基于CAE的高強(qiáng)度鋼U型件沖壓回彈研究

黃能會(huì) 高成慧

摘 要：在汽車制造業(yè)中，為進(jìn)行輕量化和高強(qiáng)度設(shè)計(jì)，高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用就非常廣泛了，其U型回彈控制的策略會(huì)影響板料成型的精度。為更好的研究摩擦系數(shù)、板料厚度、拉延筋、模具間隙等參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度鋼折彎回彈的影響規(guī)律，以RP784-980B高強(qiáng)度鋼板為研究對(duì)象，利用Dynaform軟件與實(shí)際模具結(jié)合進(jìn)行研究，得出四個(gè)參數(shù)與回彈值的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：回彈;高強(qiáng)度鋼板;有限元;彎曲

高強(qiáng)度鋼板代替普通鋼材廣泛應(yīng)用于汽車輕量化生產(chǎn)中，沖壓作為汽車生產(chǎn)后續(xù)的焊接、裝配、涂裝的最前工序，其成形精度對(duì)汽車生產(chǎn)工藝過程起著非常大在影響作用，其中回彈是高強(qiáng)度鋼板成形過程中最為復(fù)雜的問題[1]。國內(nèi)學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度鋼板做了大量研究。重慶大學(xué)的周同貴等[2]以BR1500HS高強(qiáng)度鋼板為研究對(duì)象，進(jìn)行了基于Dynaform軟件的熱沖壓數(shù)值模擬及回彈分析做正交實(shí)驗(yàn)分析，得出最優(yōu)參數(shù)組合。南京工程學(xué)院的徐濤等[3]基于Dynaform軟件進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)高強(qiáng)度鋼板U形件回彈進(jìn)行分析研究，得出最優(yōu)的參數(shù)組合。湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院的李治國[4]等通過對(duì)WELDOX960 高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行研究，通過實(shí)驗(yàn)和仿真模擬對(duì)仿真模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，得出仿真模擬的準(zhǔn)確性。目前，針對(duì)不同材料沖壓工藝參數(shù)進(jìn)行高強(qiáng)度鋼板U形回彈的文獻(xiàn)不多。本文以汽車生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的RP784-980B鋼板為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究沖壓工藝參數(shù)對(duì)高強(qiáng)度鋼板回彈量的影響，為高強(qiáng)度鋼板沖壓加工提供一定的指導(dǎo)意義。

1 分析模型建立

對(duì)于U形件來說，為減少運(yùn)算時(shí)間，建立基本模型如圖1所示，本模型采用常用的汽車零件結(jié)構(gòu)，兩側(cè)面夾角為10°，模型零件長為300mm，材料為RP784-980B，材料的主要化學(xué)成分如表1所示，其主要性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度為610 MPa，抗拉強(qiáng)度為989 MPa，延伸率或伸長率21%），根據(jù)U形件彎曲回彈的特點(diǎn)，采用軟件計(jì)算的最大回彈值作為的變形量。

2 不同工藝參數(shù)模擬結(jié)果分析

通過不同的沖壓工藝參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行模擬分析，具體分析如下：

2.1 摩擦系數(shù)對(duì)回彈的影響

摩擦系數(shù)對(duì)沖壓零件的成形質(zhì)量和回彈有一定的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)摩擦系數(shù)較大時(shí)，零件在成形過程中，材料的流動(dòng)就會(huì)變緩慢，從而可以減少成形零件的回彈量，但隨著摩擦系數(shù)的增大，對(duì)零件表面也會(huì)造成一定的損傷，影響零件的表面質(zhì)量，當(dāng)摩擦系數(shù)較小時(shí)，其成形結(jié)果與之相反。圖2是摩擦系數(shù)取0.1、0.11、0.125（軟件默認(rèn)的高強(qiáng)度鋼摩擦值）、0.14、0.15、0.17時(shí)對(duì)應(yīng)的最后成形零件的回彈量，最大的回彈量與默認(rèn)摩擦值的回彈量誤差在4.3%內(nèi)。綜合工程實(shí)踐，在進(jìn)行高強(qiáng)度鋼材有限元分析時(shí)，按照軟件默認(rèn)值即可，不需要進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

2.2 拉延筋位置對(duì)回彈的影響

汽車零件很多都是尺寸大、形狀比較復(fù)雜，影響成形的因素有很多，在進(jìn)行拉延過程中，不能只靠壓邊力，單純靠壓邊力很難控制起皺和拉裂。在進(jìn)行成型過程中為了避免材料在凸模進(jìn)入的位置，為了防止起皺和開裂，在離凹模入口增加拉延筋，以阻止大多材料一起流入。根據(jù)工程實(shí)際應(yīng)用，分別選擇在離凹模入口10mm，15mm，20mm，25mm和30mm的地方設(shè)置拉延筋進(jìn)行分析。在沒有拉延筋作用時(shí)，回彈值為13.82mm，由圖3可見隨拉延筋與凹模入口的距離增加而回彈減少，當(dāng)?shù)揭欢ㄖ岛?，回彈值又隨距離的增加又逐漸增大，根據(jù)沖壓零件產(chǎn)品的大小，拉延筋距凹模入口距離為15～25mm較為合適。

