何斌，邢昌

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基于Dynaform的回彈控制及優(yōu)化設(shè)計(jì)

何斌1，邢昌2

（1.安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

為了解決金屬板料成型中的彎曲回彈問題，文章利用Dynaform對(duì)U形件的成型過程以及產(chǎn)生的回彈進(jìn)行模擬仿真分析，并從工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、彎曲件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面得出控制與減小回彈的方法，為提高沖壓件的質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期以及回彈問題的控制與優(yōu)化提供了參考和指導(dǎo)。

Dynaform；彎曲回彈；模擬仿真；U形件；回彈控制

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展以及輕量化技術(shù)的應(yīng)用，高強(qiáng)度的沖壓薄板件和鋁合金板材的使用占比越來越高，而在這些沖壓薄板件成型過程中，彎曲回彈的控制及攻關(guān)一直是炙手可熱的課題。早期對(duì)于簡單的結(jié)構(gòu)和邊界條件的彎曲成形通過理論分析和實(shí)驗(yàn)法開展，并不能滿足現(xiàn)在各制造公司和汽車行業(yè)的需求。近幾年來，隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為當(dāng)今預(yù)測(cè)回彈的重要手段，它可以分析出板材成型趨勢(shì)、應(yīng)力應(yīng)變分布、厚度變化以及回彈量等情況，預(yù)測(cè)彎曲成形過程中發(fā)生的起皺、破裂、回彈等質(zhì)量缺陷。該技術(shù)手段不僅有效縮短模具設(shè)計(jì)和汽車沖壓件開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量和材料利用率而且可以降低制造成本。為了研究常用薄板材成型中的回彈問題及控制方案，本文利用數(shù)值模擬分析軟件Dynaform對(duì)U形件進(jìn)行仿真分析，并從工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、薄板件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面分析驗(yàn)證控制與減小回彈的方法。

1 彎曲回彈的產(chǎn)生機(jī)理及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

薄板件成型是在外載荷的作用下薄板件發(fā)生塑性變形和彈性變形過程，當(dāng)外載荷去除時(shí)，塑性變形區(qū)的材料保存殘余變形使零件成形，而彈性變形區(qū)材料的彈性恢復(fù)和塑性變形區(qū)材料彈性變形部分的彈性恢復(fù)使其形狀、尺寸都發(fā)生與加載時(shí)變形方向相反的變化，該變化使零件材料內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻從而導(dǎo)致回彈現(xiàn)象產(chǎn)生。

為了研究彎曲回彈現(xiàn)象及其產(chǎn)生的程度，通常采用截面法來衡量其大小，如圖1所示。通過測(cè)量法蘭和直壁的回彈角θ大小來研究回彈控制的方法。

圖1 回彈評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 彎曲回彈仿真模型建立

基于Dynaform的數(shù)值模擬仿真分析主要分三個(gè)步驟：

第一步驟：彎曲成形的求解過程。利用三維建模軟件如UG、Pro/E，CATIA等，建好彎曲過程中的凸模、凹模、壓邊圈、以及板料三維模型，并轉(zhuǎn)化為IGES文件，然后將IGES文件導(dǎo)入Dynaform中，通過Dynaform的前處理模塊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，工藝過程及相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，并設(shè)置相應(yīng)的求解參數(shù)進(jìn)行求解，得到一個(gè)dynain文件；

第二個(gè)步驟：回彈模擬分析計(jì)算。將第一步中得到的dynain文件導(dǎo)入Dynaform中，然后通過Dynaform的前處理的相應(yīng)模塊進(jìn)行回彈模擬計(jì)算，對(duì)材料的設(shè)置與第一步中材料設(shè)置一致，并且設(shè)置相應(yīng)的求解參數(shù)進(jìn)行回彈求解，得到一個(gè)Dynain文件，即得出板料回彈后的形狀；

