仿真技术在承液盘冲压成形优化中的应用

陈小润 唐相伟 易宁 张南富

广东美的厨房电器制造有限公司 广东佛山 528311

1 引言

随着仿真技术的逐步发展，在汽车、航空航天、家电等行业，仿真技术在产品设计、产品工艺等多个环节普及应用，嵌入到产品研发流程中，提升产品品质、缩短产品研发周期，减少产品研发成本。

在家电行业的很多家电产品中，钣金件是主要的结构部件，目前在公司，钣金冲压模具设计都是借助经验，通过多次反复的试模，来确定可行性方案，周期长且成本高。参考汽车行业的成功经验，尝试引入冲压仿真技术，对冲压过程中的关键工艺进行先期仿真分析，输出可行性方案后，再进行试模，减少以往经验模式中的试模反复次数。本文中，以一款简单的燃气灶承液盘为研究对象，利用冲压仿真技术优化设计，输出可行性方案。

冲压仿真技术是利用CAE软件数字模拟实际试模过程，获取钣金件冲压成形结果，解决出现的起皱、拉裂、回弹等问题，缩短产品开发周期，降低开发成本，提升钣金件成形质量。冲压仿真技术可输出零件的变形过程，及成形后的成形极限图、厚度分布图、应力应变云图等仿真结果，可较完整及有效地评价零件结构钣金成形的可行性。

（1）变形过程：以动画方式或逐帧方式显示坯料在受模具冲压时的变形过程，可显示整体结果，也可单独显示坯料的瞬间变形情况。

（2）成形极限图：也简称FLD，如图1所示，由板料在不同应变路径下的局部失稳极限工程应变e1和e2或极限真实应变ε1和ε2构成的条带形区域或曲线, 它反映了板料在单向和双向拉应力作用下抵抗颈缩或破裂的能力，经常被用来分析、解决成形时的破裂、起皱等问题。

（3）厚度分布图：分析坯料成形过程中的厚度变化，以等值线云图方式显示各区域成形后的厚度大小，以此可得出材料的减薄率和增厚率。对钣金材料来说，如果减薄率太大，材料则容易破裂。

（4）应变云图：分为主应变云图和次应变云图，判断零件的变形情况。

本文中主要以成形极限图和厚度分布图作为结果分析依据。

2 研究背景

燃气灶承液盘主要安装在燃气灶炉头的周圈，在做菜、煲汤或烧水时，可以承接溅出来的菜、汤、水，避免影响燃气的正常燃烧，并便于清洁。承液盘一般由金属薄板材料加工而成，常用的材料有sus430、sus201等不锈钢材料，常采用钣金冲压工艺制造成形。如图2所示为某款燃气灶产品的小炉头承液盘结构，初选材料为sus430不锈钢，成形工艺分别为拉深——冲孔——裁剪，但在模具拉深试模时，发生零件严重破裂现象，如图3为试模冲压成形件，其中小凸包两侧倒圆角（后文中称为凸耳）位置局部发生开裂；故采用仿真技术模拟零件拉深冲压过程，分析零件成型破裂的原因，并在零件结构、冲压工艺、零件材料等方面进行优化设计及仿真验证，输出可行性优化方案。

3 冲压仿真

3.1 仿真运算及试验对比

对承液盘原结构进行拉深阶段的仿真建模及运算，采用试模时相同的sus430材料，相同的边界条件，相同的胚料尺寸，胚料厚度0.6mm；分析仿真结果，并与试验结果对比，验证仿真模型的建模准确性。如图4为导入并经过几何前处理后的仿真模型，并在零件基础上增加压边部分，抽中面划分网格，中面网格作为凹模（die）结构，并在凹模网格基础上复制得到压边圈（binder）和凸模（punder）网格，坯料（blank）结构采用与实际相同的八角形结构。对以上仿真模型进行运算，得出如下结果：

（1）从图5成形极限图看，在承液盘的4个凸耳位置出现严重开裂现象。在胚料四周出现起皱现象，但考虑到起皱区域为余料裁除部分，不影响零件成形质量。

（2）从图6厚度变化云图看，成形后，材料厚度最薄值为0.17mm，最大减薄率70%，发生在图中4个凸耳位置。起皱区域的材料增厚，最厚处0.61mm，最大增厚率2.0%，发生在胚料余料部分。

