基于AUTOFORM的板料高強(qiáng)度鋼零件回彈補(bǔ)償研究及應(yīng)用

曹建華

摘要：白車(chē)身零部件在沖壓成型后都存在回彈，嚴(yán)重影響沖壓件的產(chǎn)品質(zhì)量。傳統(tǒng)的修正回彈方法是根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)，然后修正模具，再重新試模和修正，直到符合品質(zhì)要求，如此反彈調(diào)試，消耗大量的時(shí)間及人力物力。因此，精確仿真回彈量以及有效控制回彈已經(jīng)成為白車(chē)身沖壓領(lǐng)域最為關(guān)注的問(wèn)題。本文利用專(zhuān)業(yè)分析軟件，采用AUTOFORM軟件對(duì)某高強(qiáng)度防撞梁進(jìn)行了成形性、回彈分析及自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了顯著的效果。

Abstract： Body-in-white Parts springback exists after stamping forming， which seriously affects the product quality of stamping parts. The traditional method is to adjust the springback according to the measured data of the actual product， then to modify the die， and then to retry the die and correct it until it meets the quality requirements. Therefore， accurate simulation of springback and effective control of springback have become the most concerned issues in the area of biw stamping. In this paper， the formability， springback analysis and automatic compensation calculation of a high-strength anti-collision beam are carried out by using AUTOFORM software and professional analysis software.

關(guān)鍵詞：AUTOFORM;回彈補(bǔ)償;數(shù)值模擬;板料成形;高強(qiáng)鋼

Key words： AUTOFORM;rebound compensation;numerical simulation;sheet metal forming;high strength steel

中圖分類(lèi)號(hào)：TU392.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）06-0010-02

0? 引言

隨著汽車(chē)輕量化趨勢(shì)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼在汽車(chē)白車(chē)身中的應(yīng)用逐漸增加，其應(yīng)用在節(jié)能減排和提供汽車(chē)安全性方面發(fā)揮了重要作用。與普通鋼相比，高強(qiáng)度鋼強(qiáng)度高，在沖壓過(guò)程中材料內(nèi)存在高應(yīng)力，沖壓設(shè)備也需要高沖壓力。沖壓結(jié)束后，材料中的高應(yīng)力使得零件回彈增大，產(chǎn)生的扭曲、翹曲，回彈變形嚴(yán)重影響沖壓零件的尺寸精度和產(chǎn)品質(zhì)量[4]。AUTOFORM軟件具有回彈計(jì)算及自動(dòng)回彈補(bǔ)償功能，采用靜力隱式算法能夠較準(zhǔn)確的對(duì)白車(chē)身加強(qiáng)類(lèi)零件進(jìn)行回彈分析及回彈補(bǔ)償。

1? 回彈自動(dòng)補(bǔ)償原理

利用AUTOFORM軟件，進(jìn)行零部件的重力，拉伸和回彈模擬，獲得回彈后的數(shù)據(jù)，軟件再根據(jù)回彈量自動(dòng)修正之前的模具形狀，然后再進(jìn)行重力，拉伸和回彈模擬，反復(fù)進(jìn)行虛擬修模的迭代計(jì)算過(guò)程，直至回彈后的數(shù)據(jù)滿(mǎn)足品質(zhì)要求。

2? 回彈算法及材料模型

板料為彈塑性材料，成型和回彈可以理解成加載和卸載。當(dāng)加載時(shí)彈塑性材料進(jìn)入塑形狀態(tài)后，若此時(shí)停止加載，卸載路線(xiàn)與加載時(shí)路線(xiàn)不同，其差別就是加載歷史中產(chǎn)生的永久變形，另外的變形就是彈性變形，也就是回彈。回彈的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的內(nèi)應(yīng)力釋放過(guò)程，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)零件，所有的節(jié)點(diǎn)不可能同時(shí)處于卸載狀態(tài)，卸載過(guò)程可能還伴有局部加載過(guò)程，成型過(guò)程模擬中產(chǎn)生的任何誤差都會(huì)對(duì)整個(gè)回彈結(jié)果的準(zhǔn)確性造型影響。

回彈的主要算法是首先給拉伸結(jié)束后的板料一個(gè)假想的應(yīng)力狀態(tài)，該應(yīng)力與拉伸結(jié)束后的應(yīng)力相平衡。在分析過(guò)程中，假想應(yīng)力按照步長(zhǎng)的線(xiàn)性函數(shù)逐漸減少，直至完全去除，采用牛頓迭代法，保證每一增量步的靜態(tài)平衡。對(duì)每一步增量：

回彈仿真的結(jié)果是否正確，還有一個(gè)最主要的影響因素就是材料模型是否正確，在這里，我們采用Arcelor V9模型，AUTOFORM中，通過(guò)采用orthotropic形式，輸入三個(gè)方向（沿軋制方向0，45，90）的各向異性系數(shù)來(lái)獲得Arcelor系數(shù)，同時(shí)還需要輸入彈性模量、泊松比、密度等基本材料參數(shù)[3]。

