基于JSTAMP和Solidworks的前轮罩冲压模具设计

苏志伟

摘 要：根据客户对于产品型面和尺寸的要求，在JSTAMP软件仿真分析的基础上，对产品进行工艺设计。采用Solidworks软件进行工序件建模和冲压模具设计，绘制出合理的铸造模具数模，提高了产品的一致性和生产效率。

关键词：仿真;工艺设计;冲压模具设计;铸造模具

如今新能源汽车的市场竞争激烈，为了抢占市场，汽车厂商需要缩短开发周期和提高产品质量。为此，结合了CAE和CAD软件进行的模具设计，变得越来越普遍。下图为E300新能源汽车的左、右前轮罩内板的图片。

两侧敞开且弧度较大，决定了此工件如果直接压制的话回弹会比较大，须进行带压边力的拉延，而拉延工序又必须避免开裂和起皱。两端开口的左右件产品适宜合并共模生产，这样可以节省材料、节省冲次，并且可使工件两侧走料均匀。要消除起皱，可以采用增加工艺补充面的方式，增加补充面的位置在工件侧面开口的部位，这样有利于绷住工件的边料，避免材料过快地进入模腔。左右件之间的过渡平面区域较大，没有一定的筋条，也是造成此区域起皱的原因。因此，应在此处增加筋条，以达到消皱的效果。零件两个侧面是竖直的，如果拉延时把两侧面形状完整成型出来的话，修边不方便。因此可以把压料面做成平的并且抬高，先拉伸出一截形状，修边后再翻边整形。压料面上还应做出拉延筋，拉延筋延缓材料的流动，从而防止起皱[1]。用Solidworks软件对形状进行修改，如下图2所示。

冲压仿真除了要输入工序件的形状以外，还要输入材料、拉延力、压边力等要素。本产品的材料为厚度0.8mm的DC01钢板，DC01的力学性能为：屈服强度=130-260MPa，抗拉强度≥270MPa，延伸率≥30%。将这些数据输入JSTAMP软件内的吉田-上森模型，为导入计算做准备。根据[2]P73表5-12，拉延次数为1次的工件，其拉伸间隙=1.1S+δS。其中，S为料厚，δS为料厚上偏差。0.8mm的冷轧板（宽度为1200-1500mm）的料厚偏差为±0.07mm，所以拉延间隙=1.1X0.8+0.07=0.95mm。这个拉延间隙可以输入到仿真软件中，作为凹模与凸模的等距距离，也可以用于后续的模具设计。接下来便是计算拉延力，按照[3]P86式3-2，F=0.04XSXδbX（t-0.2）（N），式中，F=拉延力+压边力（N），也就是主缸作用于凹模所需的力;t为料厚（mm）;δb为材料抗拉强度（MPa）;S为凸模面积（mm2）。DC01的抗拉强度≥270MPa，这里按质保书结果取值采用345MPa。采用Solidworks软件测得凸模面积为401044.51mm2。所以，F=0.04X401044.51X345X（0.8-0.2）=3320648N，换算到吨的单位应除以9800，得出338.8吨。我司拥有的相似吨位的液压机有500吨的，且500吨有合适的工作台面以满足模具安装，故选用500吨液压机来进行拉延工序。将工序件的数模及料厚导入JSTAMP软件中，利用坯料展开功能，反求出坯料的形状，将坯料形状加上修边余量，并进行圆整，便得到下料尺寸为825X600（mm）。压边力应该单独计算出来，根据[4]P185式5-7，PY=FXp。其中，PY为压边力（N）;F为压料面积（mm2）;p为单位面积压料力（MPa）。在压制时，初始的压料面积=坯料面积减去凸模投影面积（三维软件测量得出），即825X600-286895.2=208104.8mm2。参考[4]P185图5-9，p与抗拉强度、拉伸系数m、料厚有关，拉伸系数m=凸模投影面积/坯料面积=286895.2/（825X600）=0.58，结合前面已知的抗拉强度和料厚，从图中查出单位压料力p≈2.1MPa。所以PY=Fp=208104.8X2.1=437020N，可输入到后面的仿真计算中。压边力可换算为44.59吨，公司500吨液压机的顶料缸满负荷压力为100吨，可满足要求。

