宋 灝，畢大森，李 超，關(guān) 嘯

(1.天津理工大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市精密級(jí)進(jìn)模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384；4.天津汽車模具股份有限公司，天津 300308)

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基于位移回彈補(bǔ)償原理的汽車加強(qiáng)板回彈補(bǔ)償研究

宋 灝1,2，畢大森1,3，李 超4，關(guān) 嘯4

(1.天津理工大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384；2.天津市光電顯示材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津市精密級(jí)進(jìn)模具成型技術(shù)工程中心，天津 300384；4.天津汽車模具股份有限公司，天津 300308)

回彈問(wèn)題一直是汽車覆蓋件沖壓成形中的一大難題，而回彈補(bǔ)償是控制回彈量的一種有效途徑。本文以某汽車加強(qiáng)板為例，進(jìn)行全工序仿真模擬和回彈分析，利用位移回彈補(bǔ)償原理對(duì)拉延型面和整形型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償，并將回彈補(bǔ)償后的工藝數(shù)模再次進(jìn)行回彈分析，驗(yàn)證回彈補(bǔ)償結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精度要求，為控制汽車高強(qiáng)板的回彈提供依據(jù)。

高強(qiáng)板；回彈補(bǔ)償；位移

0 前言

近年來(lái)，出于安全性、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的考慮，車身輕量化逐漸成為汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)之一，高強(qiáng)度鋼板越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在汽車車身制造中[1]。然而，較普通鋼板而言，高強(qiáng)板較低的斷面收縮率以及較高的屈服強(qiáng)度，使得生產(chǎn)中容易產(chǎn)生回彈、破裂等成形缺陷[2]。尤其是回彈問(wèn)題，在相同條件下，高強(qiáng)板比普通鋼板的回彈更為嚴(yán)重。如何有效的控制高強(qiáng)板的回彈，成為沖壓成形領(lǐng)域的一大難點(diǎn)[3]。

傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)補(bǔ)償方法是在模具車間現(xiàn)場(chǎng)試模實(shí)施，再通過(guò)人工手動(dòng)修模得以實(shí)現(xiàn)，修改模具型面的次數(shù)較多，增加了模具的試模次數(shù)，模具的設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng)[4]。采用CAD軟件手工修改模具型面，整個(gè)修改過(guò)程不僅費(fèi)時(shí)耗力，而且修改后的模型曲面質(zhì)量也不好[5]。

本文利用位移回彈補(bǔ)償原理，通過(guò)Autoform軟件對(duì)某汽車加強(qiáng)板進(jìn)行全工序模擬，分析各工序的回彈仿真結(jié)果，運(yùn)用ThinkDesign軟件中的GSM(Global Shape Modeling)功能對(duì)拉延型面和整形型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償，將回彈補(bǔ)償后的工藝數(shù)模再次運(yùn)用Autoform進(jìn)行回彈仿真分析，驗(yàn)證回彈補(bǔ)償結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)產(chǎn)品的精度要求。

1 位移回彈補(bǔ)償原理

1.1 位移回彈補(bǔ)償流程

位移回彈補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)方法就是利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算回彈，然后在預(yù)估有回彈的區(qū)域作出反方向的補(bǔ)償值，使零件成形后的反彈正好與補(bǔ)償值抵消，從而得到合格產(chǎn)品。具體流程如圖1所示。

圖1 位移回彈補(bǔ)償流程圖Fig.1 Flow chart of displacement springback compensation

1.2 幾何補(bǔ)償算法[6]

在板料的有限元分析中，可以將成形零件離散成有限個(gè)單元，假設(shè)理想零件形狀R是由n個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的單元集合R3，回彈形狀為S，即

R={ri︱r∈R3，1≤i≤n}

(1)

S={si︱s∈R3，1≤i≤n}

(2)

對(duì)于節(jié)點(diǎn)i，回彈后形狀由ri變成si，補(bǔ)償后形狀C為

C=R+α(S-R)≈ci=ri+α(si-ri)

(3)

式中，α為補(bǔ)償因子。

對(duì)補(bǔ)償后的工藝數(shù)模重新進(jìn)行全工序模擬和回彈模擬，直到找到合適的補(bǔ)償因子，當(dāng)滿足形狀偏差ε時(shí)，回彈補(bǔ)償過(guò)程結(jié)束。

‖St-R‖max<ε

(4)

2 汽車加強(qiáng)板的全工序數(shù)值模擬與回彈補(bǔ)償

2.1 加強(qiáng)板的工藝數(shù)模及相關(guān)參數(shù)

汽車加強(qiáng)板的工藝數(shù)模如圖2所示，材質(zhì)為高強(qiáng)鋼SSAB_Docol_600DP，厚度為1.8 mm，其材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 零件工藝數(shù)模Fig.2 The part mathematical model

屈服強(qiáng)度σs/MPa抗拉強(qiáng)度σb/MPa彈性模量E泊松比γ硬化指數(shù)n厚向各性系數(shù)r435967582E+05030148102

2.2 Autoform全工序沖壓及回彈結(jié)果分析

此零件的沖壓工藝共有3個(gè)工序，分別是OP10拉延、OP20修邊沖孔和OP30翻邊整形。由于此零件是對(duì)稱件，為了便于計(jì)算，板料取一半加對(duì)稱進(jìn)行計(jì)算。圖3所示為拉延后零件的成形極限圖，可以看出零件拉延結(jié)果比較理想，可以繼續(xù)進(jìn)行后序和回彈的模擬。

