劉曉晶，葛希軍，劉朋會(huì)，周文浩，王 哲

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

汽車中央通道沖壓回彈及其補(bǔ)償研究

劉曉晶，葛希軍，劉朋會(huì)，周文浩，王 哲

（哈爾濱理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

為了研究回彈量及回彈補(bǔ)償對(duì)沖壓件成形的影響，以某車型中央通道為研究對(duì)象，針對(duì)其型面復(fù)雜、模型邊界高、成形曲度大的特點(diǎn)，采用有限元分析軟件Dynaform5.7.1對(duì)其進(jìn)行成形分析、回彈模擬分析和回彈補(bǔ)償模擬分析.利用截面法對(duì)成形及回彈后的零件進(jìn)行分析，獲得邊緣回彈量和角度回彈量；經(jīng)兩次反向修模補(bǔ)償，得到優(yōu)化的模具型面；利用優(yōu)化后的模具型面進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，并對(duì)中央通道進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，采用截面法和模具型面補(bǔ)償法能夠使最終生產(chǎn)出的零件的回彈量減小，且成形效果更好.

汽車覆蓋件；沖壓成形；數(shù)值模擬；回彈；回彈補(bǔ)償

板料沖壓成型是一種典型的金屬塑性成形方法，具有生產(chǎn)效率高，成本較低，容易操作等特點(diǎn)，在汽車覆蓋件領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車70%～80%的零件是由沖壓成形制造的.因此，板材沖壓成形的技術(shù)水平不僅制約新車的開發(fā)周期，而且直接影響汽車制造的成本［2-3］.然而，回彈問題是金屬板材沖壓成形普遍存在的問題，直接影響沖壓件的質(zhì)量和成形精度［4-5］，如何控制回彈一直是板料沖壓成形領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題.

汽車覆蓋件的型面復(fù)雜使成形較困難，且零件成形后的回彈問題往往使零件不能滿足裝配的要求.為了解決回彈問題，汽車企業(yè)在覆蓋件生產(chǎn)過程中，常采用人工修正模具，此方法不僅耗時(shí)耗力，且模具設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng).因此，快速精確的對(duì)零件回彈進(jìn)行數(shù)值模擬和修模補(bǔ)償成為汽車覆蓋件沖壓成型模擬的研究要點(diǎn)［6-9］.基于數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)回彈補(bǔ)償方法的研究具有低成本，高效率等特點(diǎn)［10］，國(guó)內(nèi)外眾多研究者對(duì)其進(jìn)行了大量研究，為了能使板料沖壓回彈問題得到控制，提出了許多有限元模擬方法［11-13］.在回彈控制和補(bǔ)償方法中針對(duì)幾何補(bǔ)償法的研究較多，上海交通大學(xué)的汪晨實(shí)現(xiàn)了模具反向補(bǔ)償，他所采用的方法通過數(shù)值模擬得出節(jié)點(diǎn)的變形偏移后產(chǎn)生的應(yīng)力，并利用該節(jié)點(diǎn)應(yīng)力進(jìn)行逆向計(jì)算補(bǔ)償量［14］.北京機(jī)電研究所的張立力提出了收斂計(jì)算的回彈迭代公式，它是基于回彈原理，通過UG的二次編程開發(fā)計(jì)算出回彈量并進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，得到效果較好的零件［15］.辛賀義等分析了沖壓件的回彈問題，并運(yùn)用有限元模擬軟件進(jìn)行了回彈補(bǔ)償，得到一些有價(jià)值的成果［16-17］.

目前，研究者針對(duì)復(fù)雜汽車覆蓋件的研究較少，本文將采用數(shù)值模擬方法對(duì)某車型汽車中央通道進(jìn)行回彈模擬分析和回彈補(bǔ)償模擬分析，利用分析得到的結(jié)果對(duì)汽車中央通道進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，以期為汽車中央通道的工藝優(yōu)化和高質(zhì)量成形提供一定的理論依據(jù).

1 汽車中央通道數(shù)值模擬分析

1.1 模型的建立

采用有限元軟件Dynaform對(duì)汽車中央通道拉延過程進(jìn)行有限元模擬，圖1為中央通道零件三維幾何模型.在CATIA建模后，以.igs格式文件導(dǎo)出，再將.igs文件導(dǎo)入dynaform軟件中進(jìn)行成形模擬設(shè)置.首先進(jìn)行中央通道零件網(wǎng)格的劃分、內(nèi)孔的填充、沖壓方向的設(shè)定、中央通道的壓料面及工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)，通過Dynaform的BSE模塊估算出坯料的尺寸，設(shè)定為1 485 mm×1 000 mm.

