JSTAMP/NV軟件在家電沖壓產品仿真中的應用

文/盛國強，崔寬，李彥波·廣州中國科學院工業技術研究院

JSTAMP/NV軟件在家電沖壓產品仿真中的應用

文/盛國強，崔寬，李彥波·廣州中國科學院工業技術研究院

盛國強，仿真工程師，主要從事有限元仿真及應用方面的工作，目前擁有專利9項，2015年被評為院年度優秀員工。

家電沖壓產品在沖壓時可能產生的主要缺陷是開裂和回彈過大，在如何避免上述缺陷的同時降低生產成本并縮短產品研發周期一直是家電廠家期待解決的問題。借助沖壓成形數值模擬技術是解決這類問題的主要手段，它將定性的經驗轉化為定量的模擬，基于沖壓成形理論，把廣泛應用的訣竅和經驗融入到CAE數字化仿真中，方便地求解工藝及模具設計涉及的復雜板料成形問題，準確地預測沖壓成形結果，很多汽車制造企業已經將CAE仿真技術作為產品開發制造的重要環節。本文首先概述了家電沖壓產品的成形特點，然后重點介紹了JSTAMP/NV軟件在家電沖壓產品中的仿真應用實例。

家電沖壓產品的成形特點

相對于汽車覆蓋件，家電沖壓零件的整體成形難度相對較低。然而，家電零件產品尺寸較小，零件局部變形不均勻和應變梯度較大的特點十分明顯。不同用戶的產品設計不同，同時即使同一用戶不同型號產品的同類零件也可能對鋼材成形性的要求有較大差異。

家電沖壓零件包括內部件和外觀件。多數內部件如結構件為簡單彎曲變形，少數為拉深和脹形變形。根據不同的用途，外觀件的變形可能包括了拉深、脹形和伸長類變形的一種或幾種。就家電產品的成形性而言，絕大多數廠家對內部件的鋼板表面質量和沖壓效果要求較低，一般情況下，只要不產生沖壓開裂現象均可使用。然而家電廠家對外觀件的要求相對較高，對鋼板板形、表面質量及沖壓的效果均有所要求。外觀件出現起皺的情況較為少見（一般通過調整壓力后都能夠消除），沖壓時可能產生的主要缺陷為開裂和回彈過大。因此，無論是內部件還是外觀件，沖壓開裂現象都是不能允許的。

家電零件在對于強度和抗凹陷性能方面沒有汽車零件嚴格，對于結構件而言，通過彎曲變形強化后，基本都能夠達到產品要求的結構強度，因此，家電沖壓零件一般選用沖壓用系列軟鋼。對于簡單彎曲件，可以選用低牌號（材料強度較高、成形性能較差）的鋼板，對于較為復雜的外觀零件，則應根據零件的變形難度，適當選用高牌號（材料強度較低、成形性能較高）的鋼板。

JSTAMP/NV沖壓成形仿真軟件簡介

JSTAMP/NV是由日本株式會社JSOL開發的基于LS-DYNA通用求解器的沖壓成形仿真軟件。JSTAMP/NV軟件能夠模擬沖壓的所有類型，包括自重偏斜、板料夾緊、壓邊、拉延筋布置、沖壓加載、拉深成形、切邊、翻邊、液壓成形、彎管成形、熱成形及卸載回彈等；能夠精確地預測開裂、起皺、回彈，尤其是高強度鋼板的回彈，是當前市場上唯一一款可以不通過第三方軟件便可以生成高精度回彈補償模面數據，并可直接用于NC加工的軟件；能幫助模具設計人員顯著減少模具設計時間和修模周期，以縮短交貨工期，降低生產成本；目前廣泛應用于汽車、航空航天、鋼鐵冶煉和家電等工業領域。此外，JSTAMP/NV還具有加熱成形，精確計算模具變形量，溜料仿真等功能?？珊唵螒脤嶓w單元進行多工序拉延，提供豐富的材料數據庫、拉深筋數據庫。

家電沖壓產品數值仿真應用案例

基于JSTAMP/NV軟件的沖壓成形仿真技術應用于家電產品零件的研發過程，可以幫助家電廠家解決以下幾類常常遇到的問題，并提供有效的解決方案：產品結構問題、工藝方案制定問題、沖壓工藝參數優化問題、產品外形尺寸精度問題。并在應用軟件解決問題的過程中，可以充分考慮到廠家現場的生產條件，例如沖壓機的噸位、壓邊力大小、添加潤滑情況等。

