1、冰箱铰链轴断裂的数值模拟和改进设计冰箱铰链轴断裂的数值模拟和改进设计西安交通大学机械工程学院张德海刘思科1 引言2003 年,国内某知名家电企业与日本某公司合作共同开发了一款风冷型冰箱,专门出口日本市场.其中某型抽屉式拉门无霜冰箱以其独特的外观,卓越的制冷性能,舒适的使用性能而深受广大青年用户的青睐,产品一经上市就供不应求.产品在日本销售半年后,连续出现了两次冰箱门体脱落事件,经查系中铰链的铰链轴折断所致(见图 1).为避免类似事情再次发生,保证出口产品的质量,公司决定该产品暂停销售,并责令技术部门尽快查明原因.图 1 铰链轴折断的冰箱局部l2341-上模 ;2-铰链固定板 ;3-铰链轴;4-
2、 下模图 2 铰链铆压连接示意图2 原因调查冰箱铰链属于冰箱总装部件,固定于冰箱的正面,起到固定连接冰箱门体的作用,同时要承受门体及其装载物产生的重量.国内冰箱上使用的铰链有锌铝合金压铸成形和钢板冲压成形两种.该产品采用的是钢板冲压铰链,由铰链固定板和铰链轴组成,如图 2 所示.2,l 冰箱铰链故障及诊断分析从轴断口一侧呈现明显的疲劳源区,疲劳扩展区和瞬断区的特点(见图 3),断口属于疲劳断裂.由于断口处的匹配性良好,宏观塑性变形很小,说明脆性严重.外圈虽有明显的锈迹,但在断裂表面上几乎没有促进腐蚀的 cl(氯),s(硫)的成份,由此认为锈不是铰链轴折断的主要原因.由于在断裂面存在 Cr(铬
3、)的成份 .因此初步认为,在镀铬前已经有裂缝现象.图 3 轴断口的宏观形貌图2.2 铰链构成铰链组件(图 4)是由铰链轴(图 5)和铰链固定板(图 6)铆压连接而成.2.3 产生裂缝原因调查2.3.1 铰链轴材料力学性能检查设计要求铰链轴的材料为冷镦钢论文园地 lTechnicalPapers摘要:针对出口日本的冰箱铰链轴断裂问题.本文从材料成份,构建工艺,设计结构尺寸方面进行了较详细的分析.使用 DEFOROM 软件进行了塑性成型过程的数值模拟.提出了组织流动原因的可能度和应力集中原因的可能度概念.对比得出铰链轴断裂的原因来自应力集中.修改了相应的结构参数.调整了下模的深度,最后经生产实践验
4、证了上述参数的正确性.关键词:冰箱铰链轴 DEFOROM 断裂数值模拟ML08,厂家采购的材料牌号为:宝钢生产的冷镦钢 SWRCH6A.比较两种材料的化学成分(见表 1)21.结论一:铰链轴所用材料符合设计要求.2.3,2 铰链轴加工后检查尺寸检查:铰链轴经铆接和切削加工后,抽查 50 个,尺寸符合图纸.剖面检查:从上述 50 件铰链轴中抽出 10 件,沿铰链轴中心线剖开,检查剖面.10 件剖面全部无夹渣,无气孔,无裂纹,且金属质感良好.落球试验:剩余 40 件做落球试验.图 4 铰链组件图 5 铰链轴图 6 铰链固定板SWRCH6AO08O03050O030O035i9.937 一蔓 09:
5、壁.-一一童蹙璺:哟 llllllll935 一.一49此试验目的是检查铰链轴单个零件的性能,无需铆接,全部合格.结论二:铰链轴冷镦和切削加工后未产生裂纹,但在凸台周围可能有应力集中.2.3.3 铰链轴和铰链固定板铆压连接后检查铆压连接有预装配和铆接两个过程.预装配:在铆接前,手工将铰链轴装配到铰链固定板指定孔内,装配困难的可以用木槌敲击.要求铰链轴装配到位,不能倾斜.铆接:在 250 吨开式可倾压力机上,将预装配后的铰链通过上模和下模铆接在一起.下模上有一个直径中 6.3mm,深11.5mm 的孔,上模是一个直径为 cI)10mm,头部倒 45.角的冲头,将铰链轴置于下模孔内,合模时上模将铰