零件材料選取DP590（高強(qiáng)鋼板），厚度為1 mm，其性能參數(shù)如表1所示.材料模型為36#厚向異性材料，板料單元選用BT殼單元.接觸類型為單向面-面接觸.

圖1 中央通道

表1 DP590的機(jī)械性能參數(shù)

1.2 確定成形工藝參數(shù)

本文采用37號(hào)Hill屈服模型.采用Dynaform5.7.1對(duì)鋁合金異形底盒形件的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析.板料單元選用BT殼單元，采用CATIA三維制圖軟件繪制出凸模、凹模、壓邊圈，以.igs格式文件導(dǎo)入Dynaform 5.7.1軟件中，凹模、凸模及壓邊圈均被視為剛性體，凹模的模擬速度選為5 000 mm/s.板料與壓邊圈之間的摩擦系數(shù)為0.125.為了減少計(jì)算量和運(yùn)算時(shí)間，選擇零件的1/4有限元模型進(jìn)行模擬.選用單向面-面接觸的成形接觸類型，零件有限元模型如圖2所示.

圖2 整套成形模具

1.3 有限元成型模擬結(jié)果分析

通過觀察成形零件的成形極限圖3和厚度分布圖4可知，零件成形效果較好.成形后的最小厚度為0.758 mm，最大減薄率為24.2%，小于安全變形量30%，符合使用要求.

圖3 成形極限圖

圖4 厚度分布圖

2 回彈及補(bǔ)償數(shù)值模擬

2.1 成形零件的第一次回彈模擬及結(jié)果分析

新建一個(gè)模擬數(shù)據(jù)庫，將成形效果較好的dynain文件導(dǎo)入該模擬數(shù)據(jù)庫.進(jìn)行成形參數(shù)設(shè)置、定義回彈的邊界約束條件、控制參數(shù)設(shè)計(jì)，提交到LS-DYNA求解器.

將回彈前后的相應(yīng)文件導(dǎo)入軟件前處理中，使回彈前后的模型處于同一坐標(biāo)系下，進(jìn)行比對(duì)分析，再生成截面線，利用YZ剖截面剖切兩個(gè)模型得到一組回彈前后的截面線，圖5和圖6是回彈前后截面線對(duì)比數(shù)據(jù)和最大回彈半徑和角度.

圖5 回彈前后的截面線對(duì)比

圖6 最大回彈半徑和角度

通過測(cè)量回彈前后截面線的外邊緣端點(diǎn)和成形主要彎曲部位的點(diǎn)，可知外邊緣最大和最小回彈量分別為12.256和4.140 mm，而成形主要彎曲部位的最大和最小回彈量分別為8.776和2.504 mm.從圖5和圖6中可以看出，外緣最大回彈量和成形彎曲最大回彈量發(fā)生在同一截面處，因此，零件的最大回彈出現(xiàn)在該位置.

圖6所示，測(cè)量得出法蘭最大回彈角和斜壁最大回彈角分別為2.27°和0.7°，回彈前后彎曲部位的彎曲半徑分別為12.256和13.510 mm.由此可知該零件成形后的回彈量過大，這種大的質(zhì)量缺陷是不允許的.因此，需根據(jù)其回彈數(shù)據(jù)對(duì)成形模具進(jìn)行修模補(bǔ)償研究，即回彈補(bǔ)償.

2.2 第一次回彈補(bǔ)償及補(bǔ)償后模型的成形模擬

新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，分別導(dǎo)入所需要的工具模型文件，進(jìn)行回彈補(bǔ)償設(shè)置并進(jìn)行回彈補(bǔ)償，補(bǔ)償后的整套模具如圖7所示.

圖7 補(bǔ)償后的整套模具

利用上述補(bǔ)償后的模型進(jìn)行沖壓模擬，通過LS-DYNA計(jì)算得到的成形結(jié)果.零件發(fā)生大量起皺是由于板料的進(jìn)料阻力小，使得板料流入過快、材料發(fā)生堆積和拉延不充分.成形后零件的最小壁厚值為0.834 mm，那么適當(dāng)增大壓邊力，優(yōu)化拉延筋阻力，重新進(jìn)行有限元模擬，得到一個(gè)成形效果較好的模擬結(jié)果.從圖8和圖9可分析得出，零件最小壁厚值為0.753 mm，小于安全變形量30%要求，零件可以很好地成形.

