基于Abaqus 的某球鉸翻邊工藝仿真

劉建林 羅承俊 廖 勇 朱錦榮

（博戈橡膠塑料（株洲）有限公司，湖南 株洲412000）

1 概述

翻邊工藝是球鉸類產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的一道重要成型工藝，將芯軸與橡膠硫化之后壓裝入球鉸金屬外套內(nèi)，再經(jīng)過模具的擠壓，金屬外套邊緣發(fā)生卷曲變形之后得到最終產(chǎn)品。該工藝的一個(gè)重要目的在于保證球鉸在受到額定大小的軸向力（簡(jiǎn)稱為軸向竄出力）時(shí)，芯軸與外套不會(huì)發(fā)生脫離。翻邊工藝的關(guān)鍵在于通過模具的擠壓使球鉸金屬發(fā)生合理的卷曲變形，過大的卷曲變形會(huì)形成較大的殘余應(yīng)力，同時(shí)外套邊緣易與橡膠發(fā)生剪切作用，影響球鉸的使用壽命；卷曲變形程度過小通常難以滿足球鉸產(chǎn)品的軸向竄出力要求。翻邊工藝的另一個(gè)關(guān)鍵在于變形量的確定。翻邊后球鉸的高度必須滿足嚴(yán)格的尺寸要求，因此翻邊前預(yù)留的金屬外套高度及模具的形狀與行程必須滿足一定的要求。實(shí)際生產(chǎn)中，通常根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合的方式確定翻邊工藝參數(shù)，存在產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高的問題[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，通過對(duì)塑性變形過程進(jìn)行模擬計(jì)算，可獲得變形過程中成形材料及相關(guān)工模具熱力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，從而為變形工藝的制定和工模具的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[3-4]。本文擬針對(duì)某型球鉸在翻邊試制過程中存在高度尺寸超差的缺陷，采用有限元仿真分析技術(shù)對(duì)翻邊工藝進(jìn)行模擬仿真，得到翻邊后球鉸外套的應(yīng)力應(yīng)變分布與變形，并與試制結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整工藝參數(shù)，分析數(shù)據(jù)表明工藝改進(jìn)后的產(chǎn)品符合要求。

2 數(shù)值模擬

2.1 翻邊工藝有限元計(jì)算理論

翻邊工藝屬于大變形問題，考慮與變形歷史有關(guān)大變形問題采用增量方法：首先離散時(shí)間成某個(gè)時(shí)間序列，然后求解各個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的數(shù)值解。這些數(shù)值解的計(jì)算方法，依照參考構(gòu)形的區(qū)別可分為總體拉格朗日法（T.L.法）和更新拉格朗日法（U.L.法）。由T.L.法得到的有限元方程如式1 所示：

對(duì)上式展開求解，便可得到翻邊工藝成型過程中的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)，具體的求解方法有隱式算法和顯式中心差分法，本文選用隱式算法直接迭代求解，穩(wěn)定性更好[7]。

2.2 幾何模型與邊界條件

圖1 為翻邊工藝試制的幾何模型，主要幾何尺寸如下：翻邊前金屬外套高度75mm，金屬外套邊緣外徑、內(nèi)徑分別為56.8mm、52.8mm，模具的行程為11mm，支撐套高度h=42.5mm，要求翻邊后產(chǎn)品的高度在68.5-68.9 之間。生產(chǎn)過程中，固定下模與支撐套，上模為主動(dòng)模具，在外力持續(xù)作用下以1mm/s 的速度勻速向下運(yùn)動(dòng)，直到與支撐套接觸。金屬外套在上、下模具的擠壓作用下發(fā)生卷曲變形，達(dá)到所需形狀。

圖1 翻邊幾何模型

2.3 計(jì)算模型及計(jì)算數(shù)據(jù)

