基于Dynaform的高強鋼板沖壓回彈補償分析

譚海林，郭照宇，孟少明

（1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系，湖南 株洲 412004；2.湖大三佳模具工程有限公司，湖南 長沙 410205）

為滿足汽車輕量化及安全性能的要求，高強度鋼板在車身設(shè)計中應(yīng)用越來越廣。由于高強鋼板的成形性能差，板料沖壓成形后的彎曲回彈和扭曲回彈現(xiàn)象比常規(guī)鋼板更為嚴(yán)重。而采用傳統(tǒng)的“試錯法”進行模具補償消除誤差，具有很大的局限性。因此如何精確地預(yù)測和補償回彈是目前高強鋼沖壓模具最為敏感和亟待解決的問題。

1 回彈及模具補償原理

板料在外載荷作用下發(fā)生任何一種塑性變形時，其變形都是由塑性變形和彈性變形兩部分組成。當(dāng)作用板料上的外載荷卸掉之后，塑性變形區(qū)的材料保存殘余變形而使零件變形。由于彈性變形區(qū)材料的彈性恢復(fù)以及塑性變形區(qū)材料彈性變形部分的彈性恢復(fù)，使其形狀、尺寸都發(fā)生了與加載時變形方向相反的變化，這種現(xiàn)象稱之為回彈。本文采用的回彈補償過程是基于零件設(shè)計要求形狀的虛擬修模迭代過程。它是先按照零件的設(shè)計要求形狀設(shè)計出初始模具形狀，經(jīng)過有限元離散后輸入專業(yè)板料成形數(shù)值模擬軟件中，經(jīng)過成形模擬和回彈計算分析，獲得了板料成形回彈后形狀。根據(jù)板料成形回彈前后形狀和初始模具形狀，在專業(yè)的回彈補償軟件里將進行模具回彈補償，得到模具修正后模具形狀；然后將回彈補償后的模具進行成形模擬和回彈計算分析，將得到零件回彈計算后的形狀與設(shè)計要求形狀進行比較，判斷兩者的幾何形狀誤差是否滿足設(shè)計誤差要求。若滿足設(shè)計誤差要求，輸出模具回彈補償結(jié)果；若不滿足設(shè)計誤差要求，重新進行回彈補償循環(huán)，直到得到符合設(shè)計誤差要求的最好的模具回彈補償結(jié)果?；貜椦a償流程圖如圖1所示。

圖1 回彈補償流程圖

2 高強度鋼板沖壓回彈補償應(yīng)用實踐

如圖2所示為某乘用車B柱幾何模型。其材料采用B340LA鋼，厚度1.4 mm，坯料尺寸700mm×485mm×85mm。成形工藝主要為落料、拉延、修邊沖孔側(cè)沖孔、整形、修邊沖孔側(cè)沖孔翻孔。本文主要以拉延為例說明模具回彈補償?shù)姆椒ā?/p>

圖2 B柱幾何模型

2.1 建立有限元模型

Dynaform是用于板料成形模擬的專用軟件包，可以預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、劃痕、回彈等，評估板料的成形性能。圖3所示為建立的有限元模型。

圖3 B柱加強板零件有限元模型

2.2 模擬計算

按照Dynaform軟件的CAE分析基本要求進行設(shè)置，壓邊力設(shè)為1500kN，摩擦系數(shù)0.125，網(wǎng)格大小3mm，采用真實拉延筋計算。如圖4所示為B柱加強板進行拉延成形模擬仿真輸出的回彈結(jié)果對比圖。綠色為原始拉延型面網(wǎng)格，紅色為拉延型面回彈后的網(wǎng)格。由圖可見在寬端頭兩邊存在扭曲，以及長度方向上也存在扭曲。

圖4 回彈分析結(jié)果對比圖

2.3 拉延回彈補償設(shè)置

在Dynaform軟件中進行回彈補償，首先分別導(dǎo)入Op10.stl（為Op10拉延計算的網(wǎng)格），Sp.stl（為算了OP10回彈之后的網(wǎng)格）以及OP10.igs（為OP10原始數(shù)模型面），要求網(wǎng)格前后對應(yīng)，如圖5所示。補償設(shè)置包括選取所有補償?shù)男兔?、選取OP10拉延計算的網(wǎng)格、輸入回彈補償因子（可正可負，憑經(jīng)驗確定）、選取回彈前后網(wǎng)格的對應(yīng)關(guān)系等。

2.4 拉延回彈補償后模擬分析計算

圖5 回彈補償設(shè)置

將拉延回彈補償后的型面重新做成形分析計算和回彈分析。取第二次拉延補償后型面回彈后的網(wǎng)格與產(chǎn)品進行對比，如果差值在公差范圍內(nèi)，回彈迭代計算就不需要再進行下去，反之繼續(xù)前面的操作過程。通過對比分析，該零件的拉延?；貜椡ㄟ^CAE分析預(yù)測回彈補償一次就解決了。如圖6所示，修邊之后頂面回彈消失，不存在扭曲回彈，但還存在局部回彈，這個回彈可以在整形模補償。

圖6 實際修邊回彈情況

圖7 a所示為通過模擬分析計算，預(yù)測A處拉延后最大回彈有4.1mm。圖7b為現(xiàn)場實驗拉延工序件掃描比對情況，A處回彈趨勢是一致的，只是回彈量上有差異，最大回彈有5mm。說明所采用的回彈補償和控制方法是有效的。圖8為采用本文方法設(shè)計模具生產(chǎn)的零件，實踐證明零件合格率達90%以上。

圖7 模擬與實際拉延對比

圖8 現(xiàn)場生產(chǎn)合格產(chǎn)品

3 結(jié)束語

通過對高強鋼B柱加強板拉延回彈模擬分析－預(yù)測回彈量－使用軟件進行回彈補償－把回彈補償?shù)娜S模型重新進行回彈分析－循環(huán)比較分析至得到誤差值在要求之內(nèi)的數(shù)模面。實驗證明此方法可解決零件扭曲問題，取消了拉延整型替代模具的使用，大大減少高強板回彈調(diào)試時間，提高設(shè)計可靠性。該方法可指導(dǎo)高強度復(fù)雜形狀沖壓件的模具開發(fā)。

[1]黃亞娟，丘宏揚.汽車沖壓件的回彈控制研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2008，43（2）.

[2]雷正保.汽車覆蓋件沖壓成形CAE技術(shù)[M].北京：國防科技大學(xué)出版社，2003.

[3]李瀧杲.金屬板料成形有限元模擬基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]雷華楨，王東方.板料沖壓成形及回彈數(shù)值模擬的應(yīng)用與研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（6）.

[5]呂淑艷，孫朝暉.基于CAE技術(shù)的沖壓件工藝性分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2012，47（2）.