文/黃義關(guān)，李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

JSTAMP/NV在B400/780DP鋼板零件中的回彈分析

文/黃義關(guān)，李彥波，劉紅武·廣州中國科學(xué)院工業(yè)技術(shù)研究院

回彈是板料沖壓成形后存在的一種普遍現(xiàn)象，其產(chǎn)生機(jī)理是模具卸載后零件所產(chǎn)生的反向彈性變形。零件的最后回彈量是其整個成形過程的累積效應(yīng)，最終形狀取決于成形后的回彈量，回彈的存在使零件尺寸精度降低，從而增加了試模、修模工作量。隨著汽車和航空工業(yè)的發(fā)展，為了減輕質(zhì)量，節(jié)約能源，提高安全性，大量使用高強(qiáng)度金屬薄板。與此同時，對薄板殼類零件成形精度的要求越來越高，因此如何控制零件的回彈已成為目前工業(yè)領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。通過有限元仿真在零件試模前對零件成形后出現(xiàn)的回彈量進(jìn)行預(yù)測，并在模具的設(shè)計(jì)過程中對回彈進(jìn)行補(bǔ)償，對提高沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率具有重要意義，其關(guān)鍵是如何獲取用于指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)的高精度回彈預(yù)測值。

本文以某汽車梁類零件頂蓋橫梁為研究對象，運(yùn)用先進(jìn)的板材沖壓仿真有限元分析軟件JSTAMP/NV對其進(jìn)行回彈模擬分析。首先通過顯式算法模擬動態(tài)拉延成形過程，然后利用隱式靜態(tài)算法模擬回彈變形，并對同一工藝參數(shù)條件下的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和比較，以探索利用沖壓有限元回彈仿真控制零件回彈的方法。

汽車頂蓋橫梁成形工藝分析

圖1汽車頂蓋橫梁零件

汽車頂蓋橫梁是白車身上車體后上部分與左右側(cè)圍相搭接，支撐頂蓋，并用于安裝固定背門、頂蓋內(nèi)襯或橫梁裝飾板的結(jié)構(gòu)零件，如圖1所示。對頂蓋橫梁的強(qiáng)度和剛度都有一定的要求以保證車體后上部的扭轉(zhuǎn)、模態(tài)的要求，由于涉及到與側(cè)圍、頂蓋及其他零部件的裝配問題，要求頂蓋橫梁與頂蓋的曲率必須保持一致，避免焊接后頂蓋出現(xiàn)變形因此，通常都采用高強(qiáng)度鋼板，并通過多工序成形（拉延、修邊沖孔、整形等）的方式來完成該零件的加工。

汽車頂蓋橫梁回彈仿真分析

有限元分析模型的建立和參數(shù)設(shè)置

在JSTAMP/NV前處理中建立仿真分析模型，如圖2所示，包括凸模、凹模、板料和壓邊圈，模具采用倒裝結(jié)構(gòu)，以單動拉延方式成形。仿真工序包括拉延、修邊和回彈。

該橫梁材料為DP780高強(qiáng)度鋼板，性能參數(shù)：板料厚度t=1.2mm，楊氏模量為210GPa，泊松比為0.3，在0°、45°和90°三個方向的異性系數(shù)都為1，屈服應(yīng)力為400MPa，加工硬化指數(shù)n=0.008，拉深強(qiáng)度為817MPa。仿真中采用的接觸算法基于罰函數(shù)法，接觸類型采用專門用于成形分析的Forming類型接觸，接觸摩擦理論基于庫侖公式，屈服應(yīng)力為指數(shù)硬化方式，屈服函數(shù)符合Hill屈服準(zhǔn)則。本例在仿真中采用全積分殼單元，厚向積分點(diǎn)個數(shù)設(shè)為7個以確保仿真的精度，其他仿真參數(shù)為：沖壓速度為3000mm/s，毛坯與各模具間的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.12，拉延成形的壓邊力大小（BHF）分別設(shè)定為70t、120t和190t，分別進(jìn)行三次模擬仿真以研究不同壓邊力對零件回彈的影響。

