代洪慶 ，趙妍 ，戶春影 ，黃文怡

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.黑龍江省農(nóng)副產(chǎn)品加工機械化研究所）

在板料沖壓成形過程中，當(dāng)外力去除后，塑性變形留存下來，而彈性變形則完全消失。彎曲變形區(qū)外側(cè)因彈性恢復(fù)而縮短，內(nèi)側(cè)因彈性恢復(fù)而伸長，產(chǎn)生了彎曲件的彎曲角度和彎曲半徑與模具相應(yīng)尺寸不一致的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為彎曲件的回彈[1]?；貜椩诎辶铣尚芜^程中，尤其是彎曲和拉深過程中影響到?jīng)_壓件的尺寸精度和零件最終的形狀。傳統(tǒng)的成形工藝主要依賴以往經(jīng)驗，靠反復(fù)的修模、試模來解決，這不僅使生產(chǎn)周期大大延長、生產(chǎn)成本提高，更重要的是產(chǎn)品的質(zhì)量得不到保證。

近年來隨著計算機軟硬件技術(shù)、板料塑性變形理論和數(shù)值計算方法的發(fā)展，開創(chuàng)了金屬板料沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)。其越來越受到人們的重視，通過計算機對沖壓過程的仿真模擬，大大減少了試錯逼近的試模環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

1 建立模型

1.1 V形件回彈角定義

V形件彎曲回彈的結(jié)果表現(xiàn)在彎曲角度的變化[2]。如圖1所示，實線為卸載前彎曲件的形狀，虛線為卸載后彎曲件的形狀，卸載前彎曲中心角為α，回彈后彎曲中心角為α′，則角度變化量為

圖1 回彈角定義示意圖Fig.1 Angle of springback

1.2 有限元模型的建立

模擬所用的V形件的幾何模型如圖2所示。板料的長度為120 mm，寬度為20 mm，厚度為1 mm。板料采用08AL冷沖壓鋼板。板料采用36號即三參數(shù)Barlat材料模型（各向異性彈塑性材料）。36號材料模型考慮了板料的厚向異性對屈服面的影響，為了準(zhǔn)確的預(yù)測出回彈角的大小，在網(wǎng)格劃分單元尺寸較小，保證在90°的模具弧度上至少有4個單元，盡可能使用接近正方形的單元，為了得到精確的結(jié)果，在沖壓成形回彈分析中都使用16號殼單元公式，并且殼單元厚度方向積分點數(shù)增加到7個。

圖2 V形件彎曲模具示意圖Fig.2 Illustration of air V-bending

1.3 算法

回彈模擬的算法主要有兩種：動力顯式算法和靜力隱式算法。在動力顯式法的計算模型中，考慮了速度和加速度變量，模具與工件之間的接觸約束條件不僅與位移有關(guān)，還應(yīng)保持與兩接觸點間速度和加速度的協(xié)調(diào)關(guān)系[3]。動力顯式算法，使得接觸處理簡單、實用，無需求解剛度矩陣；在發(fā)生起皺、失穩(wěn)現(xiàn)象時不會引起數(shù)值計算困難，并且計算時間隨著節(jié)點、自由度的增加僅呈線性變化，特別適合于求解大型復(fù)雜成形問題[4]。因此，動力顯式算法比靜力隱式算法更加接近于沖壓過程的本質(zhì)[5]。

卸載回彈是一個準(zhǔn)靜態(tài)過程，回彈計算是在加載過程應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進行的，精確計算加載應(yīng)力，靜力隱式算法是比較合理且相對精確的方法[6]。

本文在板料彎曲回彈數(shù)值模擬過程采用動靜態(tài)聯(lián)合算法。首先在UG等軟件中建好三維模型并導(dǎo)入到LS-DYNA中，在LS-DYNA前處理中定義模具參數(shù)，劃分網(wǎng)格，設(shè)置板料屬性，并利用動態(tài)顯示算法對其進行求解。在彎曲成形分析后，輸出包含板料最后階段的變形網(wǎng)格和應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的dyain文件，再導(dǎo)入dyain文件到LS-DYNA，定義約束條件，進行靜態(tài)隱式回彈分析。

2 回彈的主要影響因素分析

圖3為加載終了板料的等效應(yīng)力分布，圖4為加載終了板料的等效應(yīng)力分布。從圖上可以得出加載終了后應(yīng)力主要集中在V形件的圓角部位，經(jīng)過卸載回彈板料的等效應(yīng)力明顯較少。并測量卸載前后角度的變化，卸載前板料的彎曲中心角為90°，卸載后板料的彎曲中心角為92.1°，回彈角2.1°。

