空調換熱翅片多道次級進拉深成形模擬

曹可可，汪洪峰.，朱增寶，儲杰，祝夢臣，宋娓娓

(1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南，232001；2.黃山學院 機電工程學院，安徽 黃山，245041；3.黃山三佳誼華精密機械有限公司，安徽 黃山，245041)

換熱器翅片是指換熱裝置中進行熱傳遞的金屬片，是空調中最主要的部件。近年來，人們生活水平不斷提高，空調的需求量越來越大，為了提高能源效率、降低成本，對換熱器翅片材料鋁箔厚度的要求也越來越薄。而翅片的成形工序又較復雜，主要有拉深(多次拉深)、成形、沖孔翻直邊、二次翻邊等工序。所用鋁箔材料較薄，厚度一般為0.1 mm左右，在拉深工序中容易出現起皺和破裂，直接影響了翅片的成形質量[1-3]。沖壓成形過程是極其復雜的彈塑性變形力學問題，傳統(tǒng)的經驗及公式無法對其成形問題進行分析與描述，往往會增加試模次數，進而增加了模具設計周期與生產成本[4]。因此，運用CAE軟件對翅片的拉深成形過程進行模擬分析，對指導模具結構設計具有較重要的工程意義。

目前，對換熱器翅片成形仿真模擬，通常采用的是單工位多工序方法。文獻[5]對換熱器翅片的翻邊孔沖壓成形進行仿真模擬，驗證了摩擦因數對其成形的影響；文獻[6]對翅片多次拉深工序進行了模擬，預測了在拉深成形中出現的缺陷; 文獻[7]對換熱器翅片的沖壓成形進行了多工位全工序數值模擬，研究了經拉深、翻邊后的成形質量。

文中對空調換熱翅片拉深成形中的不同工位和工序進行連續(xù)沖壓模擬，重現了沖壓成形時發(fā)生的破裂、起皺等問題，通過增大第5道次拉深凸模圓角半徑使該問題得到了解決；以沖壓速度、模具間隙、壓邊力和摩擦因數作為翅片成形質量的影響因素，通過正交試驗分析各因素對成形后板料的最大減薄率影響，選出最優(yōu)方案組合參數，并模擬驗證了該方案合理，為實際生產提供了指導。

1 翅片結構及成形工藝分析

某空調換熱翅片結構圖見圖1，列距為21 mm，孔距為50.8 mm。該空調翅片由翻邊孔和波紋片2個基本單元組成，翻邊孔深度為1.4 mm，遠大于材料的厚度，需要經過多步工序才能成形，該翅片的成形工序見圖2。拉深是翅片沖壓成形的最重要的工序之一，其成形結果直接決定翅片質量[8-10]，所以，文中主要對翅片的拉深成形進行仿真模擬。

圖1 空調翅片結構Fig.1 The air conditioner fin structure

圖2 翅片成形工序Fig.2 The fin forming process

2 級進拉深多工序有限元模型建立

2.1 幾何模型的建立

空調換熱翅片是由許多翻邊孔規(guī)則排列組成，其主要工藝流程為：拉深(多道次拉深)、沖孔、翻邊等，在沖壓成形過程中不同工位和工序之間的連接區(qū)域材料的流動性比較復雜，影響成形質量，為更接近實際的級進沖壓過程，減少坯料網格數量、提高仿真效率，取2列翻邊孔進行多工位多工序仿真模擬。如圖3所示為SolidWorks建立的凸凹模、條形鋁箔幾何模型，并導入Dynaform中對模型進行網格劃分。如圖4所示為模型網格劃分圖，其中鋁箔最小單元尺寸設為2 mm，壓邊圈通過軟件偏置而成。仿真成形過程中每完成一次拉深成形后，條形鋁箔會自動沿著級進方向移動一個孔距，軟件會將包含鋁箔成形后應力應變等信息的結果文件dynain自動導入到下一個工序，實現鋁箔在不同工位的多工序連續(xù)沖壓成形。

圖3 翅片拉深工序三維模型Fig.3 The three-dimensional model of fin drawing process

圖4 模型網格劃分Fig.4 The model meshing

2.2 模型材料

換熱器翅片用的鋁箔主要牌號有8011，1100和8006等鋁合金，狀態(tài)主要有H22，H26 和O態(tài)等狀態(tài)。模擬所用的鋁箔材料為1100， O態(tài)，料厚為0.1 mm，部分力學性能參數見表1。在Dynaform中對材料參數進行編輯，選用Bwlytschko-Tsay單元類型，36號三參數Barlat屈服準則模型材料進行分析[8]。

表1 AA1100鋁箔力學性能Table 1 The mechanical properties of AA1100 aluminum foil

3 有限元數值模擬

3.1 成形參數設置

數值模擬主要成形參數設置如下：虛擬沖壓速度為2 000 mm/s，壓邊力為1 000 N，摩擦因數為0.125?？照{換熱器翅片拉深成形過程中總共有5道次拉深工序，每道次工序的拉深參數見表2。

表2 5道次拉深工序模具參數Table 2 Five-step drawing process mold parameters

3.2 模擬結果

基于Dynaform對空調換熱器翅片拉深工序進行多工位多工序連續(xù)沖壓仿真模擬，結果見圖5，可看出第1至第4道次拉深工序翅片主體單元都在安全范圍之內。在鋁箔2個相鄰拉深部位之間的連接區(qū)域出現起皺趨勢，這是由于在拉深時此區(qū)域受到雙向拉力引起的輕微應變，屬于正常情況。起皺最明顯的區(qū)域是鋁箔周邊，可通過修邊工序剪切掉。

