JSTAMP/NV软件在家电冲压产品仿真中的应用

文/盛国强，崔宽，李彦波·广州中国科学院工业技术研究院

JSTAMP/NV软件在家电冲压产品仿真中的应用

文/盛国强，崔宽，李彦波·广州中国科学院工业技术研究院

盛国强，仿真工程师，主要从事有限元仿真及应用方面的工作，目前拥有专利9项，2015年被评为院年度优秀员工。

家电冲压产品在冲压时可能产生的主要缺陷是开裂和回弹过大，在如何避免上述缺陷的同时降低生产成本并缩短产品研发周期一直是家电厂家期待解决的问题。借助冲压成形数值模拟技术是解决这类问题的主要手段，它将定性的经验转化为定量的模拟，基于冲压成形理论，把广泛应用的诀窍和经验融入到CAE数字化仿真中，方便地求解工艺及模具设计涉及的复杂板料成形问题，准确地预测冲压成形结果，很多汽车制造企业已经将CAE仿真技术作为产品开发制造的重要环节。本文首先概述了家电冲压产品的成形特点，然后重点介绍了JSTAMP/NV软件在家电冲压产品中的仿真应用实例。

家电冲压产品的成形特点

相对于汽车覆盖件，家电冲压零件的整体成形难度相对较低。然而，家电零件产品尺寸较小，零件局部变形不均匀和应变梯度较大的特点十分明显。不同用户的产品设计不同，同时即使同一用户不同型号产品的同类零件也可能对钢材成形性的要求有较大差异。

家电冲压零件包括内部件和外观件。多数内部件如结构件为简单弯曲变形，少数为拉深和胀形变形。根据不同的用途，外观件的变形可能包括了拉深、胀形和伸长类变形的一种或几种。就家电产品的成形性而言，绝大多数厂家对内部件的钢板表面质量和冲压效果要求较低，一般情况下，只要不产生冲压开裂现象均可使用。然而家电厂家对外观件的要求相对较高，对钢板板形、表面质量及冲压的效果均有所要求。外观件出现起皱的情况较为少见（一般通过调整压力后都能够消除），冲压时可能产生的主要缺陷为开裂和回弹过大。因此，无论是内部件还是外观件，冲压开裂现象都是不能允许的。

家电零件在对于强度和抗凹陷性能方面没有汽车零件严格，对于结构件而言，通过弯曲变形强化后，基本都能够达到产品要求的结构强度，因此，家电冲压零件一般选用冲压用系列软钢。对于简单弯曲件，可以选用低牌号（材料强度较高、成形性能较差）的钢板，对于较为复杂的外观零件，则应根据零件的变形难度，适当选用高牌号（材料强度较低、成形性能较高）的钢板。

JSTAMP/NV冲压成形仿真软件简介

JSTAMP/NV是由日本株式会社JSOL开发的基于LS-DYNA通用求解器的冲压成形仿真软件。JSTAMP/NV软件能够模拟冲压的所有类型，包括自重偏斜、板料夹紧、压边、拉延筋布置、冲压加载、拉深成形、切边、翻边、液压成形、弯管成形、热成形及卸载回弹等；能够精确地预测开裂、起皱、回弹，尤其是高强度钢板的回弹，是当前市场上唯一一款可以不通过第三方软件便可以生成高精度回弹补偿模面数据，并可直接用于NC加工的软件；能帮助模具设计人员显著减少模具设计时间和修模周期，以缩短交货工期，降低生产成本；目前广泛应用于汽车、航空航天、钢铁冶炼和家电等工业领域。此外，JSTAMP/NV还具有加热成形，精确计算模具变形量，溜料仿真等功能。可简单应用实体单元进行多工序拉延，提供丰富的材料数据库、拉深筋数据库。

家电冲压产品数值仿真应用案例

基于JSTAMP/NV软件的冲压成形仿真技术应用于家电产品零件的研发过程，可以帮助家电厂家解决以下几类常常遇到的问题，并提供有效的解决方案：产品结构问题、工艺方案制定问题、冲压工艺参数优化问题、产品外形尺寸精度问题。并在应用软件解决问题的过程中，可以充分考虑到厂家现场的生产条件，例如冲压机的吨位、压边力大小、添加润滑情况等。

