叉形三通沖壓件可靠性能研究

楊芝明 蔚鑫

珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070

1 引言

沖壓件不僅具有較高的加工效率、精度，產(chǎn)生較少的切削碎料，而且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，在航空航天、機(jī)械、化工、日用電器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。叉形三通沖壓件是安裝在空調(diào)分體內(nèi)機(jī)集氣管上的主要組件，具有分流、節(jié)流作用。結(jié)合氦檢泄漏數(shù)據(jù)，沖壓件耐疲勞指標(biāo)為系統(tǒng)中最薄弱部分，也是發(fā)生泄漏最多的地方，提升沖壓件的可靠性，完善沖壓件各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可以提高產(chǎn)品的使用壽命[2]。本文從三通沖壓件的結(jié)構(gòu)著手，分析其薄弱部分，通過改善加工模具的過渡圓角，以減少其應(yīng)力集中避免在某一位置應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋。通過優(yōu)化沖壓間距，增加其危險(xiǎn)點(diǎn)的壁厚來提高耐壓性和韌性。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后的沖壓件在爆破壓力、壓力脈沖等性能方面具有顯著改善。耐疲勞指標(biāo)的提升，有效延長了零件使用壽命，提高其在空調(diào)系統(tǒng)中的可靠性。

2 材料失效形式分析

2.1 靜力破壞形式分析

靜力破壞失效：當(dāng)材料承受的最大載荷大于其本身材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生靜力破壞失效。靜力加載破壞時(shí)材料內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生裂紋累積，受力裂紋會(huì)持續(xù)擴(kuò)展到材料破壞。現(xiàn)對(duì)公司集氣管沖壓件進(jìn)行受力分析，如圖1所示。

根據(jù)微元體的徑向力平衡條件，有以下平衡方程（1）：

當(dāng)σ=σb時(shí)，該點(diǎn)為發(fā)生破裂極限點(diǎn)，當(dāng)σ＞σb時(shí)，材料產(chǎn)生裂紋。

式中：p——集氣管三通沖壓件內(nèi)壓力；da——單位面積元；σ——拉力；t——微元體壁厚；θ——內(nèi)壓與拉力夾角；R——微元體曲率半徑；σb——抗拉強(qiáng)度。

2.2 疲勞失效形式分析

影響機(jī)械零件疲勞強(qiáng)度的因素有很多，有應(yīng)力集中、零件尺寸、表面狀態(tài)、環(huán)境介質(zhì)、加載順序和頻率等，其中前三種為主要影響因素，疲勞破壞是一個(gè)累計(jì)的過程，受多種因素影響，與應(yīng)力大小和加載次數(shù)有關(guān)。當(dāng)三通沖壓件在冷媒反復(fù)沖擊作用下會(huì)發(fā)生疲勞失效，導(dǎo)致泄漏[3]。

3 模具過渡不圓滑加工過程優(yōu)化

沖壓件加工流程主要工序?yàn)椋合铝稀⑿龎簲U(kuò)口、粗沖、精沖。各工序加工示意圖如圖2所示[4]。

根據(jù)全面質(zhì)量管理理論中人、機(jī)、料、法、環(huán)5大影響因素，分析影響沖壓件成型質(zhì)量的以下4點(diǎn)因素：

（1）人：員工培訓(xùn)不足，現(xiàn)場實(shí)操及培訓(xùn)內(nèi)容不能正確指導(dǎo)員工生產(chǎn)。

（2）機(jī)：模具管理不規(guī)范，點(diǎn)檢及壽命周期維護(hù)不到位，模具圓角過渡不圓滑。

（3）料：原材料壁厚，管坯壁厚波動(dòng)較大。

（4）法：三通沖壓件E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，沖壓速率的變化會(huì)對(duì)沖壓件壁厚產(chǎn)生影響。預(yù)制坯形狀不合理對(duì)壁厚產(chǎn)生影響。經(jīng)現(xiàn)場檢查、測量、仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定要因?yàn)槟＞哌^渡不圓滑和E值、H值結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理[5]。

針對(duì)模具過渡不圓滑因素，公司內(nèi)部已做相應(yīng)更改，沖壓管路件因形狀不規(guī)則而常存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。為消除或減少應(yīng)力集中，需盡量減緩沖壓管路件沖壓過渡位置的尺寸變化，把其沖壓前端的加工面設(shè)計(jì)為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體如圖3所示。

通過優(yōu)化沖壓模具，使沖壓件前端的加工面成型為橢圓形的回轉(zhuǎn)殼體，改善模具過渡不圓滑現(xiàn)狀。優(yōu)化前的沖壓面為斜平面，改進(jìn)后的沖壓面是一個(gè)球弧面如圖4所示。沖壓槽與沖壓面的夾角θ，分流孔的中心距H，分流孔定位長度L，定位點(diǎn)與沖壓面的距離k，沖壓球面半徑R，沖壓前端的球弧面SR。

使用有限元仿真軟件對(duì)三通沖壓件更改前后進(jìn)行靜力學(xué)分析如圖5、圖6所示[6]。

沖壓件過渡位置采用圓滑過渡能有效改善應(yīng)力集中，優(yōu)化前三通沖壓件最大應(yīng)力為407 MPa，優(yōu)化后最大應(yīng)力為307 Pa，應(yīng)力下降24.6%。

