摘要：根據(jù)客戶對(duì)于產(chǎn)品型面和尺寸的要求，在JSTAMP軟件仿真分析的基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。采用Solidworks軟件進(jìn)行工序件建模和沖壓模具設(shè)計(jì)，繪制出合理的鑄件數(shù)模，提高了產(chǎn)品的一致性和生產(chǎn)效率。

　　關(guān)鍵詞：仿真;工藝設(shè)計(jì);沖壓模具設(shè)計(jì);鑄件

　　如今新能源汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，為了搶占市場(chǎng)，汽車廠商需要縮短開發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量。為此，結(jié)合了wCAE和CAD軟件進(jìn)行的模具設(shè)計(jì)，變得越來越普遍。下圖為E300新能源汽車的左、右前輪罩內(nèi)板的圖片。從圖形可以看出，該零件有較大弧度的曲面，型面上有一定數(shù)量的筋條和凸臺(tái)，零件有兩側(cè)是敞開式的，左右件大致對(duì)稱。

　　兩側(cè)敞開且弧度較大，決定了此工件如果直接壓制的話回彈會(huì)比較大，須進(jìn)行帶壓邊力的拉伸，而拉伸工序又必須避免開裂和起皺。通常兩端開口的左右件產(chǎn)品都是合并共模生產(chǎn)，這樣可以節(jié)省材料、節(jié)省沖次，并且可使工件兩側(cè)走料均勻。下圖為第一個(gè)方案，是把左右件直接加修邊余料對(duì)接在一起。將用Solidworks建好的曲面轉(zhuǎn)化為igs格式，導(dǎo)入JSTAMP軟件中，經(jīng)過模擬，可以看出工件在成型起始階段便發(fā)生嚴(yán)重的起皺和疊料。如下圖2所示，根據(jù)模擬結(jié)果，此方案不可行。

　　第一次仿真的形狀雖然是失敗的，但是也可以看出潛在的失效和修改的趨勢(shì)。要消除起皺，可以采用增加工藝補(bǔ)充面的方式，增加補(bǔ)充面的位置在工件側(cè)面開口的部位，這樣有利于繃住工件的邊料，避免材料過快地進(jìn)入模腔。左右件之間的過渡平面區(qū)域較大，沒有一定的筋條，也是造成此區(qū)域起皺的原因。因此，應(yīng)在此處增加筋條，以達(dá)到消皺的效果。零件兩個(gè)側(cè)面是豎直的，如果拉延時(shí)把兩側(cè)面形狀完整成型出來的話，修邊不方便。因此可以把壓料面做成平的并且抬高，先拉伸出一截形狀，修邊后再翻邊整形。壓料面上還應(yīng)做出拉延筋，拉延筋可以控制和減小法蘭部分的拉入量，從而防止起皺。[1]用Solidworks軟件對(duì)形狀進(jìn)行修改，如下圖所示。