产品结构优化应用实例

图1 电烤箱搪瓷面板零件示意图

某企业新设计的一款电烤箱搪瓷面板零件，在开模的前期，提供产品模型给我们进行CAE分析，希望能够评价产品的可制造性和帮助提供产品结构优化的建议。客户提供的产品模型如图1所示。

该零件的加工工艺流程为：拉深、修边、冲孔和翻边，材料为BTC1，料厚为0.72mm。零件成功成形的关键工序为第一个拉深工序，且零件四周圆角半径较小，其半径仅为1mm，圆角部位的变形呈现拉深变形的特点。在拉深变形过程中，圆角部位为传力区，其变形方式为平面应变状态，主要失效形式为开裂；法兰边的材料其应力状态为拉—压变形，主要失效形式为起皱。使用JSTAMP软件对该零件建立CAE仿真模型进行分析，发现在图2所示的两个拉深深度较大的圆角部位出现了开裂。显然，在该局部圆角区域的周向圆角半径过小导致凸模圆角区域承载的力过大，使该传力区的材料达到承载极限而产生开裂。为此，提出了修改周向圆角半径的建议。将周向圆角半径由1mm增加到2mm，其成形后的成形极限情况如图3所示，可以看出，修改圆角半径后零件没有产生开裂现象，其安全裕度高于5%。

图2 拉深较大的圆角出现开裂

图3 修改圆角半径后的仿真结果

工艺方案优化应用实例

佛山某家电企业设计了一款热水器面壳零件，产品材质为Q235，料厚为0.5mm，其三维零件图如图4所示。客户希望我们利用JSTAMP进行仿真辅助工艺，确定是直接成形再翻边，还是先拉深再翻边，同时希望在此基础上优化工艺参数。

图4 热水器面壳

根据客户提供的产品数据，在JSTAMP软件中分别建立直接成形和拉深成形的仿真模型，计算后获取的仿真结果如图5、图6所示。当使用直接成形工艺时，坯料褶皱严重，因此，直接成形工艺不可行；当使用拉深成形工艺时，制件可以通过拉深成形，但是需要调节优化压边力工艺参数来消除图6所示的开裂现象。

图5 直接成形仿真模型及结果

图6 拉深成形仿真模型及结果（压力边100t）

采用拉深工艺方案，调整压边力值为40t，利用JSTAMP软件再执行仿真计算获取的结果如图7所示，显示拉深工艺可以顺利加工出该零件，且零件的最大变薄率为22.3%，压边力的值设定为40t较为合适，零件的表面也不会存在褶皱。

产品回弹预测应用实例

图8为某企业为苹果公司代工生产的IPAD面壳，材质为铝合金A5050-H36，料厚0.8mm。该企业有采购冲压CAE软件的预算，JSTAMP软件作为备选之一，为了验证软件的计算精度，让我们提供JSTAMP软件分析该零件的仿真报告，以便于与现场试模结果作对比。从图8的对比结果可知：JSTAMP预测的回弹与试模结果十分吻合。

图7 拉深成形仿真结果（压边力40t）

图8 IPAD外壳回弹仿真结果与现场试模结果

结束语

随着市场的国际化，企业间的竞争也愈演愈烈，对冲压件的快速设计和制造也提出了更高的要求。仅仅依靠工程设计人员的经验来制造冲压产品的方式显然已经不能满足现代企业的生产需求了。如何实现高质量、低成本、短周期的产品开发是赢得这场竞争的关键。应用冲压成形数值模拟技术是解决这一问题的有效手段，本文介绍的级进模数值模拟方法及具体操作步骤，对CAE仿真工程师具有指导意义。数值模拟技术的发展应用及提升对于提高企业的竞争力具有重要意义，希望CAE技术在企业的应用越来越深入以达到提升企业竞争力和壮大企业技术实力的目的。