4 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善方案

圖1 三通沖壓件靜力破壞微元失效圖

圖2 三通沖壓件加工工序示意圖

圖3 三通沖壓件前端結(jié)構(gòu)優(yōu)化圖

圖4 優(yōu)化前后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

圖5 原三通沖壓件結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 優(yōu)化后三通沖壓結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 優(yōu)化后三通沖壓件結(jié)構(gòu)圖

圖8 優(yōu)化后三通沖壓件檢測位置點(diǎn)圖

改進(jìn)三通件沖壓間距E值，增加危險(xiǎn)點(diǎn)的壁厚，可以減小壁厚減薄率，提高耐壓性和韌性。考慮到E值、H值對(duì)沖壓件成型及焊接效果有很大影響，結(jié)合焊接間隙分析，設(shè)計(jì)沖壓間距E值4 mm，成型中心H值7.2 mm。根據(jù)E值、H值估算原材料擴(kuò)口半徑為OD=12 mm，經(jīng)試產(chǎn)品與芯頭貼合適中成型效果較好，如圖7所示。

沖壓件E值（沖壓間距）、H值（兩孔中心距）關(guān)系到?jīng)_壓件變形量，對(duì)沖壓件E值、H值進(jìn)行改進(jìn)，可以降低其變形量，并對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)壁厚和最大壁厚減薄率進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如表1所示。

表1 改變E值、H值性能參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

表2 位置點(diǎn)壁厚變化量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 爆破壓力實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 壓力脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 三通沖壓件結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)本次改善方案確認(rèn)驗(yàn)證項(xiàng)目：產(chǎn)品變薄改善、耐靜力破壞改善、疲勞壽命改善、更改前后焊接質(zhì)量對(duì)比、更改后批量生產(chǎn)穩(wěn)定性驗(yàn)證。在已量產(chǎn)的沖壓產(chǎn)品中選定一款產(chǎn)品進(jìn)行改善，并進(jìn)行小批生產(chǎn)。分別在已批量（改善前）產(chǎn)品與小批（改善后）產(chǎn)品中各隨機(jī)挑選5件樣品進(jìn)行以下檢驗(yàn)：

（1）檢驗(yàn)1

解剖樣件利用金相手段檢測圖8所示位置1、位置2的壁厚，得到其解剖壁厚變化量如表2所示。經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)改善前后薄弱置壁厚明顯改善，壁厚平均增厚14%。

（2）檢驗(yàn)2

采用打水壓測試焊接支管，一端封閉，一端接水壓機(jī)。緩慢施壓，直至樣件爆破，檢查記錄爆破位置與爆破壓力，共做5次水壓實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。結(jié)構(gòu)改善后產(chǎn)品承壓有一定改善，爆破壓力平均增加7%。

（3）檢驗(yàn)3

將樣件接至壓力脈沖實(shí)驗(yàn)儀器，采用液壓油進(jìn)行循環(huán)壓力脈沖，壓力分別設(shè)為0～3.2 MPa，0～4.5 MPa，檢查記錄破環(huán)位置與脈沖次數(shù)，結(jié)果如表4所示。結(jié)構(gòu)改善后，產(chǎn)品承受壓力脈沖次數(shù)有著絕對(duì)優(yōu)勢，特別是在應(yīng)用于R32冷媒系統(tǒng)中，將脈沖壓力提升到4.5 MPa時(shí)，改善前最低僅能承受7000次，改善后能達(dá)到20萬次不破裂。

（4）檢驗(yàn)4

進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后解剖樣件，利用金相手段檢測產(chǎn)品各關(guān)鍵位置焊接質(zhì)量。本次實(shí)驗(yàn)中，所抽檢產(chǎn)品焊接質(zhì)量均能符合我司焊接質(zhì)量要求。

（5）檢驗(yàn)5

改善后產(chǎn)品經(jīng)小批500、1000試生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中篩選入廠檢驗(yàn)，班組抽檢均未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品異常，生產(chǎn)安裝、焊接、氦檢無異常。本次實(shí)驗(yàn)中，兩次小批試生產(chǎn)，可改善產(chǎn)品生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性能。

6 結(jié)論

通過以上驗(yàn)證，可知本次進(jìn)行的“模具圓滑過渡”、“沖壓結(jié)構(gòu)優(yōu)化”改善對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有明顯改善作用，達(dá)到預(yù)期效果。沖壓模具采用圓滑過渡后，能有效改善應(yīng)力集中，降低零件的最大應(yīng)力。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，新產(chǎn)品壓力脈沖次數(shù)由5萬次提高到20萬次，提升率達(dá)300%，爆破壓力由原來的17.5 MPa上升到18.8 MPa，提升7%，薄弱位置的壁厚由原來的0.5875 mm提升到0.673 mm，提升14%。對(duì)新產(chǎn)品三通沖壓件進(jìn)行焊接操作，解剖后觀測其熔深符合我司要求，在現(xiàn)有加工生產(chǎn)條件下對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行小批試產(chǎn)，均未發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)異常，符合我司要求。