6、链轴中 5.8mm 孔涨开,压平(见图 2).铆接力大小是依靠调节 cI)5.8mm 孔涨开,压平后直径大小控制的.根据经验,厂家将该尺寸控制在a?铰链轴长度;b.铰链轴肩凸缘厚度;c.铰链轴铆接部长度:L? 铰链轴铆接部位壁厚;中? 铰链轴铆接变形后止口直径.图 7 铰链组件剖面图铆接时.下模板在铰链轴上施加反力铰链轴铆接时.固定板推压凸缘背面的力量(全周)应力集中引起的裂缝( 全周)图 8 铆接时铰链受力示意图50中 8.69.1mm 范围内.铰链铆接后检查:按上述要求加工,从铆接好的铰链成品中抽查 1O 个进行尺寸检查(图 7),全部合格.铰链轴铆接过程受力分析:从铰链加工工艺过程分析,
7、使铰链轴凸缘背面受力的工序有切削加工,预装配,铆接.预装配时铰链轴所受力很小(与铆接时受力相比),可以忽略.切削加工时在铰链轴凸缘背面内直角处产生应力,铆接时该处产生更大应力,应力集中产生全周裂缝(图 8).结论三:从上述试验和受力分析可以有如下结论,引起铰链轴折断的裂纹是在铰链轴铆接过程中产生的.3 冰箱铰链塑性加工的数值模拟一般而言,对于塑性加工而成的工件中裂纹的形成_3j,主要有两个原因.组织流动:塑性成形过程中,材料组织的流动在各个部位不均匀,如果在个别部位材料的流动非常剧烈,而其它部位的材料无法及时对其进行补充时,此处就会产生裂纹.应力集中:工件的塑性变形中,工件内部必然会产生应力,
8、但由于各处的变形程度和材料组织的流动方向和速度都不尽相同,因此,在某些部位必定会产生局部应力急剧增大的现象,称为应力集中.如果应力集中过大就会对材料造成破坏,形成局部的细微裂纹,从而对工件性能造成破坏,而且如果应力集中无法及时消除或降低,细微裂纹还会不断长大.对于本产品而言,在分析上轴肩部裂纹的产生原因时,应当分别对上述两个因素进行分析,然后再确定具体原因.3.1 数值模拟DEFORM(DesignEnvironmentofForming)软件是由美国 BattleColumbus实验室在八十年代早期开发的有限元分析软件,DEFORM 系统包括 DEFORM.2D,DEFORM 一 3D 以及
9、 DEFORMHT,其中 HT用于热处理,而 2D 和 3D 用于塑性成形过程的模拟,包括体积成形和板料成形.3,1,1 前处理的一些相关问题处理模拟模型模拟采用的工件和模具模型是根据 Pro/ENGINEER 软件建立的三维模型输出的 STL 的文件,它们都是简化模型,由于工件是轴对称的,可以简化为二位模型解决问题.如图 9 所示.模拟时的相关条件铰链轴材料选用宝钢生产的冷镦钢 SWRCH6A,铆接设备为 250 吨开式可倾压力机,成形压力可调.摩擦因子为 0.3.模拟时的约定条件上模对工件施加力的方向为沿铰链轴轴线方向;上模和工件初始接触时约定为上模行程为 0mm.3.1.2 铆压成形过程
10、分析上模的力一行程曲线:通过对铰链轴铆压成形过程的数值模拟,归纳出上模的力一行程曲线(图 1O)._铰链轴模型铰链板模型上模模型下模模型图 9 冰箱铰链的模拟模型铰链轴模型由图 1O 可知,在上模的行程为 3.4mm之前,变形力逐渐上升,但是在上模行程为 3.4mm 时出现变形力的急剧升高.3.2 组织流动原因在 DEFORM 软件中,衡量工件变形程度的破坏指标【(Damage)用于指示工件在加工过程中产生裂纹的可能性,本文图 10abc 取平均值时上模的力一行程曲线c 上模下降 2?Omm 时 f 成形力达到极限时图 11 礤问指标比较破坏指标采用了 CockcroflLatham 材料损伤