（3）综上，从仿真结果看，拉深冲压过程中，胚料发生开裂现象，且开裂位置及开裂程度与实际试模出现的开裂现象一致；所以，认为当前采用的仿真模型准确度可信，满足分析要求，后期更改方案仿真验证时，采用相似的仿真建模方式满足优化要求。

3.2 原因分析

从零件结构看，4个凸包位置局部尺寸变化剧烈，且凸包拔模角小，造成该处拉深成形需要更多的材料流动；从材料看，sus430不锈钢的延展性一般，造成凸耳位置材料流动不满足拉深需求。所以，改善方向从零件厚度、结构、材料三方面进行。

3.3 优化及仿真验证

3.3.1 厚度优化

在原零件结构基础上，增加坯料材料厚度，由0.6mm分别增加到0.7mm和0.8mm，分别形成方案1及方案2，进行仿真运算得出如下结果：

图1 成形极限图

图2 承液盘零件图

图3 试模冲压成形件

图4 冲压仿真模型

图5 原方案成形极限图

图6 原方案厚度变化云图

图7 承液盘凸耳结构关键尺寸

（1）从成形极限图看，不论是方案1还是方案2，在拉深过程中，均在4个凸耳位置发生开裂现象。

（2）从厚度变形图看，方案1，0.7mm厚坯料时，最薄厚度为0.20mm，减薄率为71.4%；方案2，0.8mm厚坯料时，最薄厚度为0.27mm，减薄率为66.3%。

（3）从结果对比看，在方案1和方案2中，厚度的增加对成形开裂现象无明显改善效果。

3.3.2 结构优化

在原零件结构基础上，更改承液盘凸耳局部结构尺寸，材料同样用sus430，如图7为凸耳关键尺寸，在方案3中，更改a和b两个尺寸，a由14mm更改为10mm，b由12mm减少为10mm；对方案3进行仿真运算，从仿真结果看，方案3还是会出现凸耳位置开裂现象，最薄厚度为0.39mm，相比原结构已有较大改善，但依然不满足成形要求。

在方案3基础上，更改c尺寸，由5mm更改为4mm，形成方案4，仿真结果如下：

（1）从图8成形极限图看，方案4中零件已无开裂现象出现，在凸耳周边出现小区域起皱现象。

（2）如图9所示，成型后，材料厚度最薄值为0.47mm，最大减薄率21.6%。

3.3.3 材料优化

考虑到sus430不锈钢的延展性不足，更换为sus201不锈钢，零件结构不变，形成方案5。其他的条件均相同的情况下，对方案5进行仿真分析运算，得出如下结果：

（1）从图10成形极限图看，方案5中零件无开裂现象出现，在凸耳周边出现小区域起皱现象。

（2）如图11所示，成型后，材料厚度最薄值为0.39mm，最大减薄率35%。

（3）综上，说明方案5可满足冲压成形要求。

3.4 仿真小结

综上，共完成6种不同方案的冲压仿真分析，包括原方案及5种更改方案，各方案的仿真结果对比如表1所示，其中方案4和方案5在拉深仿真中，无开裂现象出现，可满足成形要求。

表1 各方案冲压仿真结果

图8 方案4成形极限图

图9 方案4厚度变化图

图10 方案5成形极限图

图11 方案5厚度变化图

4 结论

本文以一款燃气灶承液盘为研究对象，利用仿真技术分析承液盘试模过程中出现的开裂原因，并进行零件厚度、结构、材料的更改设计，及快速仿真验证，输出可行性方案。

（1）在原方案的仿真结果中，开裂的位置及程度与实际试模现象相吻合，也验证了仿真模型的可信度。

（2）更改坯料厚度，由0.6mm增加到0.7mm还是0.8mm，但均会在拉深过程中出现开裂现象。

（3）更改零件结构，变更凸耳3个尺寸，当只更改凸耳a、b尺寸时，依然会出现开裂现象，当3个尺寸同时更改时，拉深工序中零件无开裂发生，满足成形要求。

（4）将材料由sus430变更为sus201后，材料拉延性能提升，在仿真过程中，零件无开裂发生。并考虑只换材料试模方便，已进行sus201材料的试模测试，实际拉深后零件无开裂出现，满足成形要求。

（5）综上，可认为利用冲压仿真技术模拟实际冲压工艺过程，准确度可信；且仿真可快速验证更改方案的优化可行性，以可行性方案试模实验，可节省成本及时间。