張 勇，安鵬芳，王 希

（四川科技職業(yè)學(xué)院 中德學(xué)院，四川 成都 611732）

鈑金零件沖壓成形技術(shù)在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。利用高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行沖壓成形，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，也是十分常見的工藝。但是，高強(qiáng)度鋼板在成形后不僅容易產(chǎn)生開裂和起皺等外觀質(zhì)量缺陷，同時(shí)也容易產(chǎn)生回彈，導(dǎo)致零件成形后的尺寸與設(shè)計(jì)尺寸存在較大差異。所以，回彈量控制就成了汽車覆蓋件沖壓成形過程中不可回避的重要問題[1]。

根據(jù)汽車零部件的形狀、尺寸和裝配精度來看，汽車裝配件的回彈量一般控制在2 mm以內(nèi)，一旦超過所允許的公差范圍，就會造成可見的外觀質(zhì)量缺陷。通過加熱沖壓成形、變壓力沖壓成形、模具補(bǔ)償和工藝參數(shù)優(yōu)化可以有效控制零件的回彈。但由于前3種方法工藝復(fù)雜，實(shí)施難度大，所以采用DynaForm等CAE分析軟件，進(jìn)行有限元模擬來預(yù)測和控制沖壓成形過程中產(chǎn)生的回彈問題。

由于板料厚度、摩擦系數(shù)、壓邊力大小和拉延筋布置方式都是引起零件回彈的因素[2]。因此，本文中轎車加強(qiáng)梁零件的回彈分析和控制，采用Dynaform5.9軟件，先進(jìn)行零件成形分析，然后進(jìn)行回彈量分析，最后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終達(dá)到提高優(yōu)品率，縮短制造周期，降低生產(chǎn)成本的目的。

1 沖壓成形工藝分析

加強(qiáng)梁3D模型如圖1所示。材料為DC01，最大長度1 100 mm，最大寬度92 mm，最大高度差47 mm，厚度t=1 mm，非對稱形狀，整體呈現(xiàn)弧形，有形狀各異的大、小內(nèi)孔10個(gè)，材料性能參數(shù)見表1。要求成形后材料減薄率低于20%，增厚率低于10%，回彈量小于1.2 mm，表面沒有劃痕、波浪、凸點(diǎn)、凹點(diǎn)、拉傷、毛刺、麻點(diǎn)、開裂及起皺等質(zhì)量缺陷。從相對彎曲半徑r/t來看，r較大，t較薄，拉延后容易回彈。

表1 加強(qiáng)梁材料性能參數(shù)

圖1 加強(qiáng)梁3D模型

2 拉延成形計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 拉延成形模型與參數(shù)設(shè)置

加強(qiáng)梁為復(fù)雜三維曲面零件，本文采用UGNX建立模型，通過專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換IGES格式將模型從UGNX到出，并轉(zhuǎn)入DynaForm中。在DynaForm中利用前處理功能對零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和適當(dāng)?shù)墓に囇a(bǔ)充設(shè)計(jì)。由于網(wǎng)格劃分越密集，零件模型描述越準(zhǔn)確，分析結(jié)果精度越高，穩(wěn)定性也越好[3]。所以，該零件采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，最大網(wǎng)格尺寸為10 mm，最小網(wǎng)格尺寸為0.5 mm。工藝補(bǔ)充中邊界光順半徑取3 000 mm，補(bǔ)充面主截面線半徑取5 mm，拔模斜度取1.5°。工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 工藝補(bǔ)充面設(shè)計(jì)

本零件的沖壓成形過程需要設(shè)置重力加載、拉延成形、修邊和回彈4個(gè)模擬工步。拉延成形過程中，凹模與壓邊圈首先貼合并壓緊坯料，然后整體向下運(yùn)動(dòng)，與凸模配合完成零件的拉延成形[4]。拉延成形中的，沖壓速度取3 000 mm/s壓邊力取150 kN，凸、凹模間隙取1.2 mm，摩擦系數(shù)取0.1。定位后的各成形工具如圖3所示。

圖3 各成形工具定位設(shè)置

2.2 拉延成形結(jié)果分析

從零件的成形極限圖可以看出拉延成形后的起皺和開裂情況[5]。成形極限圖如圖4所示。A區(qū)為開裂趨勢區(qū)域，B區(qū)為起皺趨勢區(qū)域。A區(qū)域位于零件底部，半徑較小，承受徑向應(yīng)力較大，材料流動(dòng)困難，故容易開裂。B區(qū)域位于凹?？诓?，承受徑向和切向應(yīng)力，產(chǎn)生徑向拉伸變形和切向壓縮變形，且切向變形大于徑向變形，故容易起皺，但由于位于零件之外，屬于工藝補(bǔ)充部分，在成形后被切除，所以不會對零件質(zhì)量造成影響。

圖4 成形極限圖

通過零件厚度分布圖可以觀察到板料不同區(qū)域變薄、增厚的情況。板料厚度分布情況如圖5所示。零件要求拉延成形后減薄率低于20%，增厚率低于10%，即零件最薄為0.8 mm，最厚為1.1 mm。通過處理分析可以看出，本次模擬實(shí)驗(yàn)的最薄厚度為0.803 mm，最大厚度為1.095 mm。其他參數(shù)指標(biāo)也達(dá)到要求，因此，該工藝方案成形結(jié)果符合零件成形要求，可以作為進(jìn)一步分析其回彈量的基礎(chǔ)和依據(jù)。

