文/盛國強(qiáng)，崔寬，李彥波·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

JSTAMP/NV軟件在家電沖壓產(chǎn)品仿真中的應(yīng)用

文/盛國強(qiáng)，崔寬，李彥波·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

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

家電沖壓產(chǎn)品在沖壓時可能產(chǎn)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(chǎn)成本并縮短產(chǎn)品研發(fā)周期一直是家電廠家期待解決的問題。借助沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)是解決這類問題的主要手段，它將定性的經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為定量的模擬，基于沖壓成形理論，把廣泛應(yīng)用的訣竅和經(jīng)驗融入到CAE數(shù)字化仿真中，方便地求解工藝及模具設(shè)計涉及的復(fù)雜板料成形問題，準(zhǔn)確地預(yù)測沖壓成形結(jié)果，很多汽車制造企業(yè)已經(jīng)將CAE仿真技術(shù)作為產(chǎn)品開發(fā)制造的重要環(huán)節(jié)。本文首先概述了家電沖壓產(chǎn)品的成形特點(diǎn)，然后重點(diǎn)介紹了JSTAMP/NV軟件在家電沖壓產(chǎn)品中的仿真應(yīng)用實例。

家電沖壓產(chǎn)品的成形特點(diǎn)

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(chǎn)品尺寸較小，零件局部變形不均勻和應(yīng)變梯度較大的特點(diǎn)十分明顯。不同用戶的產(chǎn)品設(shè)計不同，同時即使同一用戶不同型號產(chǎn)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(nèi)部件和外觀件。多數(shù)內(nèi)部件如結(jié)構(gòu)件為簡單彎曲變形，少數(shù)為拉深和脹形變形。根據(jù)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(chǎn)品的成形性而言，絕大多數(shù)廠家對內(nèi)部件的鋼板表面質(zhì)量和沖壓效果要求較低，一般情況下，只要不產(chǎn)生沖壓開裂現(xiàn)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(zhì)量及沖壓的效果均有所要求。外觀件出現(xiàn)起皺的情況較為少見（一般通過調(diào)整壓力后都能夠消除），沖壓時可能產(chǎn)生的主要缺陷為開裂和回彈過大。因此，無論是內(nèi)部件還是外觀件，沖壓開裂現(xiàn)象都是不能允許的。

家電零件在對于強(qiáng)度和抗凹陷性能方面沒有汽車零件嚴(yán)格，對于結(jié)構(gòu)件而言，通過彎曲變形強(qiáng)化后，基本都能夠達(dá)到產(chǎn)品要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)度較高、成形性能較差）的鋼板，對于較為復(fù)雜的外觀零件，則應(yīng)根據(jù)零件的變形難度，適當(dāng)選用高牌號（材料強(qiáng)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(fā)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(yù)測開裂、起皺、回彈，尤其是高強(qiáng)度鋼板的回彈，是當(dāng)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(bǔ)償模面數(shù)據(jù)，并可直接用于NC加工的軟件；能幫助模具設(shè)計人員顯著減少模具設(shè)計時間和修模周期，以縮短交貨工期，降低生產(chǎn)成本；目前廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、鋼鐵冶煉和家電等工業(yè)領(lǐng)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?yīng)用實體單元進(jìn)行多工序拉延，提供豐富的材料數(shù)據(jù)庫、拉深筋數(shù)據(jù)庫。

家電沖壓產(chǎn)品數(shù)值仿真應(yīng)用案例

基于JSTAMP/NV軟件的沖壓成形仿真技術(shù)應(yīng)用于家電產(chǎn)品零件的研發(fā)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)問題、工藝方案制定問題、沖壓工藝參數(shù)優(yōu)化問題、產(chǎn)品外形尺寸精度問題。并在應(yīng)用軟件解決問題的過程中，可以充分考慮到廠家現(xiàn)場的生產(chǎn)條件，例如沖壓機(jī)的噸位、壓邊力大小、添加潤滑情況等。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)用實例

圖1 電烤箱搪瓷面板零件示意圖

某企業(yè)新設(shè)計的一款電烤箱搪瓷面板零件，在開模的前期，提供產(chǎn)品模型給我們進(jìn)行CAE分析，希望能夠評價產(chǎn)品的可制造性和幫助提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的建議?？蛻籼峁┑漠a(chǎn)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(guān)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(xiàn)拉深變形的特點(diǎn)。在拉深變形過程中，圓角部位為傳力區(qū)，其變形方式為平面應(yīng)變狀態(tài)，主要失效形式為開裂；法蘭邊的材料其應(yīng)力狀態(tài)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(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在圖2所示的兩個拉深深度較大的圓角部位出現(xiàn)了開裂。顯然，在該局部圓角區(qū)域的周向圓角半徑過小導(dǎo)致凸模圓角區(qū)域承載的力過大，使該傳力區(qū)的材料達(dá)到承載極限而產(chǎn)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(chǎn)生開裂現(xiàn)象，其安全裕度高于5%。

圖2 拉深較大的圓角出現(xiàn)開裂

圖3 修改圓角半徑后的仿真結(jié)果

工藝方案優(yōu)化應(yīng)用實例

佛山某家電企業(yè)設(shè)計了一款熱水器面殼零件，產(chǎn)品材質(zhì)為Q235，料厚為0.5mm，其三維零件圖如圖4所示。客戶希望我們利用JSTAMP進(jìn)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(chǔ)上優(yōu)化工藝參數(shù)。

圖4 熱水器面殼

根據(jù)客戶提供的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，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(jié)果如圖5、圖6所示。當(dāng)使用直接成形工藝時，坯料褶皺嚴(yán)重，因此，直接成形工藝不可行；當(dāng)使用拉深成形工藝時，制件可以通過拉深成形，但是需要調(diào)節(jié)優(yōu)化壓邊力工藝參數(shù)來消除圖6所示的開裂現(xiàn)象。

圖5 直接成形仿真模型及結(jié)果

圖6 拉深成形仿真模型及結(jié)果（壓力邊100t）

采用拉深工藝方案，調(diào)整壓邊力值為40t，利用JSTAMP軟件再執(zhí)行仿真計算獲取的結(jié)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(shè)定為40t較為合適，零件的表面也不會存在褶皺。

產(chǎn)品回彈預(yù)測應(yīng)用實例

圖8為某企業(yè)為蘋果公司代工生產(chǎn)的IPAD面殼，材質(zhì)為鋁合金A5050-H36，料厚0.8mm。該企業(yè)有采購沖壓CAE軟件的預(yù)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(xiàn)場試模結(jié)果作對比。從圖8的對比結(jié)果可知：JSTAMP預(yù)測的回彈與試模結(jié)果十分吻合。

圖7 拉深成形仿真結(jié)果（壓邊力40t）

圖8 IPAD外殼回彈仿真結(jié)果與現(xiàn)場試模結(jié)果

結(jié)束語

隨著市場的國際化，企業(yè)間的競爭也愈演愈烈，對沖壓件的快速設(shè)計和制造也提出了更高的要求。僅僅依靠工程設(shè)計人員的經(jīng)驗來制造沖壓產(chǎn)品的方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需求了。如何實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的產(chǎn)品開發(fā)是贏得這場競爭的關(guān)鍵。應(yīng)用沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)是解決這一問題的有效手段，本文介紹的級進(jìn)模數(shù)值模擬方法及具體操作步驟，對CAE仿真工程師具有指導(dǎo)意義。數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及提升對于提高企業(yè)的競爭力具有重要意義，希望CAE技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用越來越深入以達(dá)到提升企業(yè)競爭力和壯大企業(yè)技術(shù)實力的目的。