羅序利，成思源，李蘇洋，楊雪榮，劉凱

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

0 前言

板料沖壓成形作為一種重要的金屬塑性加工方法，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、家電、包裝等工業(yè)領(lǐng)域。隨著工業(yè)對(duì)沖壓件的需求不斷增長(zhǎng)，板料成形技術(shù)在世界各國(guó)，特別是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都得到了高度重

視［1］。

影響沖壓件成形精度的缺陷主要有3 種，分別是起皺、破裂和回彈，其中回彈是最難以控制的［2］。由于沖壓件在成形過(guò)程中不僅存在塑性變形，同時(shí)還存在著彈性變形，當(dāng)外載荷去除時(shí)，材料的彈性恢復(fù)會(huì)使其形狀、尺寸發(fā)生與加載時(shí)變形方向相反的變化，也就是回彈，回彈現(xiàn)象的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了成形件的幾何和尺寸精度。隨著工業(yè)的發(fā)展，沖壓件的應(yīng)用越來(lái)越廣，其成形精度要求越來(lái)越高，回彈現(xiàn)象越發(fā)成為成形過(guò)程中的重要問(wèn)題，特別是近年來(lái)高強(qiáng)度鋼板和鋁合金材料的廣泛應(yīng)用，使之更加突出。

通常控制回彈的方法有兩種:一是工藝控制法，如通過(guò)調(diào)整壓邊力、拉延筋、模具圓角、摩擦狀態(tài)等工藝參數(shù)來(lái)減小回彈量;二是模具補(bǔ)償法，即通過(guò)對(duì)模具型面進(jìn)行預(yù)修正，使得沖壓件回彈后的形狀剛好和期望形狀相同。工藝控制法可以在一定程度上減小回彈量，但無(wú)法徹底消除。而模具補(bǔ)償法則可以從根本上解決回彈問(wèn)題。文中著重研究了模具補(bǔ)償法在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用，提出了基于特征線的回彈補(bǔ)償技術(shù)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 模具補(bǔ)償方法

模具補(bǔ)償法是指在特定的工藝條件下按預(yù)先估算、預(yù)測(cè)或試驗(yàn)所得的回彈量在相應(yīng)模具工作部分的形狀和尺寸中加以“扣除”，即通過(guò)對(duì)模具型面進(jìn)行預(yù)修正，使得沖壓件回彈后的形狀剛好與理想設(shè)計(jì)型面相同［3］。

近年來(lái)，隨著板料成形數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，使得我們可以在相關(guān)軟件中事先模擬板料的成形過(guò)程，并預(yù)知回彈量大小及其分布，甚至記錄成形各時(shí)間節(jié)點(diǎn)板料所受模具作用下的外力情況。如何根據(jù)這些成形數(shù)據(jù)對(duì)該模具形狀進(jìn)行合理修正，學(xué)者們對(duì)其展開了大量的研究，也提出了多種補(bǔ)償算法，其中W Gan 提出的一種基于節(jié)點(diǎn)幾何修正的位移法得到了廣泛的應(yīng)用，其原理是由目標(biāo)模具型面的的節(jié)點(diǎn)位移反向減去數(shù)值模擬計(jì)算得到的對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的回彈量，將得到的新的模具型面再次進(jìn)行模擬后比較其回彈量是否處在誤差允許范圍內(nèi)，如果誤差仍然比較大，則可以進(jìn)行多次迭代計(jì)算，直至零件形狀和目標(biāo)形狀偏差滿足設(shè)計(jì)要求。這種補(bǔ)償算法容易實(shí)現(xiàn)，且收斂速度快，如今，該補(bǔ)償算法已經(jīng)在一些涉及到板料回彈補(bǔ)償方面的商用軟件上得到了成功的應(yīng)

用［4－5］。

1.1 基于Dynaform 中SCP 模塊的回彈補(bǔ)償

Dynaform(以下稱DF)是美國(guó)ETA 公司和LSTC公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的專用軟件，它能夠有效地模擬板料成形過(guò)程中的4 個(gè)主要工藝過(guò)程:壓邊、拉延、修邊和回彈，并預(yù)測(cè)板料在成形過(guò)程中可能出現(xiàn)的起皺、破裂、減薄、劃痕和回彈等缺陷［6］。SCP(Springback Compensation Process)模塊是其專門用于工具回彈補(bǔ)償計(jì)算的功能模塊，它為用戶提供了回彈補(bǔ)償、曲面映射和偏差檢查等基本功能?；贒F 的模具設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 基于DF 的模具設(shè)計(jì)流程

