基于Dynaform的不銹鋼水槽拉深優(yōu)化研究*

劉存平，郭 晟，劉 勇，劉光虎，吳福洲

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引 言

不銹鋼水槽是當(dāng)前最常見的廚房用水槽，該水槽質(zhì)量輕、耐腐蝕、外觀精美，深受消費(fèi)者喜愛。盒型不銹鋼水槽成型具有一定難度，隨著板料成型技術(shù)的發(fā)展，不銹鋼水槽成型方式逐漸形成了以整體一次拉深為主。盒型不銹鋼水槽拉深過程伴隨著大的塑性變形過程，涉及到板料成型的應(yīng)力應(yīng)變及塑性強(qiáng)化和流動(dòng)等非常復(fù)雜的多體接觸力學(xué)問題。傳統(tǒng)的模具工序計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)估值對產(chǎn)品的成型存在較大的誤差，甚至?xí)霈F(xiàn)錯(cuò)誤的判斷，因此會(huì)產(chǎn)生大量的試制費(fèi)用并造成時(shí)間浪費(fèi)[1-6]。

筆者應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Dynaform對盒型不銹鋼水槽拉深過程進(jìn)行模擬分析，從而為生產(chǎn)時(shí)間中選擇合適的成型工藝參數(shù)提供參考。

1 不銹鋼水槽拉深過程仿真

1.1 模型建立

根據(jù)不銹鋼水槽零件圖尺寸和水槽的修邊余量，利用UGNX軟件建立不銹鋼水槽零件實(shí)體3D模型，如圖1所示分別為3D模型和實(shí)物零件圖。將建立好的3D模型導(dǎo)出并保存為IGS格式，以便進(jìn)行下一步的仿真分析。材料厚度設(shè)置為1.0 mm，材料為SS304。

圖1 水槽拉深零件實(shí)體與3D模型(模型凸緣已增加修邊余量)

1.2 不銹鋼材料性能

材料選用不銹鋼水槽常用材料SS304，其力學(xué)和物理性能如表1所列。

表1 Ss304不銹鋼力學(xué)及物理性能

1.3 模具參數(shù)設(shè)置

不銹鋼水槽拉深的凹模圓角半徑的大小設(shè)置為10 mm，拉深凸模圓角半徑設(shè)置為25 mm，按照一次拉深進(jìn)行設(shè)計(jì)，凹模圓角半徑與凸緣圓角半徑相等，凸模圓角半徑和零件底部圓角半徑相等，凸模和凹模間隙為1.1 mm，拉深模采用壓邊圈設(shè)置，初始壓邊力為100 kN。

1.4 毛坯尺寸確定

毛坯形狀和尺寸是影響水槽件質(zhì)量的重要因素，確定拉深毛坯形狀的方法也比較多，現(xiàn)在比較常用的有映射法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法等，其中有限元法較為全面地考慮了板料成型中金屬的塑性流動(dòng)等因素影響，具有較好的使用效果。本研究利用建好的3D零件模型，導(dǎo)入Dynaform軟件中，通過求解得到零件毛坯輪廓線，并制作成毛坯。

1.5 不銹鋼水槽仿真分析過程

(1) 實(shí)體建模：利用建模軟件UGNX建立不銹鋼水槽拉深模具，保存為IGS文件，并導(dǎo)入Dynaform軟件中進(jìn)行處理。

(2) 建立分析模型：將IGS模型導(dǎo)入Dynaform，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，毛坯網(wǎng)格劃分并檢查。

(3) 仿真模型設(shè)置：利用Dynaform中的Autosetup功能進(jìn)行沖壓仿真初始設(shè)置，分別定義Blank、Die、Punch以及Binder，設(shè)置板料參數(shù)，劃分板料網(wǎng)格，設(shè)置初始壓邊力及恒定摩擦系數(shù)，完成設(shè)置后提交到Job submitter處理器進(jìn)行運(yùn)算，圖2為不銹鋼水槽求解模型。

圖2 水槽仿真求解模型

(4) 后處理：求解完成后可以獲得不銹鋼水槽零件的成型極限圖(FLD圖)、厚度變化云圖等，用于判斷零件成型性能。

2 工藝參數(shù)對拉深性能的影響分析

2.1 壓邊力對成型的影響

通過對不銹鋼水槽拉深成型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)成型過程中，部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)破裂和起皺問題。當(dāng)壓邊力過大時(shí)，易于導(dǎo)致水槽的破裂問題，當(dāng)壓力不足時(shí)，又易于導(dǎo)致水槽的起皺問題，所以控制好壓邊力可以有效控制不銹鋼水槽的成型過程。根據(jù)壓邊力公式：