2.3 材料厚度對(duì)回彈的影響

根據(jù)工程應(yīng)用中常用RP784-980B的鋼板厚度，取0.8mm，1mm，1.2mm，1.4mm，和1.6mm厚度進(jìn)行分析，摩擦系數(shù)按默認(rèn)，不設(shè)置拉延筋。其回彈結(jié)果如圖4所示。對(duì)于板厚小于1.4mm的鋼板，隨著材料厚度的增加，回彈值逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)厚度大于1.4mm時(shí)，減少的趨勢(shì)變緩，成形后的板厚減薄都是0.01mm，所以基本可以不用考慮材料減薄問題，主要根據(jù)客戶需求來定材料的厚度。

2.4 模具間隙對(duì)回彈的影響

模具間隙是高強(qiáng)度鋼板成形中要考慮的一個(gè)重要因素，它影響著板料與模具的接觸狀態(tài)，可以控制板料流動(dòng)狀態(tài)，模具間隙的設(shè)置較小時(shí)，能增加側(cè)面凸、凹模對(duì)板料的側(cè)向壓力，增加塑性變形的區(qū)域，對(duì)回彈的控制比較有利;但當(dāng)間隙小于一個(gè)材料厚度時(shí)，模具和板料的摩擦力會(huì)比較大，同時(shí)有擠壓變形，對(duì)模具和板材的表面質(zhì)量都會(huì)有影響，同時(shí)模具的使用壽命也會(huì)大大降低。根據(jù)工程應(yīng)用中的模具間隙，取間隙值0.95t，1t，1.05 t，1.1t，1.15t和1.2t（t為一個(gè)板料厚度）進(jìn)行分析，摩擦系數(shù)按默認(rèn)，不設(shè)置拉延筋，材料厚度按照常用的1mm來進(jìn)行分析，其回彈結(jié)果如圖5所示。對(duì)于間隙小于一個(gè)材料厚度，最后成形的板材有11%的減薄，隨著模具間隙的增加，回彈值逐漸增大后又減小的趨勢(shì)，當(dāng)模具間隙為一個(gè)板厚時(shí)，回彈量最小。

3 結(jié)果運(yùn)用

利用有限元分析，在模擬結(jié)果分析中，一般以成形極限圖和回彈云圖體現(xiàn)出來，成形極限圖可以預(yù)測出在加工前可能會(huì)出現(xiàn)的一些結(jié)果，他能準(zhǔn)確反映材料在成形過程中的板料局部成形發(fā)生的狀態(tài)，如起皺、破裂、危險(xiǎn)、安全等，根據(jù)顏色來進(jìn)行判斷是否可行?；貜椩茍D可以預(yù)測出回彈量最大值及其出現(xiàn)的位置，這樣可以有效的采取措施來控制生產(chǎn)過程中的回彈。為驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)RP784-980B鋼板進(jìn)行模擬與實(shí)踐生產(chǎn)中的進(jìn)行對(duì)比，在最初未進(jìn)行有限元分析的模具設(shè)計(jì)制造過程中，采用普通45#鋼做模具，通過在檢具（圖6）上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測量后，不斷的調(diào)整參數(shù)來對(duì)板料進(jìn)行沖壓成形，直至能夠沖出尺寸合格的產(chǎn)品后，測量實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩某叽纾詈笥媚＞咪撨M(jìn)行實(shí)際模具制作，這樣需要耗費(fèi)大量的人力、財(cái)力和物力。通過Dynaform軟件對(duì)成形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，減少試驗(yàn)次數(shù)，為模具生產(chǎn)提供有效的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

以RP784-980B為例，其沖壓成形回彈量與摩擦系數(shù)無關(guān);拉延筋的距離設(shè)置在15-15mm處可以減小回彈量;隨材料厚度的增加，回彈量逐漸減少，當(dāng)材料厚度達(dá)到1.4mm后減少的趨勢(shì)逐漸減緩;模具間隙采用1個(gè)料厚可以最有效的減少回彈。

項(xiàng)目來源：2018年度湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃指導(dǎo)性項(xiàng)目——基于CAE的高強(qiáng)度鋼板沖壓工藝優(yōu)化研究。（項(xiàng)目編號(hào)：B2018447）

參考文獻(xiàn)：

[1]朱東波等.板料成形回彈問題研究新進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2000（01）：11-17.

[2]周同貴等.BR1500HS高強(qiáng)度鋼板熱沖壓數(shù)值模擬及回彈分析[J].熱加工工藝，2015，44（11）：122-125.

[3] 徐濤等基于正交試驗(yàn)的高強(qiáng)鋼板U形件回彈分析研究[J].科技視界.2015（02）：57，66-67

[4]李治國等.高強(qiáng)度鋼板折彎成型的回彈分析及工程應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2019（05）：173-175.