具體步驟為:(1)首先將預(yù)期形狀的零件模型或根據(jù)該預(yù)期形狀設(shè)計(jì)的初始模具導(dǎo)入到DF 中并建立有限元沖壓仿真模型，按照實(shí)際工藝過(guò)程分別進(jìn)行拉延模擬、修邊模擬(有時(shí)還需要翻邊模擬)和回彈模擬;(2)然后將回彈網(wǎng)格與期望形狀進(jìn)行比較并判斷回彈后的形狀誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則激活SCP/Springback Compensation 功能，對(duì)初始工具網(wǎng)格進(jìn)行回彈補(bǔ)償;(3)隨后將補(bǔ)償后獲得的新的工具網(wǎng)格作為模具進(jìn)入下一輪的成形模擬和回彈模擬，并判斷回彈誤差是否設(shè)計(jì)滿足要求，如果仍然不滿足要求，則進(jìn)入第二次補(bǔ)償，如此迭代計(jì)算，直至誤差滿足設(shè)計(jì)要求為止;(4)最后利用SCP/Surface Mapping 功能將獲得滿意效果的工具網(wǎng)格映射到初始模具曲面上從而獲得可用于加工制造的模具型面。

1.2 基于ThinkDesign 中Compensator 模塊的回彈補(bǔ)償

ThinkDesign(以下稱TD)是think3 公司推出的一款以“目標(biāo)驅(qū)導(dǎo)設(shè)計(jì)”為設(shè)計(jì)理念的CAD 軟件，它提供了實(shí)體建模、曲面建模和混合建模3 種建模方式和豐富的建模手段以及獨(dú)創(chuàng)的基于GSM 技術(shù)開發(fā)的模型修改工具。GSM(Globe Shape Modeling)技術(shù)即全局形狀建模技術(shù)，是一種柔性的模型修改技術(shù)，它是基于最小能原理，通過(guò)建立一個(gè)變形函數(shù)而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型快速的整體或局部變形的技術(shù)。更重要的是，在變形過(guò)程中它不僅能保持原模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)還能保證變形后模型的光順性和連續(xù)性［7］。

Compensator 是TD 中專門用于板料回彈補(bǔ)償?shù)墓ぞ吣K，該模塊提供了一系列自動(dòng)化補(bǔ)償工具。一般情況下，可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試模和數(shù)值模擬來(lái)預(yù)測(cè)回彈量，而Compensator 模塊同時(shí)提供了這兩種來(lái)源的解決方案。尤其是后者，將Compensator 技術(shù)和FEM 數(shù)據(jù)配合使用可以自動(dòng)生成補(bǔ)償曲面，大大提高補(bǔ)償效率。其工作流程如圖2所示。

圖2 基于TD/Compensator 模具設(shè)計(jì)流程

具體步驟為:(1)首先從數(shù)值模擬結(jié)果中獲取回彈網(wǎng)格和初始曲面網(wǎng)格兩組FEM 數(shù)據(jù);(2)然后將初始曲面導(dǎo)入到TD 中，利用提取點(diǎn)工具分別從初始曲面網(wǎng)格和回彈網(wǎng)格中提取出相應(yīng)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。以回彈網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為初始對(duì)象，再以初始曲面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(兩組節(jié)點(diǎn)數(shù)量必須一致)來(lái)確定位移區(qū)域;(3)利用GSM 復(fù)制功能將上一步驟中建立的從回彈網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)指向原始曲面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的變形關(guān)系復(fù)制到原始曲面上，通過(guò)對(duì)原始型面的曲面整體變形從而獲得補(bǔ)償曲面;(4)最后將補(bǔ)償曲面導(dǎo)入到DF中建立沖壓模型，將回彈結(jié)果與期望形狀進(jìn)行比較并判斷回彈后的形狀誤差是否滿足設(shè)計(jì)要求，如果不滿足，則將以該補(bǔ)償曲面為工具進(jìn)行沖壓模擬而獲得的回彈網(wǎng)格，連同該補(bǔ)償曲面以及補(bǔ)償曲面網(wǎng)格一起導(dǎo)入到TD 中進(jìn)行下一輪補(bǔ)償，如此迭代，直至誤差滿足設(shè)計(jì)要求為止;(5)將最終獲得滿意結(jié)果的補(bǔ)償曲面作為新的模具型面進(jìn)行加工制造。

