JSTAMP/NV软件在实践中的应用

　　摘要：本文以铁路货车某拉深件为例，结合运用Pro/E、JSTAMP/NV软件，阐述展开计算、工序拆分、间隙修正、单元选择等环节的参数设定思路及验证过程。将传统冲压工艺分析方法与有限元结合运用，很好解决生产实际问题。

　　本文源自锻造与冲压,2020(22):39-42.《锻压技术》主要报道锻造和模锻、冲压、特种成形等领域的新理论、新工艺、新设备以及相关的技术问题，包括模具设计与制造技术，磨擦与润滑技术，锻压工艺参数与设备力能参数的测试技术，锻压CAD/CAM技术，机械化自动化和柔性生产控制技术等。

　　在冲压件的拉深工艺分析、模具参数设定时，传统的方法是查表计算总的拉深系数，然后一步步推导出拉深次数和各工序的拉深形状。而经常由于所查手册中零件示例的形状与实际工况不一致，或新材质查不到经验数，这样在工艺方案的制定过程中，就会做很多近似处理，造成工艺分析的偏差，致使问题后移，使得模具调试周期长、成本高。随着板料成形分析软件在工程中的广泛应用，在实际工作中，更多的采用传统方法作为原始输入，经过有限元计算，来修正原始的输入，最终得到合适的工艺方案及模具设计输入。本文采用这样的思路，以铁路货车上的一个近似件为例，阐述整个过程，以实现传统技术与有限元方法的结合运用。借助有限元分析优化了各工序的拉深形状，通过观察后处理剖切断面凸、凹模间隙，避免了传统惯用1.1t凸、凹模间隙带来的问题。

　　一、零件信息、材料模型的创建

　　本文采用的模型如图1所示，为典型的回转体零件，有一定锥度，带有翻边法兰，相对无法兰的拉深件，有部分料未转换成内壁，成形条件比较苛刻，零件信息见表1。

　　在板料成形分析中，材料参数很重要，但过于复杂的参数不容易获得，JSTAMP/NV软件可以根据表1数据，通过材质拟合功能，很方便的拟合出真实的应力—应变曲线(图2)，用于分析计算，经试验验证也可以满足精度要求。

　　图1零件断面图

　　表1零件信息

　　图2材质拟合曲线

　　二、估算初始坯料展开

　　本文采用等质量法计算毛坯展开(图3)，其计算原理与查表计算是一样的，能保证计算精度，而且适用于各种形状，不受形状的限制，方便快捷，实用性强。但无论哪种方法都只是初始输入，实际成形后的零件各部分的厚度是不均匀的，根据分析结果还要做必要的修正。

　　修边量确定：考虑材料的各向异性及定位误差带来压形后的高度偏差，有凸缘圆筒件的修边余量，取修边量为4mm，采用CAD软件对最终零件建模后，在零件高度方向上增加4mm修边量，并计算该工艺模型的质量为m=0.732kg。

　　图3展开计算原理

　　新建虚拟毛坯：回转体零件展开均为圆形，由于圆形只要厚度和直径两要素就能确定形状，新建和图1零件厚度相同的圆形毛坯，直径φ随便给个初值、比如180mm。

　　展开计算：调整直径φ，使毛坯质量与零件的质量m=0.732kg尽量接近，经上述过程计算，粗略估计毛坯直径为200mm，记为DZ=200mm。

　　2.1 确定一次拉深模面

　　初步确定工艺流程为切割(φ200)→n次拉深→翻边-修边。采用工序分解后，零件的成形计算模型转化为图4的三拉形状，只要该形状可以成形，再经翻边后，即可实现零件的制造。

　　查找手里现有的模具设计手册，由于侧壁斜度的存在，找不到形状完全一致的参考模型，采用类比的步骤对拉深系数分解。查找06Cr19Ni10的极限拉深系数见表2。查表可知：总的拉深系数0.39小于不锈钢的一次极限拉深系数0.5，所以该件需要通过多次拉深来实现，依据表3计算：当K1=0.52时，计算首次拉深凹模尺寸，dp1=K1×Dz=0.52×200=φ104，首次拉深凹模直径为φ104mm。当K2=0.82时，计算二次拉深凹模尺寸：dp2=K2×dp1=0.82×104=φ85.3，二次拉深凹模直径为φ85.3mm。当K2=0.82时，计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径为φ69.9mm。

　　从计算看3次拉深，从系数分批上分析最小凹模洞口尺寸为φ73.8

　　表206Cr19Ni10的极限拉深系数

　　图4拉深模面图

　　⑴由于不锈钢材质初次拉深的性能较好，拉深系数尽量接近该材质的极限。

　　⑵初次拉深后，零件周圈法兰增厚明显，刚度较大，后续再次将其拉入凹模所需力量需要从底部圆角最薄弱位置传递，容易造成薄弱位置拉裂，所以首次拉深时，带入凹模洞口的料应尽量多。

　　⑶初次拉深宜采用大圆角，尽量避免局部受力过大。

　　2.2 初始模面计算

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

　　2.3 有限元分析优化

　　运用Pro/E参数化三维建模软件，参数化建模各工序的模具凸、凹模型面及坯料，导入到JSTAMP/NV中对各工序进行分析计算，当计算不理想时，继续调整相应各工序参数，最终确定如下工艺流程图(如图5)。

　　三、模具设计及工艺要点

　　3.1 模具间隙的设置

　　统计各工序成形后，零件进入凹模内的板料最大厚度见表3。在拉深模具设计中，一般凸、凹的间隙为1.1t(t为板厚)，本例中1.1t=3.3mm，经过计算，在第三次拉深时板料的局部最大厚度已经达到3.58mm，如图6所示。如果不经过模拟分析我们会按照3.3mm设置凸、凹模的间隙，在试模过程中凸、凹模发生卡死，工件无法压到位，这时可能会怀疑设备的压力不够，把我们的注意力引到另外一个方向，有限元模拟分析提前解决了这个问题。

　　图5各工序计算流程图

　　表3凹模内板料最大厚度

　　图6二次拉深关键点厚度值

　　3.2 压边力的计算及设备吨位的选择

　　通过拉深成形分析后的变形力曲线。使压边力更加合理，例如：在一次拉深时，经过分析计算此时的压边力仅需要2吨，这样使模具设计有理有据。而以往在模具设计时，一般先按空间设置大的压边，然后调试过程中，如果出问题再减少压边，调试时间长，模具成本高。

　　图7成形力的计算

　　图8直接翻边后实物照片

　　图9热处理后翻边实物照片

　　同时变形力曲线也是合理选择设备吨位的重要依据(图7)，在本文的“模具间隙的设置”部分，初始的模具间隙设置为1.1t，观察成形力曲线时，成形力飙升至2000多吨，而且还没压到底部，观察剖面图才发现间隙设置不合理。

　　材质经过反复拉压后，加工硬化现象明显，塑性降低，在翻边过程发生开裂现象(如图8)，经过热处理退火再结晶后进行翻边，取得了良好的效果(图9)。

　　四、结束语

　　本文采用模具设计手册中的基本公式对初始模面进行计算，通过JSTAMP/NV板料成形分析软件的计算，对初始模面、展开进行优化，很好地解决了现场实际问题。结合分析过程中，板料厚度的实际分布，合理的设置间隙，纠正了传统的凸、凹模1.1t间隙所带来的问题。根据分析计算的结果，在模具设计中合理的设置压边力。