5道次級進拉深最大減薄率見表3。一般認為拉深件在拉深過程中最大減薄率在30%以內都是正常的[6]。由表3可知：第1至第4道次最大減薄率都小于30%，第5道次拉深最大減薄率達到了31.867%，超出正常范圍。如圖6所示，在成形極限圖中可以看出：第5道次拉深后凸模圓角處出現破裂，這是由于在第5道次拉深時凸凹模間隙及圓角都相對減小，拉深過程中鋁箔在凸模圓角與直壁相切處的拉應力最大且隨著拉深位移增大而增大，當拉應力超過鋁箔的抗拉極限時，板料破裂[11]。

(a)1道次;(b)2道次;(c)3道次;(d)4道次;(e)5道次圖5 5道次級進拉深成形極限圖Fig.5 Five-step progressive drawing forming limit diagram

表3 5道次級進拉深最大減薄率Table 3 Maximum thinning rate of five-step progressive drawing

圖6 第5道次拉深破裂部位Fig.6 Cracking position of step 5 drawing

4 成形工藝優(yōu)化

4.1 凸凹模圓角結構優(yōu)化

在成形參數設置時，如果凸凹模圓角半徑過小，鋁箔在圓角半徑處應力過大，易造成局部嚴重變薄甚至破裂。如果凸凹模圓角過大，會減小鋁箔與凸凹模端面的接觸面積，拉深時易起皺。

拉深成形時在凸模圓角與直壁相切處應力應變最大，最容易在該部位產生破裂危險，因此，將第5道次拉深凸模圓角半徑從0.8 mm增大到1.0 mm，然后對翅片拉深成形工序進行仿真模擬，得到成形極限圖及最大減薄率見圖7，增大凸模圓角半徑解決了破裂問題，同時，最大減薄率從31.867%減至24.718%，提高了成形質量。

圖7 結構優(yōu)化后拉深成形極限圖及最大減薄率Fig.7 Drawing forming limit diagram and maximum thinning rate after structural optimization

4.2 基于正交試驗優(yōu)化其他拉深成形參數

為了減少試驗次數，采用正交試驗法對翅片拉深成形參數進行分析，其中摩擦因數、模具間隙、壓邊力和沖壓速度4個因素對翅片的成形質量具有顯著的影響，每個因素取3個水平，因素水平劃分見表4，采用L9(34)四因素三水平正交表進行正交試驗研究[12]，分為9種組合方案進行仿真模擬試驗，結果見表5。

表4 因素水平表Table 4 Table of factors and levels

表5 正交試驗方案及結果Table 5 Orthogonal test plan and results

基于優(yōu)選工藝成形參數組合，對翅片5道次拉深工序仿真模擬，結果見圖8。拉深過程都在安全范圍之內，未出現破裂，鋁箔最大減薄率為18.82%，最小厚度為0.81 mm，成形質量得到明顯提高。

以最大減薄率作為評估依據進行直觀分析，從正交試驗結果中得到各因素水平下的減薄率之和K1～K3及平均值k1～k3,并結合極差法對其進行分析，結果見表6。各因素對鋁箔最大減薄率的影響趨勢圖見圖9，要使成形時減薄率達到最小，最優(yōu)水平組合為A1B3C2D1,即沖壓速度為1 000 mm/s 、壓邊力為1 000 N、第1至第4道次凸凹模間隙為0.4 mm、第5道次凸凹模間隙為0.35、摩擦因數為0.1。

表6 正交試驗結果分析Table 6 Analyses of orthogonal test results %

以模擬優(yōu)化后的最優(yōu)成形參數組合指導沖壓模具結構設計，并進行實際拉深成形試驗，實際試模結果見圖10，成形質量較好無明顯起皺、破裂現象，同時對實物圖進行剖開并在5處區(qū)域進行標記，利用千分尺測量對應標記點厚度見表7，由表7可知：換熱器翅片模擬厚度與實際拉深成形后的厚度基本吻合，從而驗證了模擬的正確性。

(a)成形極限圖; (b)最大減薄率;(c)厚度圖8 優(yōu)化后的成形極限圖、厚度及最大減薄率Fig.8 Optimized forming limit diagram, thickness and maximum thinning rate

(a)沖壓速度;(b)壓邊力;(c)凸凹模間隙;(d)摩擦因數圖9 各因素水平對最大減薄率的影響Fig.9 Influence of various factors and levels on the maximum thinning rate

(a)翅片拉深實物圖;(b)模擬厚度圖10 模擬厚度及測量厚度Fig.10 The simulated and measured thickness

表7 模擬厚度和測量厚度Table 7 The simulated and measured thickness

5 結論

1)通過Dynaform對翅片拉深成形中不同工位和工序進行連續(xù)沖壓仿真模擬，重現了成形過程中發(fā)生的起皺、破裂等問題，確定了破裂區(qū)域，將翅片第5道次拉深凸模圓角半徑從0.8 mm增大至1.0 mm，使最大減薄率從31.867%減至24.718%。

2)采用正交實驗結合極差法分析確定了對空調翅片拉深成形后影響最大減薄率的順序為沖壓速度、壓邊力、凸凹模間隙和摩擦因數，同時得到了最優(yōu)拉深成形參數組合。

3)將最優(yōu)成形參數組合進行仿真模擬，結果顯示與實際翅片拉深成形厚度基本吻合，驗證了模擬的正確性。