JSTAMP/NV 軟件在實踐中的應用

文/陳明丹，黃連吉，劉旭·中車齊齊哈爾車輛有限公司

本文以鐵路貨車某拉深件為例，結合運用Pro/E、JSTAMP/NV軟件，闡述展開計算、工序拆分、間隙修正、單元選擇等環節的參數設定思路及驗證過程。將傳統沖壓工藝分析方法與有限元結合運用，很好解決生產實際問題。

在沖壓件的拉深工藝分析、模具參數設定時，傳統的方法是查表計算總的拉深系數，然后一步步推導出拉深次數和各工序的拉深形狀。而經常由于所查手冊中零件示例的形狀與實際工況不一致，或新材質查不到經驗數，這樣在工藝方案的制定過程中，就會做很多近似處理，造成工藝分析的偏差，致使問題后移，使得模具調試周期長、成本高。隨著板料成形分析軟件在工程中的廣泛應用，在實際工作中，更多的采用傳統方法作為原始輸入，經過有限元計算，來修正原始的輸入，最終得到合適的工藝方案及模具設計輸入。本文采用這樣的思路，以鐵路貨車上的一個近似件為例，闡述整個過程，以實現傳統技術與有限元方法的結合運用。借助有限元分析優化了各工序的拉深形狀，通過觀察后處理剖切斷面凸、凹模間隙，避免了傳統慣用1.1t 凸、凹模間隙帶來的問題。

零件信息、材料模型的創建

本文采用的模型如圖1 所示，為典型的回轉體零件，有一定錐度，帶有翻邊法蘭，相對無法蘭的拉深件，有部分料未轉換成內壁，成形條件比較苛刻，零件信息見表1。

表1 零件信息

在板料成形分析中，材料參數很重要，但過于復雜的參數不容易獲得，JSTAMP/NV 軟件可以根據表1 數據，通過材質擬合功能，很方便的擬合出真實的應力—應變曲線(圖2)，用于分析計算，經試驗驗證也可以滿足精度要求。

估算初始坯料展開

本文采用等質量法計算毛坯展開(圖3)，其計算原理與查表計算是一樣的，能保證計算精度，而且適用于各種形狀，不受形狀的限制，方便快捷，實用性強。但無論哪種方法都只是初始輸入，實際成形后的零件各部分的厚度是不均勻的，根據分析結果還要做必要的修正。

修邊量確定：考慮材料的各向異性及定位誤差帶來壓形后的高度偏差，有凸緣圓筒件的修邊余量，取修邊量為4mm，采用CAD 軟件對最終零件建模后，在零件高度方向上增加4mm 修邊量，并計算該工藝模型的質量為m=0.732kg。

新建虛擬毛坯：回轉體零件展開均為圓形，由于圓形只要厚度和直徑兩要素就能確定形狀，新建和圖1 零件厚度相同的圓形毛坯，直徑φ隨便給個初值、比如180mm。

展開計算：調整直徑φ，使毛坯質量與零件的質量m=0.732kg 盡量接近，經上述過程計算，粗略估計毛坯直徑為200mm，記為DZ=200mm。

確定一次拉深模面

初步確定工藝流程為切割(φ200)→n 次拉深→翻邊-修邊。采用工序分解后，零件的成形計算模型轉化為圖4 的三拉形狀，只要該形狀可以成形，再經翻邊后，即可實現零件的制造。

查找手里現有的模具設計手冊，由于側壁斜度的存在，找不到形狀完全一致的參考模型，采用類比的步驟對拉深系數分解。查找06Cr19Ni10 的極限拉深系數見表2。查表可知：總的拉深系數0.39 小于不銹鋼的一次極限拉深系數0.5，所以該件需要通過多次拉深來實現，依據表3 計算：當K1=0.52 時，計算首次拉深凹模尺寸，dp1=K1×Dz=0.52×200=φ104，首次拉深凹模直徑為φ104mm。當K2=0.82 時，計算二次拉深凹模尺寸：dp2=K2×dp1=0.82×104=φ85.3，二次拉深凹模直徑為φ85.3mm。當K2=0.82 時，計算三次拉深凹模尺寸：dp3=K2×dp2=0.82×85.3=φ69.9，三次拉深凹模直徑為φ69.9mm。

從計算看3 次拉深，從系數分批上分析最小凹模洞口尺寸為φ73.8＜dp=φ82,有一定的富裕空間，所以經過有限元計算后，拉深系數可做適當調整。采用上述推導計算得到的各工序初始的凹模洞口關鍵尺寸，但每道工序的拉深深度、凸、凹模圓角，斜度比較可靠的方法是通過分析計算反復驗證獲得。遵循以下原則：

表2 06Cr19Ni10 的極限拉深系數

⑴由于不銹鋼材質初次拉深的性能較好，拉深系數盡量接近該材質的極限。

⑵初次拉深后，零件周圈法蘭增厚明顯，剛度較大，后續再次將其拉入凹模所需力量需要從底部圓角最薄弱位置傳遞，容易造成薄弱位置拉裂，所以首次拉深時，帶入凹模洞口的料應盡量多。

⑶初次拉深宜采用大圓角，盡量避免局部受力過大。

初始模面計算

綜合分析后初始模面尺寸如圖4 所示，由左及右依次為：一次拉深、二次拉深、三次拉深。

有限元分析優化

運用Pro/E 參數化三維建模軟件，參數化建模各工序的模具凸、凹模型面及坯料，導入到JSTAMP/NV 中對各工序進行分析計算，當計算不理想時，繼續調整相應各工序參數，最終確定如下工藝流程圖(如圖5)。

模具設計及工藝要點

模具間隙的設置

表3 凹模內板料最大厚度

統計各工序成形后，零件進入凹模內的板料最大厚度見表3。在拉深模具設計中，一般凸、凹的間隙為1.1t(t 為板厚)，本例中1.1t=3.3mm，經過計算，在第三次拉深時板料的局部最大厚度已經達到3.58mm，如圖6 所示。如果不經過模擬分析我們會按照3.3mm 設置凸、凹模的間隙，在試模過程中凸、凹模發生卡死，工件無法壓到位，這時可能會懷疑設備的壓力不夠，把我們的注意力引到另外一個方向，有限元模擬分析提前解決了這個問題。

壓邊力的計算及設備噸位的選擇

通過拉深成形分析后的變形力曲線。使壓邊力更加合理，例如：在一次拉深時，經過分析計算此時的壓邊力僅需要2 噸，這樣使模具設計有理有據。而以往在模具設計時，一般先按空間設置大的壓邊，然后調試過程中，如果出問題再減少壓邊，調試時間長，模具成本高。

同時變形力曲線也是合理選擇設備噸位的重要依據(圖7)，在本文的“模具間隙的設置”部分，初始的模具間隙設置為1.1t，觀察成形力曲線時，成形力飆升至2000 多噸，而且還沒壓到底部，觀察剖面圖才發現間隙設置不合理。

材質經過反復拉壓后，加工硬化現象明顯，塑性降低，在翻邊過程發生開裂現象(如圖8)，經過熱處理退火再結晶后進行翻邊，取得了良好的效果(圖9)。

結束語

本文采用模具設計手冊中的基本公式對初始模面進行計算，通過JSTAMP/NV 板料成形分析軟件的計算，對初始模面、展開進行優化，很好地解決了現場實際問題。結合分析過程中，板料厚度的實際分布，合理的設置間隙，糾正了傳統的凸、凹模1.1t 間隙所帶來的問題。根據分析計算的結果，在模具設計中合理的設置壓邊力。