圖3 拉延成形極限圖Fig.3 The forming limit diagram after drawing

圖4所示為零件修邊后與產(chǎn)品比較得到的自由回彈云圖，圖中黑色圓圈標(biāo)注位置回彈現(xiàn)象較為嚴(yán)重， 最大回彈量達(dá)到1.42 mm，超過(guò)了±0.7 mm的零件型面公差要求。圖5所示為零件翻邊整形后與產(chǎn)品比較得到的自由回彈云圖，圖中黑色圓圈標(biāo)注位置的回彈現(xiàn)象較為嚴(yán)重，此回彈主要是由整形造成的。

圖4 修邊后回彈云圖Fig.4 Spring-back contours after trimming

圖5 翻邊整形后回彈云圖Fig.5 Spring-back contours after flanging and forming

2.3 運(yùn)用ThinkDesign進(jìn)行回彈補(bǔ)償并驗(yàn)證補(bǔ)償結(jié)果

首先根據(jù)修邊后的回彈仿真結(jié)果在拉延型面上進(jìn)行回彈補(bǔ)償，將Autoform中的回彈前后的網(wǎng)格用.af的格式輸出，導(dǎo)入到ThinkDesign軟件中，計(jì)算出回彈前后網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的距離，運(yùn)用GSM功能，將原始型面的節(jié)點(diǎn)位移反向減去對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的回彈量×補(bǔ)償因子α，取α=1，即按1∶1的比例得到補(bǔ)償點(diǎn)的位置，然后利用曲面光順原理將離散的補(bǔ)償點(diǎn)處理成光順的補(bǔ)償面。圖6所示為參照修邊回彈結(jié)果得到的拉延型面補(bǔ)償云圖。將ThingDesign中生成的回彈補(bǔ)償面導(dǎo)入到Autoform中重新進(jìn)行全工序和回彈模擬。圖7所示僅補(bǔ)償拉延工序算出的最終回彈結(jié)果，從圖中可以看出，除黑色圓圈標(biāo)注區(qū)域外，其他區(qū)域的回彈量都在零件型面公差要求內(nèi)。因?yàn)闃?biāo)注區(qū)域的回彈是由整形造成的，所以需要對(duì)整形型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償。

圖6 拉延型面補(bǔ)償云圖Fig.6 Springback compensation contours of the drawing mould

圖7 僅補(bǔ)償拉延序算的最終回彈結(jié)果Fig.7 Final springback contours of only compensation drawing operation

根據(jù)拉延補(bǔ)償?shù)幕貜椃抡娼Y(jié)果，取補(bǔ)償因子α=1，運(yùn)用ThinkDesign軟件對(duì)整形型面做回彈補(bǔ)償，如圖8所示為整形型面補(bǔ)償云圖。同樣，將ThinkDesign中生成的回彈補(bǔ)償面導(dǎo)入到Autoform中重新進(jìn)行全工序和回彈模擬。圖9所示為整形補(bǔ)償后的最終回彈結(jié)果，從圖中可以看出，整形區(qū)域的回彈量得到了很好的控制，而且整個(gè)型面的回彈量都在零件型面公差要求內(nèi)，因此，不需要再次進(jìn)行回彈補(bǔ)償處理。最后，將ThinkDesign補(bǔ)償后生成的型面輸出，得到最終的工藝數(shù)模。

圖8 整形型面補(bǔ)償云圖Fig.8 Springback compensation contours of the forming mould

圖9 整形補(bǔ)償后算出的最終回彈結(jié)果Fig.9 Final springback contours after the forming compensation

3 結(jié)論

本文以某汽車加強(qiáng)板為例，利用位移回彈補(bǔ)償原理，通過(guò)板料沖壓CAE軟件Autoform對(duì)板料全工序和回彈模擬，對(duì)回彈結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合CAD軟件ThinkDesign對(duì)拉延型面和整形型面進(jìn)行補(bǔ)償，并將回彈補(bǔ)償后的工藝數(shù)模再次進(jìn)行回彈分析，最后回彈量都控制在零件型面公差之內(nèi)。采用這種回彈補(bǔ)償方法，既保證了零件本身曲面的質(zhì)量，又提高了回彈補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，對(duì)于縮短模具開(kāi)發(fā)周期和提高產(chǎn)品質(zhì)量起到一定的作用。

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Research on the springback compensation of automotive reinforcing platebased on displacement springback compensation principle

SONG Hao1,2，BI Da-sen1,3， LI Chao4，GUAN Xiao4

(1.Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2.Key Laboratory of Display Materials &Photoelectric Devices (Tianjin University of Technology), Ministry of Education, Tianjin 300384, China;3.Tianjin Engineering Research Center of Manufacturing Technology For Precise Die & Mold, Tianjin 300384, China;4.TianJin Motor Dies Company Limited, TianJin 300308, China)

Springback is always a difficult problem in automotive panel stamping forming process，and springback compensation is an effective way to control the springback value. This paper takes the automotive reinforcing plate as an example for the whole process simulation and springback analysis，and use the displacement springback compensation principle for springback compensation on drawing surface and forming surface，and then do springback analysis again with the process numerical simulation after springback compensation，to validate if the results meet accuracy requirement of product design，and provide a basis for the control of automotive high strength steel springback.

automotive reinforcing plate；springback compensation；displacement

2014-06-20；

2014-08-19

宋灝(1991-)，男，天津理工大學(xué)材料學(xué)院碩士研究生。

TG386

A

1001-196X(2015)01-0049-04