基于DEFORM與ANSYS Workbench的熱鍛模具設計

文/卞正文·揚州恒德工業科技有限公司

基于DEFORM與ANSYS Workbench的熱鍛模具設計

文/卞正文·揚州恒德工業科技有限公司

在汽車穩定桿熱鍛模具的實際生產中，針對其交貨周期短、品種繁多的特點，采用DEFORM與ANSYS Workbench軟件進行相關的仿真設計，達到快速、有效、通用的目的。

穩定桿是汽車懸架中的一種輔助彈性元件，它的作用是防止車身轉彎時發生過大的橫向側傾，防止汽車橫向側翻和改善平順性。目前，中國汽車產量已躍居世界第一，2014年全年汽車產銷量分別為2372.29萬輛和2349.19萬輛，2015年預計突破3000萬輛。大眾、BYD、長城等品牌為搶占市場，幾乎每年都有升級型汽車問世，新能源、新概念汽車也層出不窮。因此，穩定桿作為一種大批量生產、結構相對穩定，但品種相對繁多的工業產品，其每年的需求量是巨大的。

熱鍛模具是生產穩定桿的重要工裝之一，由于工作條件十分惡劣，熱鍛模需要在高溫、高壓、高摩擦和反復加熱與冷卻這樣極其惡劣環境下工作。與約1000℃高溫的金屬坯料直接接觸，脫模后溫度劇烈下降，金屬表層容易形成網狀裂紋，經擴展便產生熱疲勞斷裂，降低壽命。由于以上因素，熱鍛模的壽命普遍不高，再加上品種過于復雜，需要經常更換上、下模，給企業生產安排與成本控制造成了很大影響。

怎樣提高模具的通用性，達到更換快速、安全系數高的熱鍛模具結構要求是生產企業與專業模具企業需要解決的問題。為解決以上問題，本文在原有模具結構基礎上通過改進設計，并通過先進的分析軟件對結構進行仿真設計，改進了汽車穩定桿熱鍛模具設計方法。

整體結構設計

汽車穩定桿熱鍛模模具結構相對簡單，與沖壓模具的結構基本相同。目前，典型的模具結構是模架與上、下模使用螺桿與定位銷連接，無法做到模塊化設計，并且這種結構的通用性與互換性不高。現有的模具結構較傳統方法有了很大的改善。圖1所示為新結構模具總裝圖。

此新型結構的優點為：

⑴模具精度高，采用3面定位方式，并用上、下?？刂颇＞呔?。

⑵模塊化程度高，減少了大量的調試時間，有利于批量化的生產，模具管理也更為便捷。

⑶模具更換迅速，只需松開壓板螺釘，無需拆換模具即可進行，安裝時同樣方便簡捷。

⑷安裝模具時，操作人員無需將手伸入上、下模座之間操作，安全系數高。

以上設計基本是按照原有設計思路進行的，主要是靠經驗設計與一定的理論計算完成的。在此基礎上引入CAE分析軟件進行仿真設計。

圖1 新結構模具總裝圖

基于DEFORM的上、下模仿真設計

使用DEFORM軟件對上、下模進行成形分析與模具應力分析，一般步驟為：將SLDPRT格式轉換成STL格式，將工件導入DEFORM，設置材料及工作溫度并進行網格化，插入工件及上、下模并設置參數生成數據，運行并做后處理。圖2所示為工件成形的狀態圖，由圖可得到以下結論。

⑴可以了解工件受鍛壓后的狀態，仿真結果可以顯示飛邊情況以及產生局部缺陷的位置情況，這些與工件伸入模具的長度有關。此數據以往以經驗為主并參考試模時的實際情況來確定最終工件長度。

⑵可以判斷工件所受應力情況，從而判斷是否符合模具要求。

⑶可以顯示模具應力情況并分析。模具應力分析是在成形分析基礎上進行的，導入成形分析數據，對上、下模進行參數設置并設置上、下模支撐，進行后處理，在此過程中不需要對工件進行分析，只需分析上、下模應力情況即可。

圖2 載荷-行程曲線及最大載荷圖

基于ANSYS Workbench的模架仿真設計

使用ANSYS Workbench軟件對整體模架進行仿真分析，基本過程為定義材料→網格劃分→定義邊界條件→計算求解，圖3、圖4所示為整體應力情況與位移情況，主要得到以下數據。

⑴現有情況下的應力與位移情況。

根據DEFORM軟件仿真的結果，將數據代入其中，將此結果設置成邊界條件，可以形成整體應力云圖與位移云圖。

根據應力云圖與位移云圖，可知最大應力值與位移值及其發生位置。為設計改進提供參考依據，改進后，同樣可以進行驗證。

⑵極限載荷時的仿真結果。

此模架屬于通用模架，除針對此套模具外，還要符合其他同類型模具的要求，因此可通過仿真設計得出其加載的極限力。

由極限情況下的應力云圖與位移云圖，綜合考慮材料強度要求及許用應力，得出該模架的極限情況，從而得到其實用的極限條件，為以后的新模具結構設計及制造過程中提供參考依據。

圖3 整體應力云圖

圖4 整體位移云圖

結束語

通過DEFORM與ANSYS Workbench軟件對上、下模腔、材料成形過程及模架整體結構的分析，得出相關數據，對整體模具結構進行校核，可判斷設計的模具是否符合要求，盡可能的減少試模過程，提高了設計的準確度與效率，目前，該結構模具已在實際加工中得到使用，取得了明顯效果。