1.3 基于特征線的回彈補(bǔ)償

DF 自5.6 版本以后開始集成了SCP 回彈補(bǔ)償模塊，這使得成形模擬和回彈補(bǔ)償可以在同一個(gè)軟件中完成，從而避免了不同軟件之間數(shù)據(jù)交換的麻煩。但目前來(lái)看，其局部補(bǔ)償效果還不夠理想?；貜椦a(bǔ)償后獲得的網(wǎng)格文件不能直接用于加工，需要將初始曲面從原始位置映射到補(bǔ)償后的工具網(wǎng)格上，才能予以加工，SCP 模塊雖為此提供了曲面映射工具，但由于技術(shù)仍不夠成熟，當(dāng)曲面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，常出現(xiàn)映射不成功的現(xiàn)象，且映射后曲面的光順性往往也難以保證。

TD/Compensator 可以通過(guò)FEM 數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)原始曲面進(jìn)行自動(dòng)化補(bǔ)償，補(bǔ)償效率很高，但卻只能進(jìn)行整體補(bǔ)償，無(wú)法進(jìn)行局部修改。再者，由于零件的回彈現(xiàn)象是不規(guī)則的，有的地方回彈量大，有的地方回彈量小，且數(shù)值模擬也存在一定的計(jì)算誤差，TD/Compensator 的自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)是完全按照FEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行逐點(diǎn)補(bǔ)償?shù)?，這樣補(bǔ)償?shù)玫降那?，其光順性也很難得到保證［8－9］。

因此，結(jié)合上述兩種回彈補(bǔ)償途徑的優(yōu)缺點(diǎn)，在逆向建模的基礎(chǔ)上提出一種新的基于特征線的回彈補(bǔ)償方法，其原理是以初始曲面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬得到的回彈量及分布情況等特點(diǎn)為依據(jù)，在初始曲面上有選擇性的提取出多條光順的特征線，同時(shí)在回彈網(wǎng)格上用逆向的方法重建相應(yīng)的特征線，然后將這兩組特征線建立一一映射關(guān)系，并將該映射關(guān)系用TD的GSM 復(fù)制功能復(fù)制到初始曲面上從而得到光順的補(bǔ)償曲面。

2 案例分析

圖3所示為某款量產(chǎn)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板，廠家對(duì)該外板有互換性要求，且組裝后在長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向上的尺寸誤差不得超過(guò)車身設(shè)計(jì)尺寸的2 mm。發(fā)動(dòng)機(jī)外板是由自由曲面構(gòu)建出來(lái)的車身覆蓋件，須在斑馬線條紋和高光照射下沒(méi)有不平順、不光潔的現(xiàn)象，也就是其表面質(zhì)量應(yīng)達(dá)到A 級(jí)曲面要求［10］。其次，為降低車身自重并保持其應(yīng)有的強(qiáng)度和剛度，常采用高強(qiáng)度鋼板或鋁合金材料來(lái)制造車身覆蓋件，案例中的發(fā)動(dòng)機(jī)外板采用H180YD 熱鍍鋅板鋼，這類材料的屈服強(qiáng)度大，回彈明顯。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板原始曲面模型

2.1 有限元模型

首先要將該發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板CAD 模型(圖3)進(jìn)行修改，去除翻邊并對(duì)其邊界進(jìn)行適當(dāng)?shù)难由煲员憬⒐に囇a(bǔ)充面和后續(xù)的修邊。然后將修改后的CAD模型和毛坯導(dǎo)入到DF 中，分別采用工具網(wǎng)格和零件網(wǎng)格的劃分方式對(duì)初始模型和毛坯進(jìn)行自動(dòng)化網(wǎng)格劃分，對(duì)工具(凹凸模和壓邊圈)可以采用較粗的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)為15 mm，而板料則可采用較細(xì)的網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)為5 mm。

