家電產品“U形件”彎曲回彈有限元分析

馮安平，原紅玲

(佛山職業技術學院機電工程系，廣東佛山 528137)

家電產品在整個制造業領域占有舉足輕重的地位。在家電產品的設計、制造上，除了制冷、電器控制系統上的難點之外，復雜沖壓件的成形也是家電產品制造中的難點之一。冰箱豎梁等零件都是“U形件”結構件，其彎曲成形過程中的回彈量控制，將直接影響到家電產品開發的成敗。

1 家電產品“U形件”彎曲回彈分析

對于“U形件”來說，回彈包含兩方面的容:角部角度的回彈和側壁卷曲。角度回彈是指板料經過彎曲，零件中的彈性變形釋放導致的最終彎曲角度的變化。而側壁卷曲則是毛坯料在拉力的作用下，經過凹模圓角，彎曲、展開變形的結果。由于殘余應力的釋放，導致相應區域的卷曲［1］。回彈效果如圖1所示。

圖1 “U形件”角度回彈與側壁卷曲示意圖

2 家電產品“U形件”彎曲回彈模擬過程

形狀復雜的沖壓零件，由于沖壓時材料流動極其復雜，利用板料沖壓的有限元數值模擬技術，確定合理的毛坯外形尺寸和優化各種模具結構參數，對提高產品質量、降低制造成本和縮短開發周期有著重要的作用。

DYNAFORM-PC軟件是美國ETA公司與LSTC公司合作推出針對板料成形數值模擬的專業化軟件，能提供豐富高效的單元類型，能模擬彎曲、翻邊、拉伸、成形、壓筋和擴 (縮)口等絕大部分成形工藝以及多工序沖壓成形，能確定沖壓件的最大應力(變)部位、輸出厚向應變圖、Von Mises等效應力分布圖和具有真實感的成形過程動畫［2］。目前 DYNAFORM己在世界各大汽車、航空、鋼鐵公司以及眾多的大學和科研單位得到了廣泛的應用［3］。

下面以家電產品上常用的碳素結構鋼Q215A為例，試樣尺寸為100 mm×30 mm×0.2 mm，采用DYNAFORM-PC軟件對“U形件”彎曲回彈進行模擬。

試樣“U形件”彎曲工藝如圖2所示。

圖2 “U形件”彎曲簡圖

該試樣“U形件”彎曲模擬過程及分析如下:

(1)有限元數值模型

圖3為二維對稱有限元數值模型，圖3(a)給出了零件的主要幾何參數。零件處于平面應變狀態。有限元網格如圖3(b)所示，采用雙線性四邊形單元［4］。

圖3 分析模型

(2)凸模運動速度曲線和壓邊力曲線

經過網格劃分，坯料展開，毛坯網格設定，模型檢查，確定凸模、毛坯、凹模、壓料板的相對位置等步驟，得到凸模位移曲線 (圖4)和壓邊力曲線 (圖5)。

圖4 凸模位移曲線

圖5 壓邊力曲線

(3)后處理

后處理結果中提供了零件的成形信息，如零件的變形情況、主應力分布、副應力分布、平面應變向量等，如圖6(a)— (d)所示。

圖6 后處理結果

(4)加載過程中凸模載荷、材料溫度與加載歷史的關系

圖7顯示，加載過程分為3個階段:彈塑性變形階段、塑性變形階段和零件被壓緊階段。圖8為零件溫度分布情況。

圖7 凸模載荷隨時間變化

圖8 零件溫度分布

(5)加載過程中零件溫度分布

圖9表示了中間過程和加載終了時零件的溫度分布情況。高溫區表明零件經歷了大的塑性變形。盡管模具與零件相互接觸，但由于板料厚度較小，故溫度在零件厚度方向上的變化可以忽略不計［5］。

圖9 零件溫度分布

(6)加載過程中有效應變、應力分布

圖10表示加載過程中零件的有效應變分布情況。與溫度分布情況不同的是，可以看到:在板料厚度方向上，有效應變有較大的變化［6］。不論板料厚度大小，這是彎曲零件應變分布的主要特征。在凸模圓角附近，零件內部有相對較大的應變值，相應的應力分布如圖11所示。

圖10 零件的有效應變分布

圖11 零件的有效應力分布

3 家電產品“U形件”彎曲回彈模擬結果分析

根據凹模圓角半徑Rd與回彈的關系 (圖12)，凸、凹模間隙與回彈的關系 (圖13)，摩擦系數與回彈的關系 (圖14)，凸模速度vp與回彈的關系 (圖15)得到以下模擬結果:

圖12 凹模圓角半徑Rd與回彈的關系

圖13 凸凹模間隙C與回彈的關系

圖14 摩擦因數μ與回彈的關系

圖15 凸模速度vp與回彈的關系

(1)凹模圓角半徑。凹模圓角半徑對回彈的影響程度較小［7］;

(2)凸、凹模間隙與“U形”零件的負回彈幾乎呈線性關系，間隙值越大，回彈值越大;

(3)壓邊力對“U形件”彎曲回彈的影響。壓邊力較小時，回彈隨著壓邊力的增大而增加;相反，壓邊力較大時，回彈隨著壓邊力的增大而減小。對應于回彈的最大值，存在某一壓邊力值。同時，還可以找到一壓邊力數值，使得回彈基本消失。

(4)摩擦因數對“U形件”彎曲回彈的影響。隨著摩擦因數的增加，零件的負回彈有一定程度的減小。但當μ大于某一數值時，回彈均為正值。這種趨勢說明，采用合適的潤滑劑，可以減小回彈值［8］。

4 結束語

文中的研究確定影響“U形件”回彈的諸多因素，提出了一些減小回彈的方法。將研究結果用于沖壓生產的工程實踐，進行生產的過程控制和零件質量控制，為模具制造和沖壓生產從業人員提供有益的參考。

［1］原紅玲，王可勝，楊安民.冰箱豎梁“П”形件彎曲回彈規律研究［J］.機械設計與制造，2013(10):252－254.

［2］岳陸游，姜銀方，陳煒，等.DYNAFORM-PC軟件及其在鈑金沖壓中的應用［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2002，23(6):51 －52.

［3］CHO J R，MOON S J，MOON Y H，et al.Finite Element Investigation on Spring-back Characteristics in Sheet Metal U-bending Process［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，141(1):109 －116.

［4］趙俠，傅建，余玲，等.有限元模擬技術在板料沖壓成形中的應用［J］.四川工業學院學報，2004，23(S1):241－249.

［5］謝起斌.橢球形件復合成形規律的研究［D］.西安:西安交通大學圖書館，2005:183－186.

［6］劉聯群，馬廣慧.板料彎曲的彈復現象［J］.電子工藝技術，2004，25(4):174 －175.

［7］岳陸游，許麗平.數值模擬在板料沖壓加工中的應用［J］.模具工業，2004(11):34 －37.

［8］衡猛，周建中.有限元數值模擬在汽車覆蓋及其模具中的應用［J］.機床與液壓，2004(11):140－141.