基于DEFORM与ANSYS Workbench的热锻模具设计

文/卞正文·扬州恒德工业科技有限公司

基于DEFORM与ANSYS Workbench的热锻模具设计

文/卞正文·扬州恒德工业科技有限公司

在汽车稳定杆热锻模具的实际生产中，针对其交货周期短、品种繁多的特点，采用DEFORM与ANSYS Workbench软件进行相关的仿真设计，达到快速、有效、通用的目的。

稳定杆是汽车悬架中的一种辅助弹性元件，它的作用是防止车身转弯时发生过大的横向侧倾，防止汽车横向侧翻和改善平顺性。目前，中国汽车产量已跃居世界第一，2014年全年汽车产销量分别为2372.29万辆和2349.19万辆，2015年预计突破3000万辆。大众、BYD、长城等品牌为抢占市场，几乎每年都有升级型汽车问世，新能源、新概念汽车也层出不穷。因此，稳定杆作为一种大批量生产、结构相对稳定，但品种相对繁多的工业产品，其每年的需求量是巨大的。

热锻模具是生产稳定杆的重要工装之一，由于工作条件十分恶劣，热锻模需要在高温、高压、高摩擦和反复加热与冷却这样极其恶劣环境下工作。与约1000℃高温的金属坯料直接接触，脱模后温度剧烈下降，金属表层容易形成网状裂纹，经扩展便产生热疲劳断裂，降低寿命。由于以上因素，热锻模的寿命普遍不高，再加上品种过于复杂，需要经常更换上、下模，给企业生产安排与成本控制造成了很大影响。

怎样提高模具的通用性，达到更换快速、安全系数高的热锻模具结构要求是生产企业与专业模具企业需要解决的问题。为解决以上问题，本文在原有模具结构基础上通过改进设计，并通过先进的分析软件对结构进行仿真设计，改进了汽车稳定杆热锻模具设计方法。

整体结构设计

汽车稳定杆热锻模模具结构相对简单，与冲压模具的结构基本相同。目前，典型的模具结构是模架与上、下模使用螺杆与定位销连接，无法做到模块化设计，并且这种结构的通用性与互换性不高。现有的模具结构较传统方法有了很大的改善。图1所示为新结构模具总装图。

此新型结构的优点为：

⑴模具精度高，采用3面定位方式，并用上、下模控制模具精度。

⑵模块化程度高，减少了大量的调试时间，有利于批量化的生产，模具管理也更为便捷。

⑶模具更换迅速，只需松开压板螺钉，无需拆换模具即可进行，安装时同样方便简捷。

⑷安装模具时，操作人员无需将手伸入上、下模座之间操作，安全系数高。

以上设计基本是按照原有设计思路进行的，主要是靠经验设计与一定的理论计算完成的。在此基础上引入CAE分析软件进行仿真设计。

图1 新结构模具总装图

基于DEFORM的上、下模仿真设计

使用DEFORM软件对上、下模进行成形分析与模具应力分析，一般步骤为：将SLDPRT格式转换成STL格式，将工件导入DEFORM，设置材料及工作温度并进行网格化，插入工件及上、下模并设置参数生成数据，运行并做后处理。图2所示为工件成形的状态图，由图可得到以下结论。

⑴可以了解工件受锻压后的状态，仿真结果可以显示飞边情况以及产生局部缺陷的位置情况，这些与工件伸入模具的长度有关。此数据以往以经验为主并参考试模时的实际情况来确定最终工件长度。

⑵可以判断工件所受应力情况，从而判断是否符合模具要求。

⑶可以显示模具应力情况并分析。模具应力分析是在成形分析基础上进行的，导入成形分析数据，对上、下模进行参数设置并设置上、下模支撑，进行后处理，在此过程中不需要对工件进行分析，只需分析上、下模应力情况即可。

图2 载荷-行程曲线及最大载荷图

基于ANSYS Workbench的模架仿真设计

使用ANSYS Workbench软件对整体模架进行仿真分析，基本过程为定义材料→网格划分→定义边界条件→计算求解，图3、图4所示为整体应力情况与位移情况，主要得到以下数据。

⑴现有情况下的应力与位移情况。

根据DEFORM软件仿真的结果，将数据代入其中，将此结果设置成边界条件，可以形成整体应力云图与位移云图。

根据应力云图与位移云图，可知最大应力值与位移值及其发生位置。为设计改进提供参考依据，改进后，同样可以进行验证。

⑵极限载荷时的仿真结果。

此模架属于通用模架，除针对此套模具外，还要符合其他同类型模具的要求，因此可通过仿真设计得出其加载的极限力。

由极限情况下的应力云图与位移云图，综合考虑材料强度要求及许用应力，得出该模架的极限情况，从而得到其实用的极限条件，为以后的新模具结构设计及制造过程中提供参考依据。

图3 整体应力云图

图4 整体位移云图

结束语

通过DEFORM与ANSYS Workbench软件对上、下模腔、材料成形过程及模架整体结构的分析，得出相关数据，对整体模具结构进行校核，可判断设计的模具是否符合要求，尽可能的减少试模过程，提高了设计的准确度与效率，目前，该结构模具已在实际加工中得到使用，取得了明显效果。