3? 數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格的劃分

在有限元數(shù)值模擬分析中，網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)數(shù)值求解的穩(wěn)定性、效率及精度至關(guān)重要。網(wǎng)格劃分涉及單元的形狀及其拓?fù)漕?lèi)型、單元類(lèi)型、網(wǎng)格生成器的選擇、網(wǎng)格的密度、單元的編號(hào)以及幾何體素等，也是影響模擬計(jì)算速度的最重要因素[1]。網(wǎng)格越小，網(wǎng)格數(shù)量越多，和零件的擬合程度越高，模擬的精度就越高，但是模擬分析計(jì)算所需的時(shí)間就越長(zhǎng);相反，網(wǎng)格越大，網(wǎng)格數(shù)量相對(duì)較少，和零件的擬合程度相對(duì)減少，模擬的精度就較低，而模擬分析計(jì)算所需的時(shí)間則越少。因此坯料網(wǎng)格尺寸的確定，應(yīng)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算速度。

3.2 重力模擬

在有限元數(shù)值模擬分析，是將板料簡(jiǎn)化成薄板，忽略了料厚方向的應(yīng)力應(yīng)變。但在實(shí)際生產(chǎn)中，板料在放到壓邊圈上進(jìn)行沖壓之前，由于板料自身的重量，會(huì)產(chǎn)生變化。如果壓料面曲率變化比較大，則這種變化也增大，從而使板料在沖壓成型之前就有一定的應(yīng)力應(yīng)變。這種情況下，忽略重力模擬，就忽略了板料因重力引起的應(yīng)力應(yīng)變，在模擬分析的時(shí)候就會(huì)使板料在成型過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變不符合實(shí)際情況，甚至是板料的應(yīng)力應(yīng)變方向發(fā)生變化，導(dǎo)致模擬分析的結(jié)果不準(zhǔn)確，不能用以指導(dǎo)生產(chǎn)。像此次模擬的防撞梁，產(chǎn)品是拱形圓弧形狀，必須增加重力模擬，已達(dá)到精確分析結(jié)果。

4? 高強(qiáng)度鋼零件的成型分析

零件為某一車(chē)身防撞梁，成型、回彈分析及回彈補(bǔ)償采用AUTOFORM軟件。零件形狀如圖1所示，厚度為1.4mm ，牌號(hào)為JSC80Y，? 材料參數(shù)：R0=0.701，R45=0.866，R90=0.854，屈服強(qiáng)度=730MPa，抗拉強(qiáng)度=1103

MPa，N值=0.152。

成型分析參數(shù)設(shè)置：壓邊圈行程為100mm，壓邊力為150T，摩擦系數(shù)為0.17，分析模型設(shè)置見(jiàn)圖2。

成型分析結(jié)果如圖3所示。

5? 高強(qiáng)度鋼零件的回彈分析及回彈補(bǔ)償

回彈分析采用靜式隱力算法，如圖4所示，回彈主要集中在兩端和側(cè)壁，最大反彈量有5mm。

從圖4可以得出，該零件回彈量較大，達(dá)不到所需的品質(zhì)要求，因此需要對(duì)零件進(jìn)行回彈補(bǔ)償計(jì)算。由于產(chǎn)品的法蘭面用壓邊圈，同時(shí)壓邊圈也存在較大的反彈量，為了保證產(chǎn)品的相對(duì)關(guān)系，需要對(duì)整個(gè)形面進(jìn)行整體補(bǔ)償計(jì)算。通過(guò)三次迭代補(bǔ)償后，反彈量控制在1mm以?xún)?nèi)，再加上對(duì)于高強(qiáng)度板的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，需要多補(bǔ)償2.5-3.0mm。

6? 結(jié)論與展望

基于有限元仿真的回彈補(bǔ)償方法，擴(kuò)展了有限元技術(shù)在板料成型領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，是數(shù)值模擬真正成為了工藝優(yōu)化的手段。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，回彈補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵技術(shù)已有突破，可以在一定程度解決沖壓工藝中較復(fù)雜曲面零件的回彈誤差問(wèn)題。但還存在一些值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題[2]。

①各種不同成形工藝中回彈補(bǔ)償?shù)难芯?。?duì)于沖壓外的各種其它鈑金成形工藝，適合其工藝特點(diǎn)的回彈補(bǔ)償方法還有待研究;

②成形精度檢驗(yàn)方法的探索和研究，模面被調(diào)整后，不再是理論外形，這就使零件幾何精度的檢驗(yàn)無(wú)法再依靠“靠?！眮?lái)檢驗(yàn)。因此，新的幾何精度檢測(cè)方法的探索將更為緊迫;

③回彈預(yù)測(cè)精度的提高，效果取決于回彈預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，回彈預(yù)測(cè)值與真實(shí)值的誤差是回彈補(bǔ)償應(yīng)用的瓶頸。因此提高回彈預(yù)測(cè)精度是板料成型數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷正保.汽車(chē)覆蓋件沖壓成形AE技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)，2003.

[2]朱東波，孫琨，李滌塵.板料成形回彈問(wèn)題研究新進(jìn)展[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2000.

[3]李玉強(qiáng)，王勇，董劍安.覆蓋件沖壓CAE分析材料模型的工程應(yīng)用與發(fā)展[J].模具技術(shù)，2000.

[4]徐丙坤.施法中板料沖壓成形回彈的數(shù)值模擬[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001.