基于有限元分析的復雜沖壓模具設計＊

李坤 任麗

（安徽文達信息工程學院機械與汽車工程學院，安徽合肥 231201）

隨著我國對數學理論研究的不斷深入，對求解微積分方程中的近似值問題的技術水平也不斷提高，并且在發展的過程中其理論要點逐漸在工程領域得到全面應用。有限元理論（FEA）主要是在數學研究中解決相應的函數與方程問題，在理論發展的過程中，其運用理念逐漸應用于器械零件、工藝產品制造等方面的生產中。

1.有限元分析理論闡述

克拉夫是最先對有限元理論進行論述的學者，其在“平面分析的有限元法”中最先引用了有限元的概念，并且對巖土工程的位移水平進行了分析[1]。而在當今數學領域的有限元理論分析中，主要通過多樣化的變分方法，將每個計算模式中的板塊都劃定成不同的細小單元，從而探索近似值函數極限，而且在運用最小二乘法以及加權余數法的過程中都能獲得相應的有限元方程。因其理論的計算精確程度高，執行效率快，有限元理論經驗實現了工程器械生產的全面應用。

對于工程類中彈性力學、固體力學、工程力學等實際工作的操作與應用，有限元分析的執行方法主要分為3 個步驟[2]：首先是預處理工序，主要是一種數據空間的模型呈現。其次是需要將CAD 制圖中的空間模型進行分析，將模型結構輸入到有限元算法程序中，實現數據資料的綜合性分析，從而構建完善的有限元方程系統。最后需要將其單元庫實現整體的綜合開發，在實際操作與應用中全面分析其優缺點，形成基礎的工程零件模型依據。

2.基于有限元理論分析復雜沖壓工藝

2.1 零件圖的設計與圖紙校對

在復雜沖壓模具設計中，首先需對復雜零件圖的工藝與技術進行全面設計，在設計的過程中，需要配備相應圖紙封皮、說明以及目錄，還需要對圖紙的圖幅與比例的細節進行設計，在有限元理論的數據測算基礎上，將實際測算數據的比例進行全面分析與闡述，進而在實際操作中進行全面的對比分析，將設備安裝圖以及材料制作圖等方面進行精細化的設計，保證圖形設計的比例與數據的精密程度。同時采用分層作圖的辦法，根據圖形的內容全面進行設計，在制圖結束之后參照有限元理論中的數據分析完成基本零件圖的校對工作，從而保障基本的零件圖的設計與校對能夠符合基本的數據參照標準，規范零件設計工藝的基礎設計工作流程[3]。

2.2 零件工藝的基準選擇與參考標準

對于零件工藝的基準選擇，首先需注意零件上的粗基準線與粗基準面，特別是沖壓的毛坯生產中，基于基本的粗基準參數來完成相應的數據操作，減少不必要的尺寸鏈以及工藝轉折點的材料消耗。在熱沖壓的熱力耦合實驗中，需要對沖壓過程中的導熱系數、熱膨脹系數以及物理的熱力比熱容相關參數指標進行合理選擇，并且在不同的溫度影響下，選用不同的參考基數，在其仿真模型工藝的實際操作中能夠充分應用有限元方程分析理論，實現數據設計的全面優化，保證基本的數據基礎，也可以在實際操作中減少廢品現象的消耗，保證零件工藝的基本數據參數的準確性[4]。

2.3 合理的工序組合方案選擇

在復雜沖壓模具設計中，需要對沖壓工藝的流程與組合工序實現精細化、流程化、規范化操作，特別是對于汽車較大覆蓋件的沖壓，因其結構設計難度相對較高，對復雜沖壓模具的設計也提出了較高要求，需要選擇合理的工序組合方案來優化模具的設計。也就是沖孔過程中嚴格按照精準的圖紙進行沖壓工作，以及在后期的落料、修邊、剖切等工作中能夠在理論參數的支撐下全面進行沖壓操作[5]。在最終的翻邊、材料擴張、磨平與整形工作中用有限元理論的近似值實現最大程度的復雜沖壓模具設計，從而優化沖壓模具工序組合。

2.4 計算模具壓力中心，選定沖壓設備

復雜沖壓的模具壓力中心是指沖壓力合力的作用點，在其作用點實現科學測算以及正確施壓，保證沖模的壓力點與壓力機滑塊的中心位置相吻合，避免因為滑塊的重力偏移而導致的模具承載力偏失，降低設備的使用壽命。從有限元理論分析的角度看，可以采用多樣化的數據解析來實現模具壓力中心的測算[6]。同時在沖壓設備的使用中，需要選擇合適的壓力機來完成相應的沖壓工作。

3.基于有限元分析的復雜沖壓模具設計方式與策略研究

3.1 基于數據基礎完善沖壓模具的設計

在目前的沖壓模具設計中，需要在有限元理論的指導下，能夠全面運用基礎數據的方程解析數據來實現基本的設計，在CAD 制圖軟件以及數據坐標系設計中新增相應的有限元理論模型，最大程度地實現有限元數據統計的分析與應用。在沖壓模具的工藝設計流程中，能夠充分運用理論知識與經驗實現零件的設計，從而全面實現零件使用精度的提升。同時，還需要將沖壓件模具的使用實現多層次的推廣應用，在實際沖壓過程中實現批量化的生產與應用，從而在基本的加工方法中實現多孔沖壓、多樣化沖壓，并且用多樣化的模具設計保證零件生產與應用的實際需要[7]。

3.2 將復雜沖壓模具工藝流程精細化

在復雜沖壓模具的設計過程中，需要一系列的工藝操作流程來保證整個零件器械的規?；a，從而在精度高、結構復雜的工藝流程中保證基本的沖模材料的準確性。特別是在落料模、沖口模、切口模等工藝流程中參照相應的有限元理論，在各個模具的設計與制作中都能精準化操作，保證數據的精準性與模具制作設計中細節拐角的處理，減少材料的損耗。同時還需要在設計制作復雜沖壓模型的過程中，對目前有限元理論的基礎方程與理念進行更新與發展，在全新的有限元理論的指導下實現多樣化的復雜器械操作，特別是對多孔道沖壓、精密電子元件沖壓等技術，需要提高我國復雜沖壓的技術與水平，從而設計出更加精密的沖壓模具。

3.3 全面推行機械驅動裝置測驗

沖壓設備在基本的模具工藝生產工作過程中，為了提高工藝的有效性與運行效率，需要全面對沖壓器械進行機械驅動裝置測驗，從而在基本的機械裝置試驗的過程中，能夠全面實現器械設備操作的檢修，保證基本的外觀檢查、驅動力測定等器械基本裝置試驗。在機械試驗的過程中，更好地優化沖壓模具的補充面形狀以及復雜沖壓模具結構的優化。同時，在有限元理論研究的基礎上，改進有限元理論中的逆向算法原則，提高整個模具設計的精度，還需要充分應用CAD 平臺以及相關的算法原則，實現有限元分析的基本拓展功能，從而避免產生模具起皺、破裂等問題的出現，影響器械的使用壽命。

4.結語

在我國多樣化的產品生產過程中，隨著對零件精密要求的不斷提高，在復雜沖壓模具設計的過程中，可以在零件圖的設計、圖紙校對、基準選擇與參考標準、沖壓設備的選定等方面都要有一定的理論依據，從而保證整個模具生產流程的精細化，進而在數據基礎上實現復雜沖壓模具的設計與完善，全面推進我國沖壓模具的工藝設計進程。