第三個(gè)步驟：利用截面法通過Dynaform后處理觀察板料回彈前后的變化情況，測(cè)量出不同參數(shù)下的回彈角，然后進(jìn)行比較得出相應(yīng)參數(shù)對(duì)回彈的影響規(guī)律，從而得出相應(yīng)的控制減少回彈的方法，其過程模型如下圖2所示：

a) U形件幾何模型 b) U形件有限元模型 c) U形件后處理分析模型

3 回彈控制及優(yōu)化方法

在薄板件成型中彎曲回彈的控制方法主要有兩類：一類是制定合理的成形工藝措施，改變板料彎曲時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)或使板料發(fā)生成塑性變形抑制回彈變形的發(fā)生；二類是通過優(yōu)化模具型面或模具結(jié)構(gòu)使沖壓件過正成型，利用回彈規(guī)律使其卸載后的形狀與期望形狀相符或相近，本文以這兩種方向和思路制定控制減小回彈的方法，并利用Dynaform進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

3.1 采用帶有頂件器的模具

薄板材料在彎曲過程中凹模的板料是有一定的撓度，它在凸模圓角的曲率半徑大于凸模的圓角半徑，而通常彎角小于90°從而導(dǎo)致回彈相對(duì)有增加的趨勢(shì)。如果凹模中增加頂件器（如圖3所示），沖壓件從壓彎開始就被頂件器與凸模就夾住，可以防止了底部板料發(fā)生彎曲撓度的可能性，從而使板料在彎曲時(shí)其彎角和彎曲半徑盡量與凸模尺寸一致。

圖3 帶頂件器的模具幾何模型

對(duì)此，利用Dynaform分別對(duì)有頂件器和沒有頂件器的模具進(jìn)行回彈模擬，其結(jié)果比較圖如圖4所示。

圖4 有無頂件器回彈比較圖

（圖中自上而下，分別為回彈前和有頂件器、沒有頂件器的模具成形后零件的截面形狀）

從圖4中可以看出，在模具中加上頂件器后，零件的回彈量減小。通過模擬驗(yàn)證了采用頂件器可以減小回彈的正確性，因此可以采用頂件器來控制減小回彈。

3.2 采用負(fù)間隙的方法

圖5 采用負(fù)間隙成形后零件的厚度分部云圖

在薄板件成型過程中，板料與凸凹之間有間隙，當(dāng)凸凹模間隙大于板料厚度時(shí)會(huì)引起板料的曲率半徑大于凸模的圓角半徑，而彎角小于90°，此時(shí)回彈較大；當(dāng)凸凹模間隙等于板料厚度時(shí)，板料的彎角和彎曲半徑與凸模的尺寸一致，回彈稍小；當(dāng)間隙小于板料的厚度時(shí)，凹模內(nèi)側(cè)壁與彎曲件之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力，可以使板料變薄，如圖5所示，從而使彎曲處的切向應(yīng)力分布發(fā)生變化，使外層纖維完全進(jìn)入塑性變形，可改善內(nèi)層變形區(qū)的壓縮回彈現(xiàn)象，從而減小回彈。該控制方法為負(fù)間隙法，通常負(fù)間隙值Z/2=（0.95-0.97）t（t為板材厚度）。利用Dynaform對(duì)U形件進(jìn)行模擬仿真，分析其零部件厚度變化趨勢(shì)以及回彈情況，選定合理的負(fù)間隙值。由于負(fù)間隙法會(huì)對(duì)零部件表面產(chǎn)生摩擦，影響表面質(zhì)量，通常應(yīng)用于表面質(zhì)量要求不高的沖壓件。

3.3 采用局部加壓法

在板料成型過程中板料與凸模接觸產(chǎn)生形變，依據(jù)板料受力情況，可以將凸模做成小平臺(tái)刃口式，如圖6所示，讓板料先與凸模突出小平臺(tái)接觸，使成型力集中在較小的接觸面上，提高單位面積受力，增大彎曲成形區(qū)的壓應(yīng)力，使外層材料由切向拉應(yīng)力進(jìn)入切向壓應(yīng)力，與內(nèi)層材料相同，從而改變板料的應(yīng)力應(yīng)變情況，減小回彈。