11、模型,此可以用作分析成形过程中组织流动而产生裂纹的可能性的指标.铰链轴在成形过程中,上轴肩部位的破坏指标值随变形程度的不同而变化,具体变化情况如图 11 所示.铰链轴上轴肩部位的破坏指标值具体变化情况见表 2.如表 2 所示,随着铆压成形塑性变形程度的增加,破坏指标值逐渐增加.断裂处破坏指标值为 1.2l,见图 12.图 12 下模深为 11.5mm 时断裂处破坏指标值3-3 应力集中原因对于金属材料而言,真正能够作为其塑性变形指标的应力是有效应力嘲,本文使用有效应力来分析应力集中程度.众所周知,衡量应力集中的指标是应力集中系数,即局部最大应力值与没有变形之前的应力值的比值,这里把没有变形之前
12、的应力值看为一个常数,有效应力值越大,就说明应力集中系数越大.铰链轴上轴肩部位的有效应力指标值具体变化情况见表 3 及图 13.断裂处的有效应力指标值为 611,如图 14 所示.如表 3 可以发现,从初始状态开始有论文园地 lTechnicalPaperstl嘲c 上模下降 2.0mm 时 f 成形极限状态时(以上顶部值为 9.Omm)图 13 有效应力指标比较图 14 下模深 11.5mm 时断裂处有效应力指标值上模下降量/nTn010.203040 极限态破坏指标值 Oo00107l.尊.o12oi“lo.06 筠蔓 lo.0712上模下降量/nTn01020:3040 极限态有效应力指
13、标值 n277.40 海薅52653751fffttf.苎LfffI_-l_l效应力指标值随变形程度的增加稳步上升,且其绝对值相对较大,铰链轴的上轴肩部位一直维持着很大的变形趋势,但是由于模具的限制使其变形程度较小,因此在此处形成较大的应力集中,且不易消除.3.4 可能度分析及比较当下模深度为 11,5ram 时,经过对破坏指标和有效应力指标的对比可以发现,铰链轴上轴肩部位在成形过程中,破坏指标值一直维持在一个非常低的水平,而有效应力指标值在成形过程变化比较大,而且在顶部中值为 9.Omm 时就达到一个比较高的水平值 277(表 3).为了判断出现裂纹的原因是成形过程中组织的流动还是应力集中,
14、必须进行可能度分析.作出如下定义:6dhE(1)“:(2)oyoux这里 1:是组织流动原因的可能度,6 是值为 9.0 时的破坏应力指标,1 是应力集中原因的可能度,6pouh是断裂处的破坏应力指标,6 是断裂处的有效应力指标.根据表 2 和表 3,铰链轴顶部中值达到 9.Omm 时组织流动原因的可能度和应力集中原因的可能度分别为仉=:0.001078:o.o8843%(3)仉一pouho?o84%()野:45.335%(4)?将两个可能度进行对比,可以判定裂纹产生的原因是应力集中.3.5 下模深度的选择下模深度的不同是在铰链轴的成形过程中,铰链轴的底部是否与下模底部接触,何时接触,从而也就
15、会影响变形过程和铰链轴的成形质量.因此,根据经验,取下模深度为 14mm 进行对比分析研究.如表 4 及图 15 所示,可以发现,从初始状态开始有效应力指标值随变形程度的增加稳步上升,且其绝对值相对较大.由此可以看出,铰链轴的上轴肩部位一直维持着很大的变形趋势,但是由于模具的限制使其变形程度较小,自然在此处形成较大的应力集中,且不易消除.有效应力指标值的比较在 a,b,C 的值都取平均值的情况下,下模深度不同,当铰链轴的顶部中=9.Omm 的时候,有效应力指标大小如表 5 所示.由表 5 可知,下模深度对有效应力指标的影响非常大,为了减小有效应力的值,应适当增加下模深度值(至少应该大于 a 值).裂纹产生原因的可能度值的比较在 a,b,C 的值都取平均值的情况下,下
