□ 史亞貝

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473009

基于有限元模擬優(yōu)化技術(shù)的葉片沖壓成形工藝研究*

□ 史亞貝

河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南南陽 473009

通過對混凝土攪拌車11號葉片的定位方法進行有限元數(shù)值模擬，分析了用不同工藝方法加工的葉片空間變形過程及應(yīng)力應(yīng)變的分布云圖；通過選擇合理的定位方法，優(yōu)化沖壓工藝,較好地控制了葉片在沖壓成形過程中的滑動現(xiàn)象，提高了葉片的成形精度。

有限元模擬 定位工藝 沖壓成形

混凝土攪拌車攪拌葉片厚度一般為4 mm，葉片的加工方式一般為自由彎曲成形，并且無壓邊裝置。由于葉片在沖壓成形過程中存在很大的空間扭曲與彎曲變形，導(dǎo)致葉片在沖壓過程中發(fā)生偏移和轉(zhuǎn)動，滑出模具型腔，影響了葉片的成形精度，甚至產(chǎn)生廢品。針對以上問題，本文通過對葉片沖壓成形工藝的有限元數(shù)值模擬分析，設(shè)計出較為合理的葉片成形定位方法，有效限制了葉片在沖壓過程中的自由流動，并保持其在模具中的正確位置，最終使葉片得到精確的形狀尺寸。

1 葉片沖壓成形有限元數(shù)值模擬

1.1 葉片成形過程分析

圖1是混凝土輸送車第11號攪拌葉片模具圖，由于該模具沒有任何定位裝置，在成形過程中，葉片無法保持與模具完全合模，使葉片的成形精度得不到保證。

由于葉片在沖壓成形過程中存在很大的空間扭曲與彎曲變形，如何通過合理的定位方式控制葉片在沖壓過程中的自由流動，最終控制葉片的成形精度，這是葉片沖壓加工中的難點。

▲圖1 11號攪拌葉片模具圖

▲圖2 葉片有限元仿真模型

1.2 數(shù)值模擬及結(jié)果

1.2.1 有限元建模

圖2所示為所建立的葉片有限元仿真模型，從上到下分別為凸模、板料和凹模，沖壓方向垂直向下。

1.2.2 材料

寶鋼產(chǎn)B520鄄JJ鋼具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能、低溫沖擊韌性和冷沖壓性能,符合葉片使用及加工要求，故葉片材料采用寶鋼產(chǎn)B520JJ鋼，其材料性能參數(shù)為：楊氏模量E=212 GPa，泊松比ν=0.31，屈服應(yīng)力σs=361 MPa。

1.2.3 邊界條件

模擬沖壓速度按回彈模擬推薦值取5 m/s，接觸摩擦因數(shù)按經(jīng)驗值取0.15。

1.2.4 沖壓模擬結(jié)果

沖壓成形結(jié)果如圖3所示，由圖3可以明顯看出，葉片在成形過程中有嚴重的滑移現(xiàn)象，葉片邊緣與模具邊緣最大偏差為30.8 mm （圖中葉片超出模具部分的陰影長度），嚴重影響了葉片的成形精度。

葉片成形后的厚度分布如圖4所示。

▲圖3 未采用定位工藝的葉片成形結(jié)果

▲圖4 未采用定位工藝的葉片成形厚度

2 葉片定位工藝的優(yōu)化設(shè)計

葉片的沖壓工藝設(shè)計主要是確定在一定壓力及沖壓速度下葉片的定位方式，控制葉片在成形過程中的滑動，從而保證葉片的成形精度。

2.1 定位方案設(shè)計

根據(jù)葉片沖壓成形的模擬結(jié)果，筆者設(shè)計了4種定位方法，如圖5所示。

圖5（a）定位方式：一點定位，一點位于一邊界；圖5（b）定位方式：兩點定位，兩點位于同一邊界，距離較近；圖5（c）定位方式：兩點定位，兩點位于同一邊界，距離較遠；圖5（d）定位方式：三點定位，兩點位于同一邊界，另一點位于相鄰邊界，呈三角狀分布。

2.2 各種定位方法下數(shù)值模擬結(jié)果

2.2.1 沖壓成形模擬結(jié)果

在各種定位方案下，葉片沖壓成形模擬結(jié)果如圖6所示。通過有限元模擬結(jié)果可以看出，4種定位方法都能較好地對葉片定位，而圖5（d）的定位方法相對其它方法定位效果最好，與模具邊角吻合度高，葉片邊緣和模具邊緣最大偏差（超出模具部分）為3.53 mm。

2.2.2 葉片沖壓成形厚度

圖7所示為4種定位方法下葉片沖壓成形后的厚度，與未加定位時的模擬結(jié)果幾乎一致，由此可以得出，該近似模擬是符合實際的。

▲圖5 4種定位方法的有限元模擬的邊界定位示意圖

▲圖6 采用4種定位方案的沖壓結(jié)果

3 實際沖壓試驗

為確定模擬結(jié)果的準確性，應(yīng)用圖5（d）定位方案對葉片進行了沖壓實驗，葉片在成形過程中合模較好，形狀符合要求，應(yīng)力分布均勻。圖8所示為壓制出來的實際葉片照片，由此可得出，葉片沖壓成形工藝的有限元數(shù)值模擬優(yōu)化設(shè)計是有效可靠的。通過有限元數(shù)值模擬方法可對沖壓工藝的制定及沖壓模具的設(shè)計進行準確的指導(dǎo)，從而提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

通過對葉片沖壓成形的有限元模擬仿真，得出沖壓過程中葉片在模具型腔內(nèi)的滑動方向。然后，設(shè)計多種簡單可行的定位工藝方案，通過對各種定位方案進行有限元數(shù)值模擬，分析了不同工藝方案的葉片空間變形過程及應(yīng)力應(yīng)變的分布云圖，選擇合理的定位方案，優(yōu)化沖壓工藝設(shè)計，最終生產(chǎn)出合格的葉片產(chǎn)品。

▲圖7 4種定位方法下葉片沖壓成形厚度

▲圖8 經(jīng)實際沖壓成形后的11號葉片

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（編輯 丁 罡）

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*2014年南陽市科技發(fā)展計劃基金項目（編號：2014GG025）

2014年12月