基于JSTAMP和Solidworks的前輪罩沖壓模具設計

蘇志偉

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，繪制出合理的鑄造模具數模，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;鑄造模具

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CAE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。

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延，而拉延工序又必須避免開裂和起皺。兩端開口的左右件產品適宜合并共模生產，這樣可以節省材料、節省沖次，并且可使工件兩側走料均勻。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，拉延筋延緩材料的流動，從而防止起皺[1]。用Solidworks軟件對形狀進行修改，如下圖2所示。

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0.8mm的DC01鋼板，DC01的力學性能為：屈服強度=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=1.1X0.8+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=0.04XSXδbX（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，這里按質保書結果取值采用345MPa。采用Solidworks軟件測得凸模面積為401044.51mm2。所以，F=0.04X401044.51X345X（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，便得到下料尺寸為825X600（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=坯料面積減去凸模投影面積（三維軟件測量得出），即825X600-286895.2=208104.8mm2。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/（825X600）=0.58，結合前面已知的抗拉強度和料厚，從圖中查出單位壓料力p≈2.1MPa。所以PY=Fp=208104.8X2.1=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?；鶞蔬x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，板材經過拉延未產生起皺或開裂，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。

工藝路線制定好以后，就可以進行模具設計，下面只介紹拉延模。中小型的拉延模一般凹模在上模座，采用單動壓力機進行壓制，凹模的結構形式分為鑲拼式和整體式兩種。鑲拼式是把凹模分為數塊，材質為Cr12，一起鎖在材質為HT300的模座上;整體式是凹模與模座鑄為一體，材質為CrMo。這兩種方式各有優點，而本產品強度不大，料厚較小，可以采用整體式，這樣制模效率較快。設計時，將拉延工序件的外表面導入作為素材，此面即是凹模的型面，包含了工件型腔、凹模圓角、凹模壓料面和拉延筋，并將此面向外延伸幾公分。模座的形狀包括模座主體、導向方柱、模座掏空形狀、壓板槽、加強筋、鑄造孔、通氣孔、吊棒等。其中，模具的掏空形狀應保證型腔后部有50mm的壁厚、其余部分有40mm的壁厚;加強筋厚度為30 -40mm，排列應均勻對稱，間距不超過300mm，且不得位于機床T型槽位置。為了防止模具裝反，兩個導向方柱的寬度設計成不同尺寸，左側比右側大20mm，此原則也適用于其余工序的模具導向設計。在凹模型腔應鉆通氣孔，以便氣體及時排出，保證工件壓制到位，減小回彈。上模座加工完成后，還要在型面凸起或圓角部位進行局部淬火，淬火部分硬度需達到50HRC以上。

拉延模的凸模型面就是工序件內型面（除去壓料面部分）。凸模為整體鑄造，材料為CrMo，內部掏空，底部有四個支腳用于裝配。在凸模的底平面上，還加工有三個鍵槽，用于凸模在下模座的定位。凸模同樣也要鉆通氣孔。壓料座的基礎面采用工序件的壓料面部分，結構也是采用整體式，材料同樣為CrMo，設計的要素與上模座大致相同。為了使實際生產中壓料面各區域間隙均勻，還在凹模與壓料座之間設置了幾個平衡塊，用于調整間隙（加墊片或磨平衡塊）。壓料座要設計導向槽與凹模的導向方柱配合。凸模和壓料座同樣要做局部淬火處理。下模座用于固定凸模，與工件表面無接觸，故材料采用HT300即可。設計下模座，要繪制安裝座、壓板槽、導向柱（與壓料座配合）、加強筋、吊柱、頂料孔、限位塊等。模具各配件的導向部分要裝自潤滑耐磨板，頂料板上要安裝坯料定位塊。

經過仿真分析的成型模，試模成功率有了很大提高。采用了鑄造形式的模具，導向精度更高，產品尺寸穩定性更好，工作效率也有了提高。CAD和CAE工具的交叉運用，對于沖壓模具的研發有很大的幫助。

參考文獻：

[1]肖景容，姜奎華.沖壓工藝學.北京：機械工業出版社.2015：112-113.

[2]胡平.汽車覆蓋件模具設計基礎. 北京：機械工業出版社.2011.11.

[3]廖偉.汽車覆蓋件模具設計技巧、經驗及實例.北京：化學工業出版社.2013.6.

[4]《沖模設計手冊》編寫組.沖模設計手冊. 北京：機械工業出版社.1999.6.