圖6 局部加壓法的凸模截面形狀

為了驗(yàn)證該方案的效果，通過Dynaform模擬分析對(duì)比采用局部加壓法和沒有采用局部加壓法成形后產(chǎn)生的回彈比較如圖7所示。

圖7 采用局部加壓法和沒有采用局部加壓法回彈比較圖

（圖中自上而下分別為回彈前和采用局部加壓法、沒有采用局部加壓法成形的零件截面形狀）

從圖7中可以看出，采用局部加壓后，零件的回彈角減小，說明采用局部加壓法可以控制減小回彈。

3.4 采用加強(qiáng)筋

通常加強(qiáng)筋可以有效地改善板料在凹模的流動(dòng)性，增大了板料的成形效果，使得角部內(nèi)層壓應(yīng)力的作用區(qū)域向拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)移，可以減小回彈，如圖8所示。但不同的加強(qiáng)筋對(duì)回彈的控制作用不同，如果加強(qiáng)筋尺寸過大可能會(huì)出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象。因此需進(jìn)一步研究了不同尺寸加強(qiáng)筋對(duì)回彈的影響規(guī)律，加強(qiáng)筋a、b、c的半徑R分別為1mm、0.5mm、0.8mm。

圖8 帶加強(qiáng)筋的U形件CAD模型

圖9 有無加強(qiáng)筋的成形后的回彈比較

（圖中自上而下分別是帶加強(qiáng)筋a、回彈前、帶加強(qiáng)筋c、帶加強(qiáng)筋b及沒有加強(qiáng)筋的U形件截面形狀）

通過Dynaform進(jìn)行回彈模擬分析后可以得出三種加強(qiáng)筋對(duì)U形件的彎曲回彈有一定的影響，其回彈比較如圖9所示。為了知道加強(qiáng)筋是否對(duì)U形件產(chǎn)生缺陷，再利用Dyna -form的后處理功能得出帶有三種加強(qiáng)筋的U形件的成形極限圖（FLD）如圖10所示。

從圖9中可以看出，有加強(qiáng)筋的U形件成形后的回彈比沒有加強(qiáng)筋的小，而且加強(qiáng)筋為a的回彈最小，加強(qiáng)筋c次之，加強(qiáng)筋b稍大些。但是從圖10中也可以看出，帶加強(qiáng)筋a的U形件在凸緣與側(cè)壁交匯區(qū)域有明顯的起皺缺陷，而帶加強(qiáng)筋c的U形件也有起皺的現(xiàn)象，但比帶加強(qiáng)筋a的U形件輕一些，帶加強(qiáng)筋b的U形件的幾乎沒有明顯的缺陷。因此，綜合考慮，采用加強(qiáng)筋c的尺寸可以在保證U形件的一定表面質(zhì)量的前提下有效地減小回彈的發(fā)生。

(a)帶加強(qiáng)筋a的U形件 (b)帶加強(qiáng)筋b的U形件 (c)帶加強(qiáng)筋c的U形件

4 結(jié)論

通過對(duì)U形件的彎曲成形的理論分析研究，建立了U形件的有限元模型，并從工藝參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、彎曲件結(jié)構(gòu)等方面上得出控制減小回彈的方法，如采用局部加壓法、負(fù)間隙的模具、帶有頂件器的模具、在彎曲上壓加強(qiáng)筋等。利用板料成形分析軟件Dynaform對(duì)其進(jìn)行成形過程及回彈的模擬仿真，驗(yàn)證了所得出控制減小回彈方法的可靠性，為后期彎曲件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和彎曲模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考，具有指導(dǎo)性意義。

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Springback Control And Optimum Design Based on Dynaform

He Bin1, Xing Chang2

（1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd, Anhui Hefei 230000;2.Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000 )

In order to solve the problem of bending springback in sheet metal of forming,Using Dynaform to simulate the forming process and springback of U-shape part, it comes to the method of control and reduce springback form the process parameters, tool structure, the structure of bending parts etc.And it provides a reference and guidance for improving the quality of stamping parts,shortening the product development cycle and controlling and optimizing the springback problem.

Dynaform; Bending Springback;Simulation; U-shaped part; Springback control

U462

A

1671-7988(2018)21-79-03

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何斌，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.028