接下来便是进行单元分析，截取拉延工序件的外侧曲面为输入曲面，导入到JSTAMP软件中，并划分网格，作为凹模面，选择上模基准选项。将凹模面向内等距一个拉延间隙，即前述的0.95mm，可得出凸模与顶料板的型面。选取等距面的水平面部分及拉延筋部分，即为顶料板型面，其余就是凸模型面。型面分配后，输入前面计算的主缸压力、压边力以及载荷方向。原材料方面，导入材质、厚度、坯料大小、单元类型，并划分网格。网格越小，网格数越多，计算速度越慢，但是结果也越精确，这里设定坯料网格大小为2.5mm。接下来对模具设定组装，即可模拟运行，观察到载荷方向无误后，即可执行运算。经过运算，可通过后处理看到工件的成型极限图（FLD图），FLD图反映的是冲压成型过程中的应变状态、变形模式，可以体现出拉延后有无开裂或起皱，如下图。

从上图可以看出，板材经过拉延未产生起皱或开裂，此工序件可以满足要求。拉延形状确定后，可以制定本产品的工艺路线为：剪板→拉延→修边冲孔→侧修边→翻边→切开侧冲孔→冲孔侧修边→冲孔→点焊螺母。正修边之后还有侧修边的原因，是某些修边线所在的曲面与冲压方向倾斜不垂直，正向冲裁会有较大毛刺。这些修边线另外用斜楔机构进行侧修，以保证冲压方向与板面垂直。

工艺路线制定好以后，就可以进行模具设计，下面只介绍拉延模。中小型的拉延模一般凹模在上模座，采用单动压力机进行压制，凹模的结构形式分为镶拼式和整体式两种。镶拼式是把凹模分为数块，材质为Cr12，一起锁在材质为HT300的模座上;整体式是凹模与模座铸为一体，材质为CrMo。这两种方式各有优点，而本产品强度不大，料厚较小，可以采用整体式，这样制模效率较快。设计时，将拉延工序件的外表面导入作为素材，此面即是凹模的型面，包含了工件型腔、凹模圆角、凹模压料面和拉延筋，并将此面向外延伸几公分。模座的形状包括模座主体、导向方柱、模座掏空形状、压板槽、加强筋、铸造孔、通气孔、吊棒等。其中，模具的掏空形状应保证型腔后部有50mm的壁厚、其余部分有40mm的壁厚;加强筋厚度为30 -40mm，排列应均匀对称，间距不超过300mm，且不得位于机床T型槽位置。为了防止模具装反，两个导向方柱的宽度设计成不同尺寸，左侧比右侧大20mm，此原则也适用于其余工序的模具导向设计。在凹模型腔应钻通气孔，以便气体及时排出，保证工件压制到位，减小回弹。上模座加工完成后，还要在型面凸起或圆角部位进行局部淬火，淬火部分硬度需达到50HRC以上。

拉延模的凸模型面就是工序件内型面（除去压料面部分）。凸模为整体铸造，材料为CrMo，内部掏空，底部有四个支脚用于装配。在凸模的底平面上，还加工有三个键槽，用于凸模在下模座的定位。凸模同样也要钻通气孔。压料座的基础面采用工序件的压料面部分，结构也是采用整体式，材料同样为CrMo，设计的要素与上模座大致相同。为了使实际生产中压料面各区域间隙均匀，还在凹模与压料座之间设置了几个平衡块，用于调整间隙（加垫片或磨平衡块）。压料座要设计导向槽与凹模的导向方柱配合。凸模和压料座同样要做局部淬火处理。下模座用于固定凸模，与工件表面无接触，故材料采用HT300即可。设计下模座，要绘制安装座、压板槽、导向柱（与压料座配合）、加强筋、吊柱、顶料孔、限位块等。模具各配件的导向部分要装自润滑耐磨板，顶料板上要安装坯料定位块。

经过仿真分析的成型模，试模成功率有了很大提高。采用了铸造形式的模具，导向精度更高，产品尺寸稳定性更好，工作效率也有了提高。CAD和CAE工具的交叉运用，对于冲压模具的研发有很大的帮助。

参考文献：

[1]肖景容，姜奎华.冲压工艺学.北京：机械工业出版社.2015：112-113.

[2]胡平.汽车覆盖件模具设计基础. 北京：机械工业出版社.2011.11.

[3]廖伟.汽车覆盖件模具设计技巧、经验及实例.北京：化学工业出版社.2013.6.

[4]《冲模设计手册》编写组.冲模设计手册. 北京：机械工業出版社.1999.6.