CFD分析在沖模鐵屑控制裝置設計中的應用

孫正輝

（東風本田汽車有限公司， 湖北 武漢 430000）

0 引 言

計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）是流體力學的一個分支，它通過計算機模擬獲得某種流體在特定條件下的有關信息，實現了用計算機代替試驗裝置完成“計算試驗”。CFD分析作為一種實際工況模擬仿真的操作平臺，受外在因素的干擾較小，有利于氣路系統全局動力學狀態的快速準確分析，在提高氣動裝置動力學效能、降低裝置設計驗證成本等方面起到較大作用。CFD分析可以在流體裝置設計中進行結構分析、動力學優化、可靠性分析等，對提高流體裝置的性能和降低生產成本起到了重要作用，現研究CFD分析在沖模修邊鐵屑控制裝置結構設計中的應用。

1 沖模修邊鐵屑控制裝置

隨著我國經濟的快速發展和科學技術的進步，汽車覆蓋件生產線加快向著高效化、自動化、智能化方向發展，全自動化伺服沖壓生產線已達到12～20 SPM（每分鐘沖程數），更快的節拍給沖模工藝帶來了挑戰。

修邊工序模具切斷坯料時，交刀部分（修邊刀與廢料切斷刀交會區域）會產生大量的修邊鐵屑（面積在2 mm2內，質量不超過1 g）。上模高速往復運動形成的凹模負壓氣流，會將這些鐵屑吸入模具工作區域，附著在零件或者模具零件表面，造成零件表面凹凸缺陷、模具零件型面損傷、刀口鐵屑積瘤、模具表面鐵屑臟污等不良現象，如圖1所示。為保證零件生產品質，提高生產效率，需在修邊模上安裝高效的修邊鐵屑控制裝置，對修邊鐵屑進行清理。

圖1 修邊模切斷鐵屑造成的不良現象

2 CFD仿真與分析

模具修邊鐵屑控制裝置內部流體狀態復雜多變，利用傳統計算方法難以計算出結果，因此借助Flow Simulation軟件對模具修邊鐵屑控制裝置進行實際工況下CFD分析。CFD流體運動狀態分析的基本原理：通過建立分析對象的三維模型及定義流體介質和對模型各出入口給定邊界條件，并將分析對象實體分解成為許多小的互連子域，計算機根據這些子域選取合適的有效流體計算域，然后明確計算目標，通過N-S方程、流體連續性方程及伯努利定律等數學工具進行計算，最后得出實體各位置的目標參數，通過結果參數即可對裝置設計的合理性作出判斷。

2.1 修邊鐵屑控制裝置基本結構與原理

沖模修邊工序切斷鐵屑的裝置結構包括通道管體、吸屑口、排屑口、壓縮空氣輸入氣管、導氣管等，其工作原理：根據伯努利定理與連續性方程，在一個流體系統中，流體由壓強大的方向向壓強小的方向流動，同時流速越小壓強越大，流速越大壓強越小。模具修邊鐵屑控制裝置在實際使用時，由生產線壓力機臺車提供壓縮空氣，通過導氣管將壓縮空氣輸入到通道管體內，在導氣管出氣端和排屑口之間的空間內形成高速氣流，在吸屑口和排屑口之間形成較大的氣壓差，在外部大氣壓作用下會形成吸屑口向排屑口方向的高速氣流，對模具交刀處周邊鐵屑進行及時吸取清理。

根據上述裝置原理，鐵屑控制裝置的清理效能與其吸屑口空氣流速呈現正相關性。因此，要想獲得鐵屑清理效能最佳，必須用試驗獲得吸屑口空氣流速最優的方案。

2.2 傳統修邊鐵屑控制裝置流體動力學分析

2.2.1 三維建模

利用Solidworks軟件繪制傳統模具修邊鐵屑控制裝置三維模型，命名為1號裝置，如圖2所示。

圖2 1號裝置模型

2.2.2 基本參數設定

設定模具修邊鐵屑控制裝置的材料類型為鋁，分析類型為內部流場，流體介質為空氣，流動類型為層流和湍流，吸屑口處環境壓力設置為0.5 MPa，基本參數設定如表1所示。

表1 CFD分析基本參數設定

2.2.3 CFD解算與其他相關設置

（1）對裝置進行計算域設定，采用Flow Simulation自動生成，如圖3所示。

圖3 建立邊界條件與計算域

（2）對裝置進行網格劃分，采用Flow Simulation默認的自動網格劃分，共生成3 644個網格。

（3）對裝置進行目標點（吸屑口）流速分析。

（4）查看CFD可視化分析結果，如圖4所示。

圖4 1號裝置CFD運動狀態可視化

2.2.4 分析結果

1號裝置吸屑口平均空氣流速為69.28 m/s，如圖5所示，輸入口與吸屑口流速分布不均衡（見圖4），需要對結構設計進行優化，平衡管體內部流速分布情況，提高吸屑口流速，進而提高清理鐵屑效能。

圖5 1號裝置吸屑口氣流速度分析報告

2.3 裝置流體動力學優化

2.3.1 2號裝置設計

針對1號裝置吸屑口氣流速度不足，通過伯努利方程與連續性方程中流速、壓強與橫截面積的關系，最終確定通過減少吸屑口管道橫截面積來提高吸屑口空氣流速。

選擇5組不同吸屑口與排屑口直徑比的管道進行試驗，結果如表2所示，淘汰試驗4、5不可用的結果，試驗3直徑比0.5：1、流速179.33 m/s為最優解。

表2 不同吸屑口管道橫截面積試驗結果

2號裝置CFD全局運動狀態如圖6所示，其吸屑口流速為179.33 m/s比1號裝置的69.28 m/s提高了2.6倍，但裝置內部流體分布存在較多擾流，流速分布不均衡。同時，發現采用非對稱的單個氣源結構是造成擾流的根本原因。

圖6 2號裝置CFD運動狀態可視化

2.3.2 3號裝置設計

針對2號裝置設計的非對稱單個氣源結構存在的擾流問題，進行輸入氣源數量優化試驗，結果如表3所示，當氣源數為3個時結果最優。

表3 不同氣源數量試驗結果

將3個輸入口以兩兩相隔120°均勻排列以平衡氣流，如圖7所示，吸屑口平均空氣流速達到261.04 m/s（見圖8）。優化設計的3號裝置吸屑口空氣流速約為1號裝置的3.7倍，且其內部流體速度分布均勻，無擾流出現。3號裝置使用后每生產5 000件零件，鐵屑造成的品質不良率降低至0.03%，按照3號裝置結構設計的修邊鐵屑控制裝置如圖8所示。

圖7 3號裝置CFD分析報告

圖7 3號裝置CFD運動狀態可視化

3 結束語

通過Flow Simulation軟件對沖模修邊鐵屑控制裝置進行了CFD分析，對3種裝置的空氣流場壓強、流量以及流速分布結果進行了分析和比較，最終確定最優方案。根據仿真結果制造了新型三氣源結構的鐵屑吸取裝置，在實際應用中滿足吸取效能的要求，達到良好的修邊鐵屑控制效果。

通過案例也證明了CFD分析在沖模鐵屑控制裝置設計中應用的重要性，提高了問題點原因的查找效率，可以精確給出裝置各部分的流體動力學參數，便于比較各設計方案之間的優劣，減少了計算時間、試驗場地和設備硬件的成本，并且CFD分析迭代成本低廉，使用效率高，可以離線診斷并且通用性強。