刘存平，郭 晟，刘 勇，刘光虎，吴福洲
(宜宾职业技术学院，四川 宜宾 644003)
不锈钢水槽是当前最常见的厨房用水槽，该水槽质量轻、耐腐蚀、外观精美，深受消费者喜爱。盒型不锈钢水槽成型具有一定难度，随着板料成型技术的发展，不锈钢水槽成型方式逐渐形成了以整体一次拉深为主。盒型不锈钢水槽拉深过程伴随着大的塑性变形过程，涉及到板料成型的应力应变及塑性强化和流动等非常复杂的多体接触力学问题。传统的模具工序计算和经验估值对产品的成型存在较大的误差，甚至会出现错误的判断，因此会产生大量的试制费用并造成时间浪费[1-6]。
笔者应用数值模拟软件Dynaform对盒型不锈钢水槽拉深过程进行模拟分析，从而为生产时间中选择合适的成型工艺参数提供参考。
1.1 模型建立
根据不锈钢水槽零件图尺寸和水槽的修边余量，利用UGNX软件建立不锈钢水槽零件实体3D模型，如图1所示分别为3D模型和实物零件图。将建立好的3D模型导出并保存为IGS格式，以便进行下一步的仿真分析。材料厚度设置为1.0 mm，材料为SS304。
图1 水槽拉深零件实体与3D模型(模型凸缘已增加修边余量)
1.2 不锈钢材料性能
材料选用不锈钢水槽常用材料SS304，其力学和物理性能如表1所列。
表1 Ss304不锈钢力学及物理性能
1.3 模具参数设置
不锈钢水槽拉深的凹模圆角半径的大小设置为10 mm，拉深凸模圆角半径设置为25 mm，按照一次拉深进行设计，凹模圆角半径与凸缘圆角半径相等，凸模圆角半径和零件底部圆角半径相等，凸模和凹模间隙为1.1 mm，拉深模采用压边圈设置，初始压边力为100 kN。
1.4 毛坯尺寸确定
毛坯形状和尺寸是影响水槽件质量的重要因素，确定拉深毛坯形状的方法也比较多，现在比较常用的有映射法、神经网络法、计算机数值模拟法等，其中有限元法较为全面地考虑了板料成型中金属的塑性流动等因素影响，具有较好的使用效果。本研究利用建好的3D零件模型，导入Dynaform软件中，通过求解得到零件毛坯轮廓线，并制作成毛坯。
1.5 不锈钢水槽仿真分析过程
(1) 实体建模：利用建模软件UGNX建立不锈钢水槽拉深模具，保存为IGS文件，并导入Dynaform软件中进行处理。
(2) 建立分析模型：将IGS模型导入Dynaform，进行网格划分，毛坯网格划分并检查。
(3) 仿真模型设置：利用Dynaform中的Autosetup功能进行冲压仿真初始设置，分别定义Blank、Die、Punch以及Binder，设置板料参数，划分板料网格，设置初始压边力及恒定摩擦系数，完成设置后提交到Job submitter处理器进行运算，图2为不锈钢水槽求解模型。
图2 水槽仿真求解模型
(4) 后处理：求解完成后可以获得不锈钢水槽零件的成型极限图(FLD图)、厚度变化云图等，用于判断零件成型性能。
2.1 压边力对成型的影响
通过对不锈钢水槽拉深成型进行数值模拟分析，发现成型过程中，部分区域会出现破裂和起皱问题。当压边力过大时，易于导致水槽的破裂问题，当压力不足时，又易于导致水槽的起皱问题，所以控制好压边力可以有效控制不锈钢水槽的成型过程。根据压边力公式：
Fq=Ap
式中：A为板料投影面积；
p为单位压力。根据相关资料可知，不锈钢单位压力介于2.5～4.5 MPa，在摩擦系数0.125不变的情况下，设定了不同的压边力，用以观察压边力对不锈钢水槽成型性能的影响。图3所示分别为不同压边力下不锈钢水槽成型极限图。
图3 不同压边力条件下的成型极限图
图3中发现，压边力为100 kN时，不锈钢水槽凸缘部分出现了较为严重的起皱问题，水槽侧壁也出现了一定的起皱问题，水槽底部成型较好；
压边力为700 kN，水槽凸缘起皱问题依然存在，严重起皱问题消失，侧壁起皱问题变小或者消失；
当压边力为1 300 kN，凸缘部分起皱趋势变小，起皱问题基本消失，底部和侧壁成型效果较好；
压边力为1 400 kN，由于压边力过大，材料流动性变差，导致不锈钢水槽圆角部分出现破裂。通过应力和成型极限图分析，材料厚度减薄情况最严重的地方出现在水槽内侧直壁与相邻凹模圆角部分，材料厚度增厚最严重的地方出现在零件凸缘部分。图4为不同压边力情况下的减薄率和增厚率趋势图。
图4 不同压边力情况下的减薄率和增厚率趋势图
从图4可以看出随着压力增大，同一深度最大减薄率呈现先下降后上升的趋势，其中在700 kN时出现了最小减薄率。同时，增厚率线图基本呈稳步下降的趋势。从材料流动角度分析，在其他条件不变的情况下，压边力越小，越有利于不锈钢水槽直壁及其相邻圆角部分材料的流入。
2.2 摩擦系数对拉深影响
在实际生产中通常通过涂抹润滑油等方式改变板料与模具之间的摩擦力，在进行仿真时通过改变摩擦系数来达到改变板料与模具之间的相互摩擦作用。查阅相关文献可知，板料与模具之间的摩擦系数范围一般为0.05～0.15之间。在压边力为700 kN，模具间隙1.1 mm，冲压速度5 000 mm·s-1的条件下，设置模具与板料之间的摩擦系数，利用Dynaform进行数值仿真模拟。图5为不同磨擦系数条件下的成型极限图，从图中可以看出，随着摩擦系数增大，盒型件侧壁和凸缘起皱现象逐渐趋缓，同时侧边与圆角交界处部分拉裂风险逐渐加大，当其他条件不变，摩擦系数为0.18时，出现了拉裂问题。
图5 不同摩擦系数条件下的成型极限图
图6为不同摩擦系数情况下的减薄率和增厚率趋势图，从图中可以看出板料的减薄率随摩擦系数增大呈现逐渐增大的趋势，且随着摩擦系数增大，减薄率增大的速度有增强的趋势；
随着摩擦系数增大，增厚率基本呈线性下降的趋势。从材料流动的角度分析，随着摩擦系数的增大，材料流向内侧直面与相邻凹模圆角部分难度加大。
图6 不同摩擦系数情况下的减薄率和增厚率趋势图
文中针对不锈钢水槽成型过程中产生的起皱、破裂问题，利用Dynaform有限元软件研究了影响水槽成型过程的压边力和摩擦系数，研究结果表明，随着压边力增大水槽成型质量有逐渐变好的趋势，但是破裂的风险也会增大；
摩擦系数增大，破裂风险的增大趋势明显，而起皱风险呈线性下降趋势。借助于研究成果，选择较为合理的工艺参数改进模具，可以有效提高模具开发效率，降低生产成本。