圖9 厚度分布圖

2.3 第二次回彈模擬及回彈結(jié)果分析

為了對(duì)比補(bǔ)償前后零件成形過程中回彈量的變化，利用補(bǔ)償后的模型進(jìn)行二次有限元模擬，得出一個(gè)新的回彈量.對(duì)比分析第二次回彈模擬結(jié)果得出二次回彈前后回彈量最大的截面線如圖10所示.從圖10得出，外邊緣最大回彈量和成形彎曲部位最大回彈量分別減小至8.119和4.536 mm.從圖11得出，法蘭最大回彈角和斜壁最大回彈角分別減小至1.51°和0.43°，而回彈后的彎曲半徑減小至12.782 mm.由此得出經(jīng)過一次補(bǔ)償零件成形后的回彈量大大減小.

圖10 第二次回彈前后最大截面線對(duì)比

圖11 第二次最大回彈半徑和角度

2.4 第二次回彈補(bǔ)償及補(bǔ)償后模型的成形模擬

二次補(bǔ)償具體操作過程同上文，利用二次補(bǔ)償后的參數(shù)進(jìn)行成形有限元模擬，由圖12和圖13可以得出零件成形后的最小厚度值為0.753 mm，在安全極限值30%內(nèi)，且零件的成形效果很好.

圖12 成形極限圖

圖13 厚度分布圖

2.5 第三次回彈模擬及回彈結(jié)果分析

繼續(xù)對(duì)補(bǔ)償后的零件進(jìn)行第三次回彈模擬，分別得到圖14第三次回彈前后最大截面線對(duì)比和圖15最大回彈角度和回彈半徑結(jié)果.

圖14 第三次回彈前后最大截面線對(duì)比

圖15 第三次最大回彈半徑和角度

由圖14和圖15可知，外邊緣最大回彈量和成形彎曲部位最大回彈量分別減小至4.230和0.873 mm，法蘭最大回彈角、斜壁最大回彈角和回彈后的彎曲半徑分別減小至0.67°、0.28°和12.394 mm.由此可知零件成形后的回彈量已經(jīng)明顯減小，成形效果較好，已不影響后序的裝配.

從數(shù)值模擬的角度證明采用二次補(bǔ)償后的模具型面，可以得到成形效果良好且回彈變化小的零件.

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用DP590高強(qiáng)鋼板為材料，利用補(bǔ)償后的參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，得到的實(shí)驗(yàn)件與模擬成形件最大回彈量和最大回彈角的對(duì)比結(jié)果如表2和表3所示.從表2和表3數(shù)據(jù)可以看到，模擬與實(shí)驗(yàn)差值較小，不影響裝配的使用；且由圖16可以看出，模擬成形與實(shí)際生產(chǎn)的零件的成形效果都較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬對(duì)中央通道成形過程的控制效果較明顯，且可以將數(shù)值模擬的方法應(yīng)用于其他難成形的汽車覆蓋的成形過程中.

表2 模擬最大回彈量和實(shí)驗(yàn)最大回彈量對(duì)比mm

表3 模擬最大回彈角和實(shí)驗(yàn)最大回彈角對(duì)比（°）

圖16 實(shí)驗(yàn)件（a）與模擬件（b）對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1）采用截面法對(duì)成形后零件進(jìn)行回彈模擬分析，使用優(yōu)化后的工藝參數(shù)模擬，從而減小回彈量.本實(shí)驗(yàn)中，零件的外邊緣最大回彈量從12.26 mm減少至4.23 mm，彎曲部位最大回彈量從8.776 mm減小至0.84 mm.法蘭最大回彈角從2.27°減小至0.67°.

2）采用模具補(bǔ)償法，能夠在板料成形后減小回彈量.

3）實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證表明，零件成形后不僅回彈量明顯減小，而且成形質(zhì)量較好.因此，回彈補(bǔ)償?shù)姆椒梢詾槠囍醒胪ǖ赖某尚翁峁┮欢ǖ睦碚撘罁?jù).

［1］ 王興.基于數(shù)值模擬和試驗(yàn)的彎曲回彈及模具型面補(bǔ)償研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2013.

［2］ 王寧，梅自元，周長(zhǎng)國(guó).基于正交試驗(yàn)的車身覆蓋件沖壓成形回彈分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008 （10）：117-119.

WANGNing，MEIZiyuan，ZHOUChangguo. Springback analysis of stamping forming for the auto body panel based on orthogonality test［J］.Machinery Design&Manufacture，2008（10）：117-119.

［3］ 楊平，周杰，朱若嶺.金屬板料拉深回彈成因及回彈補(bǔ)償研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（9）：134-136.

YANG Ping，ZHOU Jie，ZHU Ruoling.A study on the cause and compensate of sheet metal springback during drawingprocess［J］.MachineryDesign& Manufacture，2009（9）：134-136.

［4］ MIHAEL D，ANDREJ S，IVO P，et al.Experimental andnumericalapproachestoimprovespringback predictionandcompensation［J］.Journalfor Technology of Plasticity，2013，38：13-21.

