的是使其稍微变薄[4]。图1 所示制件厚度为1mm，凸模和凹模间隙Z/2=0.85t=0.85mm。

图2 有限元模型

2 数值模拟

2.1 数值模拟方案

以公式1 计算的预制孔径d=ø12.8mm 为参考，分别以ø13mm、ø14mm、ø15mm、ø16mm 作为预制孔径的模拟参数。

凸模底部圆角半径要求≥4t（t 为板料厚度）[5]，图1 所示翻边件的厚度为1.0mm，因此以4.0 mm 为参考，设置增量为1mm，直至凸模底部圆角半径至9.2605mm（凸模半径）作为凸模底部圆角半径作为模拟参数，最终建立表1 所示的模拟方案。

表1 模拟方案（mm）

2.2 有限元模型的建立

采用三维软件UGNX 按照表1 数据逐一对毛坯、凸模、凹模进行建模，然后将其转化为igs 格式文件导入Dynaform 进行冲压参数设定。板料网格划分采用均匀化的网格，网格大小为1mm。凸模和凹模采用非均匀化网格划分，圆角部分网格大小为1mm，其余部分网格大小为2mm，压边圈采用凹模偏置，建立的有限元模型如图4 所示[6]。

冲压工序类型设定为双动拉延，工具参考面选择上、下模。毛坯以国产301 不锈钢为板料材料，所用板料301 材料属性如表2 所示。选取36 号模型[7]。工序中设置摩擦因数为0.125。压边工序BINDER 采用速度控制，速度为180 mm/s。拉延工序PUNCH 采用速度控制，速度为180 mm/s，DIE 静止。BINDER控制方式为力控制，其值15000N，持续时间设定为位移控制，位移长度设定为20。控制参数时间步长设定为-2.13e-008。

表2 301 材料参数

3 模拟结果

翻边时，变形区基本限制在凹模圆角区内，凸模底部材料为主要变形区，处于切向、径向两向受拉伸应力状态，切向应力在孔边缘最大，径向应力在孔边缘为零。在整个变形区，材料都要变薄，而在孔的边缘，变薄最为严重，翻边完成后，零件翻边的高度，将比变形区的宽度略有缩短，由于翻边时最大拉伸发生在口部，当拉伸变形超过材料成形极限时，就会在此处产生缩颈或裂纹。因此本文主要从减薄率、成形高度、成形极限三个方面进行分析。

3.1 厚度最大减薄率

减薄率反映板料的减薄和增厚问题。通常，减薄率在3%～25%的制件出现拉裂的危险几率都很低[7]，在允许的范围内。图3 为不同预制孔径大小下，不同圆角半径时零件的最大减薄率曲线图。图上0 代表无裂纹，1 代表有裂纹。由图可见，预制孔径为ø14mm、ø15mm、ø16mm 时减薄率均在20%以下，而且随着圆角半径由4mm 变为9.2605mm 时，减薄率变化缓慢，说明当预制孔径为ø14mm、ø15mm、ø16mm 时，采用圆柱直角凸模时，增大凸模底部圆角半径对成形减薄率影响不大。

图3 减薄率变化曲线

由图还可以看到，当凸模圆角半径不改变时，减薄率随着预制孔径的增大而减小。再次说明减薄率和预制孔径的大小有很大关系。当预制孔经为ø13mm 时，减薄率最大，超过20%。当预制孔径为ø13mm 时，除了圆角半径为8.0 时，其余圆角半径状态下均有破裂产生。而预制孔经为ø13mm、ø14mm、ø15mm、ø16mm 时都没有裂纹产生[8]。

3.2 不同凸模圆角半径下的成形高度

图4 为数值模拟的翻边高度值随凸模圆角半径变化的曲线图。由图4 可知，预制孔径d=ø14mm，ø15mm、ø16mm 时数值模拟后的零件的翻边高度约位于4.65mm，3.96mm，3.37mm。与理论计算3.9mm，3.4mm，2.9mm 相差较大。ø14mm 的模拟结果与零件要求的高度4.5mm 相差较近。

图4 零件翻边高度随凸模圆角半径变化曲线

综合减薄率和成形高度两个因素，RT=4.0，5.0mm，预制孔径为d=ø14mm 为最佳成形参数。

3.3 不同凸模圆角半径下的成形极限

成形极限图可以有效地体现板料成形过程中各部分的成形极限，图5 为ø14mm 时，RT=4.0mm，5.0mm 的成形极限图。从图5 可以看出: 凸缘区均没有起皱产生，证明采用的压边力大小合适。圆角区均有起皱趋势，但都不明显，不影响成形质量。

图5 不同预制孔径下的成形极限图

4 生产验证

根据前面数值模拟得到的最佳的工艺参数设计凸模工作部分尺寸为，凸模圆角半径rT=5mm，如图6 所示。凹模工作部分尺寸为，凹模圆角半径为rA=1mm，如图7 所示。冲压速度为180 mm/s，摩擦因数为0.125，模具间隙为2.55mm，压边为15kN。在型号为JB23-800t压力机进行冲压成形试验，图8 为采用RT=5mm 的301 不锈钢翻边件实物的照片，但是制件上的圆角半径没有达到零件图要求的1mm，因为圆角半径1mm太小，难以达到冲压要求。从零件的成形高度和孔径来看，基本上满足要求。