圖3 加載終了板料的等效應(yīng)力分布Fig.3 Equivalent stress distribution at the end of forming

圖4 加載終了板料的等效應(yīng)力分布Fig.4 Equivalent stress distribution after springback

2.1 凸、凹模圓角半徑對回彈的影響

圖5為板料為08AL，凸、凹模為1.1 mm，摩擦系數(shù)為 0.125，凸、凹模圓角半徑分別為 5，10，15，20 mm的條件下回彈量。

這主要是因為模具的圓角小，板料的圓角部位塑性變形占變形量的比例較大，而彈性變形所占比例較小，所以凸、凹模圓角半徑越小，回彈角越小。

圖5 凸、凹模圓角半徑對回彈的影響Fig.5 Influence of punch and die radius on springback

2.2 凸、凹模間隙對回彈的影響

V型件凸、凹模的間隙主要是靠調(diào)節(jié)壓力機的閉合高度來實現(xiàn)的，但為了保證完全的質(zhì)量凸模圓角半徑與凹模底部圓角半徑以及凸凹模兩側(cè)，在模具閉合時完全接觸或貼合。

圖6為板料為08 AL，板料厚度t=1 mm，摩擦系數(shù)為0.125，凸、凹模圓角半徑分別為10 mm，凸、凹模的間隙分別為1.1、1.3、1.5、2 t的條件下回彈量。

由圖6可知隨著凸凹模間隙增大，回彈角增大。這是因為間隙大，材料處于松動狀態(tài)，彈性回彈較大；間隙小，材料被擠壓，塑性變形較大，回彈就小。

圖6 凸、凹模間隙對回彈的影響Fig.6 Influence of die clearance on springback

2.3 材料性能對回彈的影響

圖7為板料分別為08AL、高強度鋼、鋁合金3種不同力學(xué)性能的材料，其力學(xué)性能如表1所示。凸、凹模為1.1 mm，摩擦系數(shù)為125，凸、凹模圓角半徑分別為10 mm的條件下回彈量。圖中橫坐標(biāo)1，2，3分別代表08AL，高強度鋼HLSA300，鋁合金AA6010。由圖7可知鋁合金的回彈角比高強度鋼大，高強度鋼的回彈角比08AL大。其主要原因是材料屈服極限σs彈性模量E越小，則彎曲后回彈角越大。

圖7 材料力學(xué)性能對回彈的影響Fig.7 Influence of material properties on springback

2.4 摩擦系數(shù)對回彈的影響

圖8為08AL，凸、凹模為1.1 mm，凸、凹模圓角半徑分別為10mm，摩擦系數(shù)分別為0.10，0.125，0.15，0.20 的條件下回彈量。

由圖8可知，但由于增大摩擦系數(shù)可以塑性變形量增大，回彈角減小，但摩擦系數(shù)對回彈角的影響較小。

圖8 摩擦系數(shù)對回彈的影響Fig.8 Influence of Friction coefficient on springback

表1 材料性能參數(shù)Table 1 Material properties of sheet metals

3 結(jié)論

通過對V形件彎曲回彈過程的模擬可以得出以下結(jié)論：

3.1 影響V形件回彈的因素中凸、凹圓角半徑，凸、凹模間隙，板料的力學(xué)性能參數(shù)對彎曲回彈角影響較大，而摩擦系數(shù)影響較小。

3.2 通過利用LS-DYNA動靜態(tài)聯(lián)合算法的求解功能對V形件彎曲成形和回彈進行模擬，大大減少了試錯逼近的試模環(huán)節(jié)，降低生產(chǎn)成本，為模具修正提供了有力依據(jù)。

［1］焦明華，于軍濤，解挺，等.板料沖壓成形回彈模擬的評述［J］.鍛壓技術(shù)，2007，32（6）：1-5.

［2］肖景容，姜奎華.沖壓工藝學(xué)［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1994.

［3］Krasovskyy Andriy，Schmitt Winfried，Riedel Hermann.Materialcharracterizations forreliable and efficient springback prediction in sheet metal forming ［J］.SteelResearchInternational，2006，77（9-10）：747-753.

［4］孫希延，施滸立，紀(jì)元法.板料拉深成形數(shù)值模擬關(guān)鍵算法的比較［J］.鍛壓技術(shù)，2006，（2）：19-22.

［5］劉紅山，李慎國，謝世坤.動力顯式算法在汽車覆蓋件成形過程有限元模擬中的應(yīng)用［J］.南昌大學(xué)學(xué)報，2004，（4）：4-8.

［6］Sun P.Control system of a mini hydraulic press for evaluating springback in sheet metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，176（1-3）：55-56.