翻邊工藝屬于軸對(duì)稱問題，為縮減計(jì)算規(guī)模，將翻邊工藝簡(jiǎn)化為如圖2 所示的二維軸對(duì)稱模型。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，本文忽略上、下模具、芯軸以及支撐套在翻邊過程中的微小變形，有限元模型中將這些部件設(shè)置為解析剛體[8-9]。運(yùn)用Abaqus 中的CAX4R 單元模擬金屬外套，CAX4H 模擬橡膠部分。本文分析的球鉸外套為45 鋼，彈性模量為2.1E5MPa，泊松比為0.3，屈服應(yīng)力為375Mpa。翻邊工藝屬于大變形問題，因此為精確模擬金屬外套在整個(gè)過程中的變形，需要輸入該部件材料在塑性階段的力學(xué)性能參數(shù)。橡膠膠料硬度為60sha，材料本構(gòu)模型選用Mooney-Rivlin 模型，具體參數(shù)來自于TMT 材料數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖2 翻邊有限元模型

3 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

翻邊結(jié)束后金屬外套的等效應(yīng)力分布如圖3 所示，變形集中于金屬外套兩端，最大應(yīng)力為862.3MPa，位于金屬外套邊緣，如圖3 中A 處所示。同時(shí)圖3 中B 處金屬外套邊緣過于尖銳，在軸向動(dòng)載荷工況下易與橡膠部分發(fā)生剪切作用而產(chǎn)生橡膠裂紋，降低球鉸的使用壽命，建議增加倒角。利用Abaqus 軟件測(cè)得翻邊后球鉸高度為69.81mm，產(chǎn)品試制結(jié)果實(shí)測(cè)為69.5mm，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際誤差不超過0.4%，一定程度上驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。但翻邊后球鉸高度不滿足68.5-68.9mm 范圍，因此需要修改模具參數(shù)使其滿足要求。

圖3 翻邊后金屬外套的等效應(yīng)力分布

由圖1 直觀分析可知，翻邊后球鉸高度尺寸與模具形狀、行程有關(guān)。相對(duì)于修改模具形狀，通過調(diào)整支撐套高度尺寸h 來改變模具的行程從而改變翻邊后球鉸高度尺寸更為經(jīng)濟(jì)，因此本文通過分析計(jì)算，在固定模具形狀的前提下，研究球鉸高度與支撐套高度h 之間的關(guān)系。通過一系列計(jì)算，將翻邊后球鉸高度與支撐套高度h 之間關(guān)系繪制成曲線，如圖4 所示，近似為線性關(guān)系。

為使翻邊后球鉸高度尺寸滿足68.5-68.9mm 范圍要求，根據(jù)圖4 選取h 為41.5mm；同時(shí)為減小圖5 中B 處橡膠受到的金屬外套邊緣的剪切作用，對(duì)金屬外套邊緣倒圓角，根據(jù)工藝經(jīng)驗(yàn)取R 為0.8mm。

圖4 翻邊后球鉸高度與支撐套高度關(guān)系

調(diào)整參數(shù)后的球鉸翻邊計(jì)算結(jié)果如圖5 所示，球鉸高度計(jì)算結(jié)果為68.7mm，滿足尺寸要求，同時(shí)圖5 中B 處所示外套邊緣金屬與橡膠接觸更加平滑，橡膠受到的剪切作用大大減小，有利于提高產(chǎn)品的疲勞性能。

圖5 調(diào)整參數(shù)后金屬外套的等效應(yīng)力分布

4 結(jié)論

4.1 通過仿真計(jì)算可以預(yù)測(cè)金屬外套的變形與應(yīng)力分布，并與實(shí)驗(yàn)吻合程度較高，分析結(jié)果可以為模具設(shè)計(jì)提供理論參考，從而達(dá)到減少產(chǎn)品試制次數(shù)，提高開發(fā)效率的目的。

4.2 經(jīng)過仿真分析，得出支撐套高度與球鉸高度之間關(guān)系，可以通過調(diào)整支撐套高度來獲得滿足尺寸要求的球鉸。

4.3 適當(dāng)增大金屬外套邊緣處圓角可以減少金屬外套對(duì)于橡膠的剪切作用從而延長(zhǎng)球鉸產(chǎn)品的使用壽命。