以實(shí)現(xiàn)最小平均拉延深度(Min.Draw Depth)為目標(biāo)確定的沖壓方向?yàn)槔@車輛坐標(biāo)系Y 軸旋轉(zhuǎn)－11.04°，以此為基礎(chǔ)，添加平面型壓邊圈以及工藝補(bǔ)充面，建立的沖壓模型如圖4所示。

圖4 有限元沖壓模型

2.2 工藝過(guò)程及結(jié)果

由于板料的尺寸較大(約850 mm×1 200 mm)，因此重力的影響不應(yīng)被忽略，應(yīng)在模擬中添加重力工序，然后依次是拉延工序、修邊工序和回彈工序。模擬結(jié)束后從計(jì)算結(jié)果中導(dǎo)出回彈網(wǎng)格，提取回彈節(jié)點(diǎn)并與原始曲面一起導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)軟件Geomagic Qulify 軟件中進(jìn)行3D 比較，如圖5所示。

圖5 回彈網(wǎng)格與原始模型誤差比較

比較結(jié)果顯示回彈后的最大正負(fù)誤差分別為3.317 mm 和－ 4.568 mm，平均正負(fù)誤差分別為0.756 mm 和－0.867 mm，該誤差明顯超過(guò)上文提及的2 mm，因此，需要對(duì)該原始模具型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償。觀察發(fā)現(xiàn)，誤差分布主要集中在外板前端和兩翼，而且該零件對(duì)稱且有明顯的特征線，綜合上述特點(diǎn)，在原始曲面和回彈節(jié)點(diǎn)上分別提取出如圖6所示的幾條特征線作為補(bǔ)償?shù)钠ヅ錀l件。

圖6 兩組特征線

2.3 補(bǔ)償及其結(jié)果

確保原始曲面和提取出的兩組特征線在同一坐標(biāo)系下，并一起導(dǎo)入到TD 中。如圖7所示，激活高級(jí)GSM 功能，將要修改的對(duì)象設(shè)為曲面，并選擇原始曲面作為修改對(duì)象。值得注意的是，進(jìn)行匹配的初始曲線和目標(biāo)曲線分別來(lái)自回彈節(jié)點(diǎn)和原始曲面，即反選匹配條件。

圖7 GSM 設(shè)置情況

變形后獲得的補(bǔ)償曲面及其表面質(zhì)量檢查如圖8所示。從斑馬線條紋檢查結(jié)果可知該補(bǔ)償曲面至少達(dá)到G2 連續(xù)，滿足光順性要求。

圖8 補(bǔ)償曲面

將補(bǔ)償后得到的曲面進(jìn)行必要的邊界延伸后導(dǎo)入到DF 中重新建立有限元沖壓模型，依次進(jìn)行重力模擬、拉延、修邊和回彈模擬后將回彈網(wǎng)格導(dǎo)出并與原始曲面進(jìn)行比較如圖9所示。

圖9 補(bǔ)償后的回彈網(wǎng)格與原始模型誤差比較

從圖中的比較結(jié)果可知補(bǔ)償后的回彈網(wǎng)格與原始模型最大正負(fù)誤差為0.612 mm /－0.724 mm，平均誤差為0.120 mm /－0.067 mm，誤差明顯減小且完全滿足設(shè)計(jì)要求。僅通過(guò)一次回彈補(bǔ)償就獲得了滿意結(jié)果。

3 結(jié)論

介紹了兩種基于商業(yè)軟件既有功能進(jìn)行板料回彈補(bǔ)償方法，并綜合其優(yōu)缺點(diǎn)后提出基于特征線進(jìn)行回彈補(bǔ)償?shù)乃悸?。最后以某量產(chǎn)車型的發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板為案例對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果顯示采用基于特征線的回彈補(bǔ)償技術(shù)不僅能夠?qū)Π辶线M(jìn)行局部的可控補(bǔ)償，而且能夠保證補(bǔ)償后的曲面質(zhì)量，操作簡(jiǎn)便，較前兩種方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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