摘要：根據客戶對于產品型面和尺寸的要求，在JSTAMP軟件仿真分析的基礎上，對產品進行工藝設計。采用Solidworks軟件進行工序件建模和沖壓模具設計，繪制出合理的鑄件數模，提高了產品的一致性和生產效率。

　　關鍵詞：仿真;工藝設計;沖壓模具設計;鑄件

　　如今新能源汽車的市場競爭激烈，為了搶占市場，汽車廠商需要縮短開發周期和提高產品質量。為此，結合了wCAE和CAD軟件進行的模具設計，變得越來越普遍。下圖為E300新能源汽車的左、右前輪罩內板的圖片。從圖形可以看出，該零件有較大弧度的曲面，型面上有一定數量的筋條和凸臺，零件有兩側是敞開式的，左右件大致對稱。

　　兩側敞開且弧度較大，決定了此工件如果直接壓制的話回彈會比較大，須進行帶壓邊力的拉伸，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品都是合并共模生產，這樣可以節省材料、節省沖次，并且可使工件兩側走料均勻。下圖為第一個方案，是把左右件直接加修邊余料對接在一起。將用Solidworks建好的曲面轉化為igs格式，導入JSTAMP軟件中，經過模擬，可以看出工件在成型起始階段便發生嚴重的起皺和疊料。如下圖2所示，根據模擬結果，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。要消除起皺，可以采用增加工藝補充面的方式，增加補充面的位置在工件側面開口的部位，這樣有利于繃住工件的邊料，避免材料過快地進入模腔。左右件之間的過渡平面區域較大，沒有一定的筋條，也是造成此區域起皺的原因。因此，應在此處增加筋條，以達到消皺的效果。零件兩個側面是豎直的，如果拉延時把兩側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軟件對形狀進行修改，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，它的屈服強度為130-260MPa，抗拉強度≥270MPa，延伸率≥30%。將這些數據輸入JSTAMP軟件內的吉田-上森模型，為導入計算做準備。根據[2]P73表5-12，拉延次數為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，也可以用于后續的模具設計。接下來便是計算拉延力，按照[3]P86式3-2，F=0.04×S×δb×(t-0.2)(N)，式中，F=拉延力+壓邊力(N)，也就是主缸作用于凹模所需的力;t為料厚(mm);δb為材料抗拉強度(MPa);S為凸模面積(mm2)。DC01的抗拉強度≥270MPa，質保書上通常檢驗結果最大為345MPa，這里按質保書結果取值。凸模的形狀較復雜，它的面積可以通過Solidworks的測量功能來完成，選取拉延工序件的所有內腔面(不包括壓料面)，點擊“測量”按鈕，彈出圖框，顯示凸模面積為401044.51mm2。所以，F=0.04×401044.51×345×(0.8-0.2)=3320648N，換算到噸的單位應除以9800，得出338.8噸。我司擁有的相似噸位的液壓機有500噸的，且500噸有合適的工作臺面以滿足模具安裝，故選用500噸液壓機來進行拉延工序。將工序件的數模及料厚導入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，并進行圓整，便得到裁板尺寸為825×600(mm)。壓邊力應該單獨計算出來，根據[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，初始的壓料面積應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軟件測量而來)。參考[4]P185圖5-9，p與抗拉強度、拉伸系數m、料厚有關，拉伸系數m=凸模投影面積/坯料面積=286895.2/(825×600)=0.58，結合前面已知的抗拉強度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算中。壓邊力可換算為44.59噸，公司500噸液壓機的頂料缸滿負荷壓力為100噸，可滿足要求。

　　接下來便是進行單元分析，截取拉延工序件的外側曲面為輸入曲面，導入到JSTAMP軟件中，并劃分網格，作為凹模面，選擇上模基準選項。將凹模面向內等距一個拉延間隙，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，輸入前面計算的主缸壓力、壓邊力以及載荷方向。原材料方面，導入材質、厚度、坯料大小、單元類型，并劃分網格。網格越小，網格數越多，計算速度越慢，但是結果也越精確，這里設定坯料網格大小為2.5mm。接下來對模具設定組裝，即可模擬運行，觀察到載荷方向無誤后，即可執行運算。經過運算，可通過后處理看到工件的成型極限圖(FLD圖)，FLD圖反映的是沖壓成型過程中的應變狀態、變形模式，可以體現出拉延后有無開裂或起皺，如下圖。

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

　　推薦閱讀：《工程與試驗》(季刊)創刊于1961年，由中國儀器儀表學會試驗機分會、長春試驗機所主辦。