產品結構優化應用實例

圖1 電烤箱搪瓷面板零件示意圖

某企業新設計的一款電烤箱搪瓷面板零件，在開模的前期，提供產品模型給我們進行CAE分析，希望能夠評價產品的可制造性和幫助提供產品結構優化的建議?？蛻籼峁┑漠a品模型如圖1所示。

該零件的加工工藝流程為：拉深、修邊、沖孔和翻邊，材料為BTC1，料厚為0.72mm。零件成功成形的關鍵工序為第一個拉深工序，且零件四周圓角半徑較小，其半徑僅為1mm，圓角部位的變形呈現拉深變形的特點。在拉深變形過程中，圓角部位為傳力區，其變形方式為平面應變狀態，主要失效形式為開裂；法蘭邊的材料其應力狀態為拉—壓變形，主要失效形式為起皺。使用JSTAMP軟件對該零件建立CAE仿真模型進行分析，發現在圖2所示的兩個拉深深度較大的圓角部位出現了開裂。顯然，在該局部圓角區域的周向圓角半徑過小導致凸模圓角區域承載的力過大，使該傳力區的材料達到承載極限而產生開裂。為此，提出了修改周向圓角半徑的建議。將周向圓角半徑由1mm增加到2mm，其成形后的成形極限情況如圖3所示，可以看出，修改圓角半徑后零件沒有產生開裂現象，其安全裕度高于5%。

圖2 拉深較大的圓角出現開裂

圖3 修改圓角半徑后的仿真結果

工藝方案優化應用實例

佛山某家電企業設計了一款熱水器面殼零件，產品材質為Q235，料厚為0.5mm，其三維零件圖如圖4所示?？蛻粝Ｍ覀兝肑STAMP進行仿真輔助工藝，確定是直接成形再翻邊，還是先拉深再翻邊，同時希望在此基礎上優化工藝參數。

圖4 熱水器面殼

根據客戶提供的產品數據，在JSTAMP軟件中分別建立直接成形和拉深成形的仿真模型，計算后獲取的仿真結果如圖5、圖6所示。當使用直接成形工藝時，坯料褶皺嚴重，因此，直接成形工藝不可行；當使用拉深成形工藝時，制件可以通過拉深成形，但是需要調節優化壓邊力工藝參數來消除圖6所示的開裂現象。

圖5 直接成形仿真模型及結果

圖6 拉深成形仿真模型及結果（壓力邊100t）

采用拉深工藝方案，調整壓邊力值為40t，利用JSTAMP軟件再執行仿真計算獲取的結果如圖7所示，顯示拉深工藝可以順利加工出該零件，且零件的最大變薄率為22.3%，壓邊力的值設定為40t較為合適，零件的表面也不會存在褶皺。

產品回彈預測應用實例

圖8為某企業為蘋果公司代工生產的IPAD面殼，材質為鋁合金A5050-H36，料厚0.8mm。該企業有采購沖壓CAE軟件的預算，JSTAMP軟件作為備選之一，為了驗證軟件的計算精度，讓我們提供JSTAMP軟件分析該零件的仿真報告，以便于與現場試模結果作對比。從圖8的對比結果可知：JSTAMP預測的回彈與試模結果十分吻合。

圖7 拉深成形仿真結果（壓邊力40t）

圖8 IPAD外殼回彈仿真結果與現場試模結果

結束語

隨著市場的國際化，企業間的競爭也愈演愈烈，對沖壓件的快速設計和制造也提出了更高的要求。僅僅依靠工程設計人員的經驗來制造沖壓產品的方式顯然已經不能滿足現代企業的生產需求了。如何實現高質量、低成本、短周期的產品開發是贏得這場競爭的關鍵。應用沖壓成形數值模擬技術是解決這一問題的有效手段，本文介紹的級進模數值模擬方法及具體操作步驟，對CAE仿真工程師具有指導意義。數值模擬技術的發展應用及提升對于提高企業的競爭力具有重要意義，希望CAE技術在企業的應用越來越深入以達到提升企業競爭力和壯大企業技術實力的目的。