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波形弹簧装配受力示意图
基于ABAQUS仿真平台，开展有限元分析工作。ABAQUS软件的分析过程主要有：确定分析及单元类型、前处理、加载求解和后处理，首先要确定分析类型，不同分析类型对应分析模块不同。确定分析单元，主要包括梁单元、壳单元和实体单元。前处理部分主要包括定义材料属性，如弹性模量、泊松比、材料质量等，选择合适的网格对模型进行划分。然后对模型进行加载，设置求解选项，进行分析。最后进行后处理，查看及分析所得结果。
开展不同材料波形弹簧的厚度、宽度、自由高度、压缩量及正弦波数均对其受力的影响分析；
基于ABAQUS仿真平台，开展有限元分析工作。ABAQUS的分析过程主要有：确定分析及单元类型、前处理、加载求解和后处理，如图所示。仿真模型见图所示。
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波形弹簧力学性能仿真流程
波形弹簧受力仿真模型
压缩量—等效应力，变形—载荷关系曲线，见图所示。
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（a）压缩1mm （b）压缩1.5mm （c）压缩2mm
同种结构同种材料在不同压缩量下的应力分布见图所示。
同种结构同种材料在不同压缩量下的应力分布
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（a）压缩量—等效应力关系曲线 （b）变形—载荷关系曲线
波形弹簧冲压成形工艺仿真研究具体流程包括：通过有限元二次开发技术，高温合金超薄板塑性变形跨尺度本构模型，构建波形弹簧冲压压力和进给应力场施加耦合模型，在此基础上，建立波形弹簧冲压成形过程的有限元分析模型；基于材料本构模型和成形极限曲线，对波形弹簧冲压成形工艺进行仿真分析，确定冲压成形压力加载路径对波形弹簧壁厚分布和缺陷形成的影响机制，最终实现工艺方案和工艺参数优化，为波形弹簧冲压成形工艺实验提供具体理论指导。
波形弹簧精密冲压成形工艺路线研究
确定波形弹簧加工工艺路线：下料，多道次冲压成形，热处理，车加工内外圆，去毛刺及振动光饰，波形弹簧弹力测试。
波形弹簧冲压成形：波形弹簧单件、小批量生产的特点可以采用冲压成型技术，先进行多道次压缩成型，再通过热处理定型，最后车加工其内外圆完成最终加工。由于波形弹簧是在用工装夹紧的状态下车加工内外径，这样就能有效预防材料在压型时的拉伸变形而造成内外径尺寸相对减少的现象，保证零件尺寸合格。
因为波形弹簧形状特殊，要求按圆周均匀分布波峰与波谷，所以冲压成型后，工装要求处于夹紧状态，防止波形配合错位，零件发生变形，尺寸超差。但波簧需要车加工内孔和外圆保证其内外径尺寸，因此设计该工装需要用两处夹紧装置：一是用中心销轴配合垫片和螺母锁紧，依靠销轴与上下压型工装配合，保证上下压型工装之间的同轴度要求；二是用在压型工装底座上沿圆周分布的三对螺栓与螺母锁紧，由它们保证压型工装波形配合。因此设计出一套适合波形弹簧加工的专用压型工装。
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图14 专用压型工装简图
车加工内外圆：车加工使用中心销轴固定夹具，夹紧波簧，车加工外圆，然后用三对螺栓和螺母固定上下压型工装底座，再卸下中心销轴，车加工内孔。
（c）波形弹簧冲压成形缺陷分析与抑制
采用数值模拟和实验相结合的方法，研究波形弹簧冲压成形缺陷形成要素，分析成形工艺参数、模具参数、润滑条件等对波形弹簧成形质量的影响规律，观察波形弹簧冲压成形过程中内外圆尺寸超差、型面不贴模、微特征丢失、起皱等缺陷和质量问题，探明影响波形弹簧成形缺陷的关键要素，揭示缺陷形成机理。通过优化工艺参数加载路径和坯料尺寸、回弹补偿和控制材料流动等方法，实现成形缺陷的抑制与规避。
2）数值模拟工艺参数优化研究
（a）设计拉伸试验测试材料的性能参数，拟合材料试验数据建立适合该材料的本构关系模型；
（b）建立板带材与冲压模具装备三维模型，根据其空间定位关系完成板坯与模具的装配，划分板坯网格并设置网格重划分规则，研究边界条件简化技术并评估其对于计算结果的影响；
（c）采用ABAQUS软件模拟GH4145、0Cr17Ni7Al波形弹簧冲压成形工艺的过程，从理论上获得波形弹簧尺寸厚度变化、减薄率、回弹量变化规律及对成形缺陷的预测，为冲压成形工艺参数的确定，提供理论指导。
（d）计算材料成形极限图（FLD），通过计算结果与实际工艺试验结果的多轮次对比回馈分析，优化成形工艺参数，综合分析拉伸成形过程中减薄拉裂、起皱、回弹等各种问题，并分析成形力、压边力、拉伸筋、模具磨损等各种工艺问题与波形弹簧质量的关联关系，提出降低成形缺陷的解决方案。
论文作者:吴新洲
论文发表刊物:《科学与技术》2019年18期
论文发表时间:2020/4/28
标签：波形论文; 弹簧论文; 工装论文; 工艺论文; 材料论文; 模型论文; 加工论文; 《科学与技术》2019年18期论文;