文/盛國強，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，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，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，然后重點介紹了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

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，通過彎曲變形強化后，基本都能夠達到產(chǎn)品要求的結(jié)構(gòu)強度，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。可簡單應(yīng)用實體單元進行多工序拉延，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。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?？蛻粝Ｍ覀兝肑STAMP進行仿真輔助工藝，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)用越來越深入以達到提升企業(yè)競爭力和壯大企業(yè)技術(shù)實力的目的。