Fq=Ap

式中：A為板料投影面積；p為單位壓力。根據(jù)相關(guān)資料可知，不銹鋼單位壓力介于2.5～4.5 MPa，在摩擦系數(shù)0.125不變的情況下，設(shè)定了不同的壓邊力，用以觀察壓邊力對不銹鋼水槽成型性能的影響。圖3所示分別為不同壓邊力下不銹鋼水槽成型極限圖。

圖3 不同壓邊力條件下的成型極限圖

圖3中發(fā)現(xiàn)，壓邊力為100 kN時(shí)，不銹鋼水槽凸緣部分出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的起皺問題，水槽側(cè)壁也出現(xiàn)了一定的起皺問題，水槽底部成型較好；壓邊力為700 kN，水槽凸緣起皺問題依然存在，嚴(yán)重起皺問題消失，側(cè)壁起皺問題變小或者消失；當(dāng)壓邊力為1 300 kN，凸緣部分起皺趨勢變小，起皺問題基本消失，底部和側(cè)壁成型效果較好；壓邊力為1 400 kN，由于壓邊力過大，材料流動(dòng)性變差，導(dǎo)致不銹鋼水槽圓角部分出現(xiàn)破裂。通過應(yīng)力和成型極限圖分析，材料厚度減薄情況最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在水槽內(nèi)側(cè)直壁與相鄰凹模圓角部分，材料厚度增厚最嚴(yán)重的地方出現(xiàn)在零件凸緣部分。圖4為不同壓邊力情況下的減薄率和增厚率趨勢圖。

圖4 不同壓邊力情況下的減薄率和增厚率趨勢圖

從圖4可以看出隨著壓力增大，同一深度最大減薄率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，其中在700 kN時(shí)出現(xiàn)了最小減薄率。同時(shí)，增厚率線圖基本呈穩(wěn)步下降的趨勢。從材料流動(dòng)角度分析，在其他條件不變的情況下，壓邊力越小，越有利于不銹鋼水槽直壁及其相鄰圓角部分材料的流入。

2.2 摩擦系數(shù)對拉深影響

在實(shí)際生產(chǎn)中通常通過涂抹潤滑油等方式改變板料與模具之間的摩擦力，在進(jìn)行仿真時(shí)通過改變摩擦系數(shù)來達(dá)到改變板料與模具之間的相互摩擦作用。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，板料與模具之間的摩擦系數(shù)范圍一般為0.05～0.15之間。在壓邊力為700 kN，模具間隙1.1 mm，沖壓速度5 000 mm·s-1的條件下，設(shè)置模具與板料之間的摩擦系數(shù)，利用Dynaform進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。圖5為不同磨擦系數(shù)條件下的成型極限圖，從圖中可以看出，隨著摩擦系數(shù)增大，盒型件側(cè)壁和凸緣起皺現(xiàn)象逐漸趨緩，同時(shí)側(cè)邊與圓角交界處部分拉裂風(fēng)險(xiǎn)逐漸加大，當(dāng)其他條件不變，摩擦系數(shù)為0.18時(shí)，出現(xiàn)了拉裂問題。

圖5 不同摩擦系數(shù)條件下的成型極限圖

圖6為不同摩擦系數(shù)情況下的減薄率和增厚率趨勢圖，從圖中可以看出板料的減薄率隨摩擦系數(shù)增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且隨著摩擦系數(shù)增大，減薄率增大的速度有增強(qiáng)的趨勢；隨著摩擦系數(shù)增大，增厚率基本呈線性下降的趨勢。從材料流動(dòng)的角度分析，隨著摩擦系數(shù)的增大，材料流向內(nèi)側(cè)直面與相鄰凹模圓角部分難度加大。

圖6 不同摩擦系數(shù)情況下的減薄率和增厚率趨勢圖

3 結(jié) 語

文中針對不銹鋼水槽成型過程中產(chǎn)生的起皺、破裂問題，利用Dynaform有限元軟件研究了影響水槽成型過程的壓邊力和摩擦系數(shù)，研究結(jié)果表明，隨著壓邊力增大水槽成型質(zhì)量有逐漸變好的趨勢，但是破裂的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增大；摩擦系數(shù)增大，破裂風(fēng)險(xiǎn)的增大趨勢明顯，而起皺風(fēng)險(xiǎn)呈線性下降趨勢。借助于研究成果，選擇較為合理的工藝參數(shù)改進(jìn)模具，可以有效提高模具開發(fā)效率，降低生產(chǎn)成本。