基于JSTAMP和Solidworks的前轮罩冲压模具设计

　　摘要：根据客户对于产品型面和尺寸的要求，在JSTAMP软件仿真分析的基础上，对产品进行工艺设计。采用Solidworks软件进行工序件建模和冲压模具设计，绘制出合理的铸件数模，提高了产品的一致性和生产效率。

　　关键词：仿真;工艺设计;冲压模具设计;铸件

　　如今新能源汽车的市场竞争激烈，为了抢占市场，汽车厂商需要缩短开发周期和提高产品质量。为此，结合了wCAE和CAD软件进行的模具设计，变得越来越普遍。下图为E300新能源汽车的左、右前轮罩内板的图片。从图形可以看出，该零件有较大弧度的曲面，型面上有一定数量的筋条和凸台，零件有两侧是敞开式的，左右件大致对称。

　　两侧敞开且弧度较大，决定了此工件如果直接压制的话回弹会比較大，须进行带压边力的拉伸，而拉伸工序又必须避免开裂和起皱。通常两端开口的左右件产品都是合并共模生产，这样可以节省材料、节省冲次，并且可使工件两侧走料均匀。下图为第一个方案，是把左右件直接加修边余料对接在一起。将用Solidworks建好的曲面转化为igs格式，导入JSTAMP软件中，经过模拟，可以看出工件在成型起始阶段便发生严重的起皱和叠料。如下图2所示，根据模拟结果，此方案不可行。

　　第一次仿真的形状虽然是失败的，但是也可以看出潜在的失效和修改的趋势。要消除起皱，可以采用增加工艺补充面的方式，增加补充面的位置在工件侧面开口的部位，这样有利于绷住工件的边料，避免材料过快地进入模腔。左右件之间的过渡平面区域较大，没有一定的筋条，也是造成此区域起皱的原因。因此，应在此处增加筋条，以达到消皱的效果。零件两个侧面是竖直的，如果拉延时把两侧面形状完整成型出来的话，修边不方便。因此可以把压料面做成平的并且抬高，先拉伸出一截形状，修边后再翻边整形。压料面上还应做出拉延筋，拉延筋可以控制和减小法兰部分的拉入量，从而防止起皱。[1]用Solidworks软件对形状进行修改，如下图所示。

　　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。冲压仿真除了要输入工序件的形状以外，还要输入材料、拉延力、压边力等要素。本产品的材料为厚度为0.8mm的DC01钢板，DC01是宝钢的一种冷轧钢板，它的屈服强度为130-260MPa，抗拉强度≥270MPa，延伸率≥30%。将这些数据输入JSTAMP软件内的吉田-上森模型，为导入计算做准备。根据[2]P73表5-12，拉延次数为1次的工件，其拉伸间隙=1.1S+δS。其中，S为料厚，δS为料厚上偏差。0.8mm的冷轧板(宽度为1200-1500mm)的料厚偏差为±0.07mm，所以拉延间隙=1.1×0.8+0.07=0.95mm。这个拉延间隙可以输入到仿真软件中，作为凹模与凸模的等距距离，也可以用于后续的模具设计。接下来便是计算拉延力，按照[3]P86式3-2，F=0.04×S×δb×(t-0.2)(N)，式中，F=拉延力+压边力(N)，也就是主缸作用于凹模所需的力;t为料厚(mm);δb为材料抗拉强度(MPa);S为凸模面积(mm2)。DC01的抗拉强度≥270MPa，质保书上通常检验结果最大为345MPa，这里按质保书结果取值。凸模的形状较复杂，它的面积可以通过Solidworks的测量功能来完成，选取拉延工序件的所有内腔面(不包括压料面)，点击“测量”按钮，弹出图框，显示凸模面积为401044.51mm2。所以，F=0.04×401044.51×345×(0.8-0.2)=3320648N，换算到吨的单位应除以9800，得出338.8吨。我司拥有的相似吨位的液压机有500吨的，且500吨有合适的工作台面以满足模具安装，故选用500吨液压机来进行拉延工序。将工序件的数模及料厚导入JSTAMP软件中，利用坯料展开功能，反求出坯料的形状，将坯料形状加上修边余量，并进行圆整，便得到裁板尺寸为825×600(mm)。压边力应该单独计算出来，根据[4]P185式5-7，PY=FXp。其中，PY为压边力(N);F为压料面积(mm2);P为单位面积压料力(MPa)。在压制时，初始的压料面积应该是坯料面积减去凸模投影面积，即825×600-286895.2=208104.8mm2(凸模投影面积也是从CAD软件测量而来)。参考[4]P185图5-9，p与抗拉强度、拉伸系数m、料厚有关，拉伸系数m=凸模投影面积/坯料面积=286895.2/(825×600)=0.58，结合前面已知的抗拉强度345MPa和料厚0.8mm，从图中查出单位压料力p≈2.1MPa。所以PY=Fp=208104.8×2.1=437020N，可输入到后面的仿真计算中。压边力可换算为44.59吨，公司500吨液压机的顶料缸满负荷压力为100吨，可满足要求。

　　接下来便是进行单元分析，截取拉延工序件的外侧曲面为输入曲面，导入到JSTAMP软件中，并划分网格，作为凹模面，选择上模基准选项。将凹模面向内等距一个拉延间隙，即前述的0.95mm，可得出凸模与顶料板的型面。选取等距面的水平面部分及拉延筋部分，即为顶料板型面，其余就是凸模型面。型面分配后，输入前面计算的主缸压力、压边力以及载荷方向。原材料方面，导入材质、厚度、坯料大小、单元类型，并划分网格。网格越小，网格数越多，计算速度越慢，但是结果也越精确，这里设定坯料网格大小为2.5mm。接下来对模具设定组装，即可模拟运行，观察到载荷方向无误后，即可执行运算。经过运算，可通过后处理看到工件的成型极限图(FLD图)，FLD图反映的是冲压成型过程中的应变状态、变形模式，可以体现出拉延后有无开裂或起皱，如下图。

　　从上图可以看出，板材经过拉延大部分区域是安全的，起皱区只位于修边线以外，此工序件可以满足要求。拉延形状确定后，可以制定本产品的工艺路线为：剪板→拉延→修边冲孔→侧修边→翻边→切开侧冲孔→冲孔侧修边→冲孔→点焊螺母。正修边之后还有侧修边的原因，是某些修边线所在的曲面与冲压方向倾斜不垂直，正向冲裁会有较大毛刺。这些修边线另外用斜楔机构进行侧修，以保证冲压方向与板面垂直。

　　推荐阅读：《工程与试验》(季刊)创刊于1961年，由中国仪器仪表学会试验机分会、长春试验机所主办。

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文章名称： 基于JSTAMP和Solidworks的前轮罩冲压模具设计

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