［5］ HU L，XIE H.Research on springback compensation of aluminiumalloyautomobilebodypanel［J］. Advanced Materials Research，2013，（9）：390-393.

［6］ ZHANG Q F，CAIZY.Springbackcompensation method for doubly curved plate in multi-point forming ［J］.Materials&Design，2013，47（5）：377-385.

［7］ LIU X J，ZHANG M.Research on the Spring-Back Compensation Method of Tailor Welded Blank UShaped Part［J］.Applied Mechanics and Materials，2013（8）：1970-1974.

［8］ ZHANG S，WUJJ.Springbackpredictionand compensation for thick free form surface parts forming ［J］.Applied Mechanics and Materials，2012（9）：498 -503.

［9］ WAGONER R，LIM H，LEE M.Advanced issues in springback［J］.International Journal of Plasticity，2013，45（6）：3-20

［10］廖娟，周馳，阮鋒.高強(qiáng)度鋼板在雙向等曲率模中的成形回彈研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，42（6）：1629-1635.

LIAO Juan，ZHOU Chi，RUAN Feng.Study on springback of high strength steels deformed in equal doubly-curved die［J］.Journal of CentralSouth University（Science and Technology），2011，42（6）：1629-1635.

［11］葉玉剛，薛勇，段江年.板料成形回彈模擬及補(bǔ)償技術(shù)研究現(xiàn)狀［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2009（3）：12-18.

YE Yugang，XUE Yong，DUAN Jiangnian.Current study on simulation and compensate of springback in sheet metal forming process［J］.China Metal Forming Equipment&Manufacturing Technology，2009（3）：12-18.

［12］李毅，王忠金，李延平.基于VPF工藝的鋁合金覆蓋件回彈研究［J］.材料科學(xué)與工藝，2012，20（4）：80-83.

LI Yi，WANG Zhongjin，LI Yanping.Study on springback of aluminum alloy panel based on VPF ［J］.Materials Science and Technology，2012，20 （4）：80-83.

［13］胡康康，彭雄奇，陳軍，等.基于Yoshida-Uemori材料模型的汽車結(jié)構(gòu)件沖壓回彈分析［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19（6）：43-47.

HU Kangkang，PENG Xiongqi，CHEN Jun，et al. Springback prediction of automobile body panel based on Yoshida-Uemorimaterialmodel［J］.Materials Science and Technology，2011，19（6）：43-47.

［14］汪晨.板料成形回彈的數(shù)值模擬及考慮回彈反向補(bǔ)償?shù)哪＞咴O(shè)計(jì)方法研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，1999.

［15］張立力.數(shù)值模擬參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)板材成形回彈影響的研究［J］.鍛壓技術(shù)，2002，6：18-21.

ZHANG Lili.Research on the influence of process and simulation parameters on springback in sheet forming process［J］.Forging&Stamping Technology，2002，6：18-21.

［16］辛賀義.回彈影響因素的CAE分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38（12）：4-6.

XIN Heyi.CAE analysis of springback affect factors ［J］.Machine Tool&Hydraulics，2010，38（12）：4-6.

［17］鄭文光，李軍平.卡車縱梁沖壓成形回彈控制研究［J］.模具工業(yè)，2009，35（1）：28-31.

ZHENG Wenguang，LI Junping.Control of springback in stamping process of truck longeron［J］.Die& Mould Industry，2009，35（1）：28-31.

（編輯 呂雪梅）

Stamping springback and springback compensation of the automobile central channel

LIU Xiaojing，GE Xijun，LIU Penghui，ZHOU Wenhao，WANG Zhe

（College of Materials Science and Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150040，China）

To investigate the effect of stamping springback and springback compensation on stamping forming. Considering the characteristics of the complex surface，high boundary and big forming curvature，the forming analyses，springback and springback compensation for the automobile central channel are carried out by employing the large non-linear dynamic explicit analytical software ETA/Dynaform5.7 with the central channel of automobile as research object.After the forming and springback analysis of the central channel，the final size and angle of edge springback are obtained by using the section method.In addition，we get the optimized surface of die and design die through the twice compensation of die opposite direction.The experimental results show cross section method and die surface compensation method can reduce springback of the produced parts with fine forming.It provides the theoretical basis for the forming of the automobile central channel.

automobile panel；stamping forming numerical simulation；springback；springback compensation

TG386.41

A

1005-0299（2015）04-0036-06

10.11951/j.issn.1005-0299.20150406

2014-07-03.

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E201102）.

劉曉晶（1966-），女，博士，教授.

劉曉晶，E-mail：lxj812@126.com.