圖5 零件厚度分布云圖

3 回彈計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 回彈計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，沖壓成形后的中間工序零件，需要通過切邊工序，切除邊緣部分的起皺余料，才能進(jìn)行回彈分析。在切邊工序中需要注意的是切邊工具應(yīng)該定位在沖壓成形工具之外，否則無法進(jìn)行正常計(jì)算。修邊工具定位如圖6所示。

圖6 修邊工具定位

回彈分析邊界條件設(shè)置關(guān)系到回彈分析結(jié)果是否準(zhǔn)確、真實(shí)。節(jié)點(diǎn)約束位置，即檢測時(shí)的裝夾位置，主要用來限制剛體的位移，確保模擬結(jié)果回彈量與實(shí)際回彈量保持一致。在設(shè)置時(shí)主要滿足以下要求：（1）3點(diǎn)不能在同一直線上；（2）不要靠近零件邊緣；（3）不要選擇變形較大的區(qū)域；（4）相互間應(yīng)該相距一定距離[6]。節(jié)點(diǎn)約束位置如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)約束位置

3.2 回彈計(jì)算結(jié)果分析

由于回彈分析采用多步隱式算法，所以在DynaForm后處理器里會有5幀文件。從第1幀和第5幀的對比中可以看出，A區(qū)域和B區(qū)域的回彈現(xiàn)象明顯，且B區(qū)域向凸耳處延伸的趨勢顯著?；貜梾^(qū)域如圖8所示。因此，在B區(qū)域通過凸耳作橫向截面線，觀察其回彈效果。橫向第1幀與第5幀角度數(shù)值如圖9、圖10所示，回彈前后數(shù)值對比見表2。

表2 橫向回彈量對比

圖8 回彈區(qū)域

圖9 橫向第1幀截面線

圖10 橫向第5幀截面線

4 參數(shù)優(yōu)化與回彈控制

為了更好地控制沖壓成形后的回彈量，滿足工藝要求，在凹模和壓邊圈的適當(dāng)位置添加凹槽和加強(qiáng)筋，用以控制材料的流入，使之充分成形。

在模具結(jié)構(gòu)上引入凹槽和加強(qiáng)筋后，再次對零件進(jìn)行重力加載、拉延成形分析、修邊和回彈分析。從成形極限圖可以看出，工件沒有出現(xiàn)破裂缺陷，也不在起皺區(qū)域內(nèi)。

進(jìn)入后處理器，在相同位置作截面線，觀察優(yōu)化后的回彈效果。第1幀和第5幀的角度數(shù)值如圖11、圖12所示，回彈前后數(shù)值對比見表3。

表3 優(yōu)化后回彈量對比

圖11 橫向第1幀截面線（優(yōu)化后）

圖12 橫向第5幀截面線（優(yōu)化后）

通過優(yōu)化前后兩次的數(shù)值模擬分析，可以看出，在凹模和壓邊圈加上凹槽和加強(qiáng)筋后，外側(cè)兩處，即1、4位置的回彈角度分別降低了0.656°和0.836°，相對減少了57.29%和69.61%，回彈現(xiàn)象得到了有效控制。優(yōu)化后回彈量相對減少量見表4。

表4 優(yōu)化后回彈相對減少量

在拉延工序的凹模和壓邊圈加上凹槽和加強(qiáng)筋，對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再經(jīng)過拉延成型、切邊等工序后，得到實(shí)際成形零件如圖13所示。通過檢測發(fā)現(xiàn)，零件表面質(zhì)量較好，最小厚度為0.883 mm，最大厚度為1.103 mm，最大回彈量為1.032 mm，在零件區(qū)域沒有起皺和破裂缺陷，最大厚度出現(xiàn)在工藝補(bǔ)充區(qū)域，通過切邊工序?qū)⑵淝谐?，并不影響零件厚度。零件最終成形質(zhì)量與仿真分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了正交試驗(yàn)和仿真分析的準(zhǔn)確性。

圖13 實(shí)際成形零件圖

5 結(jié)論

（1）以轎車加強(qiáng)梁為載體進(jìn)行回彈量分析和優(yōu)化，最終發(fā)現(xiàn)采用高強(qiáng)度鋼作為汽車覆蓋件，在獲得高性能的同時(shí)，存在著較大的回彈現(xiàn)象，且控制難度較大。

（2）通過分析優(yōu)化前后的回彈量數(shù)值，發(fā)現(xiàn)了模具結(jié)構(gòu)對回彈量的影響規(guī)律，在模具的凹模和壓邊圈加上凹槽和加強(qiáng)筋，能有效降低高強(qiáng)度鋼在沖壓成形中產(chǎn)生的回彈現(xiàn)象。

（3）通過工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，有效地控制了零件的回彈現(xiàn)象，驗(yàn)證了優(yōu)化方案的合理性，試驗(yàn)結(jié)果與生產(chǎn)結(jié)果的一致性。采用DynaForm軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能有效地提高零件精度，縮短模具制造周期，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。