　　第一次的仿真只是粗算，修改后的仿真就要采取精算的方法了。沖壓仿真除了要輸入工序件的形狀以外，還要輸入材料、拉延力、壓邊力等要素。本產(chǎn)品的材料為厚度為0.8mm的DC01鋼板，DC01是寶鋼的一種冷軋鋼板，它的屈服強(qiáng)度為130-260MPa，抗拉強(qiáng)度≥270MPa，延伸率≥30%。將這些數(shù)據(jù)輸入JSTAMP軟件內(nèi)的吉田-上森模型，為導(dǎo)入計(jì)算做準(zhǔn)備。根據(jù)[2]P73表5-12，拉延次數(shù)為1次的工件，其拉伸間隙=1.1S+δS。其中，S為料厚，δS為料厚上偏差。0.8mm的冷軋板(寬度為1200-1500mm)的料厚偏差為±0.07mm，所以拉延間隙=1.1×0.8+0.07=0.95mm。這個(gè)拉延間隙可以輸入到仿真軟件中，作為凹模與凸模的等距距離，也可以用于后續(xù)的模具設(shè)計(jì)。接下來便是計(jì)算拉延力，按照[3]P86式3-2，F(xiàn)=0.04×S×δb×(t-0.2)(N)，式中，F(xiàn)=拉延力+壓邊力(N)，也就是主缸作用于凹模所需的力;t為料厚(mm);δb為材料抗拉強(qiáng)度(MPa);S為凸模面積(mm2)。DC01的抗拉強(qiáng)度≥270MPa，質(zhì)保書上通常檢驗(yàn)結(jié)果最大為345MPa，這里按質(zhì)保書結(jié)果取值。凸模的形狀較復(fù)雜，它的面積可以通過Solidworks的測(cè)量功能來完成，選取拉延工序件的所有內(nèi)腔面(不包括壓料面)，點(diǎn)擊“測(cè)量”按鈕，彈出圖框，顯示凸模面積為401044.51mm2。所以，F(xiàn)=0.04×401044.51×345×(0.8-0.2)=3320648N，換算到噸的單位應(yīng)除以9800，得出338.8噸。我司擁有的相似噸位的液壓機(jī)有500噸的，且500噸有合適的工作臺(tái)面以滿足模具安裝，故選用500噸液壓機(jī)來進(jìn)行拉延工序。將工序件的數(shù)模及料厚導(dǎo)入JSTAMP軟件中，利用坯料展開功能，反求出坯料的形狀，將坯料形狀加上修邊余量，并進(jìn)行圓整，便得到裁板尺寸為825×600(mm)。壓邊力應(yīng)該單獨(dú)計(jì)算出來，根據(jù)[4]P185式5-7，PY=FXp。其中，PY為壓邊力(N);F為壓料面積(mm2);P為單位面積壓料力(MPa)。在壓制時(shí)，初始的壓料面積應(yīng)該是坯料面積減去凸模投影面積，即825×600-286895.2=208104.8mm2(凸模投影面積也是從CAD軟件測(cè)量而來)。參考[4]P185圖5-9，p與抗拉強(qiáng)度、拉伸系數(shù)m、料厚有關(guān)，拉伸系數(shù)m=凸模投影面積/坯料面積=286895.2/(825×600)=0.58，結(jié)合前面已知的抗拉強(qiáng)度345MPa和料厚0.8mm，從圖中查出單位壓料力p≈2.1MPa。所以PY=Fp=208104.8×2.1=437020N，可輸入到后面的仿真計(jì)算中。壓邊力可換算為44.59噸，公司500噸液壓機(jī)的頂料缸滿負(fù)荷壓力為100噸，可滿足要求。

　　接下來便是進(jìn)行單元分析，截取拉延工序件的外側(cè)曲面為輸入曲面，導(dǎo)入到JSTAMP軟件中，并劃分網(wǎng)格，作為凹模面，選擇上模基準(zhǔn)選項(xiàng)。將凹模面向內(nèi)等距一個(gè)拉延間隙，即前述的0.95mm，可得出凸模與頂料板的型面。選取等距面的水平面部分及拉延筋部分，即為頂料板型面，其余就是凸模型面。型面分配后，輸入前面計(jì)算的主缸壓力、壓邊力以及載荷方向。原材料方面，導(dǎo)入材質(zhì)、厚度、坯料大小、單元類型，并劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格越小，網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算速度越慢，但是結(jié)果也越精確，這里設(shè)定坯料網(wǎng)格大小為2.5mm。接下來對(duì)模具設(shè)定組裝，即可模擬運(yùn)行，觀察到載荷方向無誤后，即可執(zhí)行運(yùn)算。經(jīng)過運(yùn)算，可通過后處理看到工件的成型極限圖(FLD圖)，F(xiàn)LD圖反映的是沖壓成型過程中的應(yīng)變狀態(tài)、變形模式，可以體現(xiàn)出拉延后有無開裂或起皺，如下圖。

　　從上圖可以看出，板材經(jīng)過拉延大部分區(qū)域是安全的，起皺區(qū)只位于修邊線以外，此工序件可以滿足要求。拉延形狀確定后，可以制定本產(chǎn)品的工藝路線為：剪板→拉延→修邊沖孔→側(cè)修邊→翻邊→切開側(cè)沖孔→沖孔側(cè)修邊→沖孔→點(diǎn)焊螺母。正修邊之后還有側(cè)修邊的原因，是某些修邊線所在的曲面與沖壓方向傾斜不垂直，正向沖裁會(huì)有較大毛刺。這些修邊線另外用斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)修，以保證沖壓方向與板面垂直。

　　推薦閱讀：《工程與試驗(yàn)》(季刊)創(chuàng)刊于1961年，由中國儀器儀表學(xué)會(huì)試驗(yàn)機(jī)分會(huì)、長(zhǎng)春試驗(yàn)機(jī)所主辦。