回彈仿真中約束點(diǎn)的設(shè)置

回彈仿真時，必須在毛坯上定義適當(dāng)?shù)募s束點(diǎn)來消除剛體的六個自由度以避免剛性運(yùn)動。基于JSTAMP/NV，本案例采用“指定節(jié)點(diǎn)”的方式進(jìn)行回彈約束的設(shè)置，即在零件上選取三個約束節(jié)點(diǎn)，如圖3所示，其中第一個約束點(diǎn)TXYZ表示約束該點(diǎn)3個方向平動自由度，并定義為回彈模型的參考點(diǎn)，在這個節(jié)點(diǎn)處，回彈的位移為零；第二個節(jié)點(diǎn)TYZ約束Y、Z方向的平動，同時相對點(diǎn)TXYZ也排除沿Y、Z方向的剛體轉(zhuǎn)動；第三個節(jié)點(diǎn)TZ約束Z方向的平動，同時相對點(diǎn)TXYZ排除沿X方向的剛體轉(zhuǎn)動。3個約束節(jié)點(diǎn)的選取一般原則為：3個點(diǎn)所成的平面位于零件上相對比較平的區(qū)域，即回彈量很小或不發(fā)生回彈的位置。

回彈仿真結(jié)果分析和比較

圖2汽車頂蓋橫梁有限元模型

圖3回彈仿真中約束節(jié)點(diǎn)的位置

回彈過程實(shí)際上就是殘余應(yīng)力的釋放過程，因此任何成形工序都會對零件的最終回彈產(chǎn)生影響。通過JSTAMP/NV提供的形狀評價功能對各工序后零件的回彈量進(jìn)行評價分析，即導(dǎo)入目標(biāo)零件的CAD三維模型或加工后掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為形狀評價的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，與零件執(zhí)行回彈仿真分析后所獲取的結(jié)果進(jìn)行最佳擬合對齊，可獲得一個基于基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的回彈量分布云圖，圖4、5所示分別為拉延工序后零件的回彈量分布圖與修邊工序后零件的最終回彈量分布圖，顯示的數(shù)值即為該處的回彈量。

圖4拉延后零件的回彈量分布圖

圖5修邊后零件的最終回彈量分布圖

通過比較圖4、5發(fā)現(xiàn)修邊工序前后零件的回彈量差別明顯，原因是由于該件拉延成形過程中部分區(qū)域塑性變形不充分，且修邊工序?qū)α慵幕貜椨休^大影響。當(dāng)拉延壓邊力設(shè)定為70t時，拉延工序后零件的回彈量比較大，最大可達(dá)12.69mm。然而，修邊工序后零件大部分區(qū)域的最終回彈量都在±1mm以內(nèi)，隨著壓邊力的增大零件最終的回彈量也相應(yīng)地增大。

圖6斷面位置

圖7零件在斷面上的回彈量

沿該沖壓件縱向的不同位置截取三個斷面，見圖6，并在這三個斷面上取7個測試點(diǎn)，得到回彈量的具體數(shù)值。如圖7所示，分別為零件三個斷面上選取7個測量點(diǎn)的回彈測量值與仿真模擬值的對比曲線圖。

從圖7的實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比可以看出，應(yīng)用JSTAMP/NV獲取的回彈仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢基本一致。這說明通過有限元仿真控制回彈具有可行性，可以真實(shí)地模擬出零件的實(shí)際沖壓過程，在試模前能準(zhǔn)確預(yù)測出零件的回彈量，從而對實(shí)際生產(chǎn)中的回彈控制有重要指導(dǎo)意義，可大幅度減少模具返修次數(shù)及修模工作。

結(jié)束語

回彈是造成沖壓件產(chǎn)品尺寸不合格的主要缺陷之一，在沖壓生產(chǎn)過程中是不可避免的。傳統(tǒng)方法是通過不斷試模、修模來進(jìn)行補(bǔ)償，因此耗費(fèi)了大量的人力和物力。而利用JSTAMP/NV有限元分析軟件對回彈進(jìn)行高精度的預(yù)測分析，可以節(jié)約大量的時間、人力及物力。