板料沖壓成形作為一種重要的金屬塑性加工方法，廣泛應(yīng)用于航空、汽車、家電、日用品等工業(yè)領(lǐng)域。但板料沖壓成形易產(chǎn)生拉裂、變薄、起皺、回彈等缺陷，其中回彈一直是影響和制約板料沖壓件精度的重要因素，如何有效地進(jìn)行回彈補(bǔ)償與控制是近年來一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。由于沖壓件的最后形狀與回彈密切相關(guān)，模具幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)等都會(huì)對(duì)回彈產(chǎn)生很大影響，因此對(duì)回彈進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和控制是提高沖壓件精度的關(guān)鍵。

    研究表明，回彈模擬精度既受成形過程模擬計(jì)算精度的制約，又與回彈過程的模擬方法有關(guān)。Wang C T研究指出，顯/隱式相結(jié)合的方法是處理板料成形回彈問題的有效方法。徐偉力等、張陽等研究認(rèn)為涂抹速度不宜超過1m·s-1，在模具圓角處布置5個(gè)單元，殼單元厚向取7個(gè)積分點(diǎn)為最佳值；Lee S W等指出，相對(duì)于接觸阻尼參數(shù)、罰參數(shù)或虛擬沖壓速度等參數(shù)，單元尺寸對(duì)回彈的影響是最大的。回彈是卸載后板料內(nèi)應(yīng)力的再分配，是整個(gè)成形過程的累積效應(yīng)。

    本文以某汽車車門玻璃導(dǎo)軌件為研究對(duì)象，通過對(duì)各工序成形后分別做卸載計(jì)算，將前一道工序的回彈計(jì)算結(jié)果作為下一道工序的輸入，以減少各工序回彈計(jì)算誤差，從而提高回彈模擬精度；并針對(duì)該零件成形后所產(chǎn)生的回彈，采用節(jié)點(diǎn)對(duì)稱補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ行У販p小了回彈量，使零件的誤差處在合理的范圍內(nèi)，證明了該方法的有效性。

1 回彈機(jī)理介紹

    金屬板材在沖壓成形過程中不可避免地產(chǎn)生卸載回彈和切邊回彈現(xiàn)象。板料在外力作用下發(fā)生某一種彈塑性變形時(shí)，其變形一般是由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當(dāng)作用在板料上的外載荷去掉以后，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)生與加載時(shí)變形方向相反的變化，這種現(xiàn)象稱之為卸載回彈。切邊回彈是一個(gè)復(fù)雜的三維應(yīng)力釋放過程，包括切邊處理、變形場(chǎng)量信息映射和不平衡殘余內(nèi)應(yīng)力卸載等3部分。

    板料沖壓成形過程中回彈缺陷的控制方法主要可分為兩類：一類是通過修正模具型面或模具結(jié)構(gòu)使沖壓件過正成形，利用回彈規(guī)律使其卸載后的形狀與塑性期望值相符合或相近，如圖1所示；另一類是擬定合理的成形工藝參數(shù)(壓邊力、摩擦系數(shù)等)，以改變板料成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，從而抑制回彈的發(fā)生。基本上所有回彈都可以綜合這兩種控制方法達(dá)到減小的效果，因本文中零件的成形工藝參數(shù)已優(yōu)化確定，所以采用模具表面幾何補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟ_(dá)到減小回彈的目的。

圖1 模具修正補(bǔ)償方法示意圖

2 回彈分析建模及回彈補(bǔ)償工藝方案

    2.1 回彈分析建模

    某汽車車門玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件如圖2所示，材料為DX53D鍍鋅鋼板，要求大批量生產(chǎn)。該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件用于汽車的電動(dòng)玻璃升降器，在實(shí)際裝配使用時(shí)，左右車門各需一件，且兩件呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)。零件整體呈一弧形，弧形型面必須與車門玻璃弧度保持一致，該型面精度要求在±0.3mm以內(nèi)，因此必須嚴(yán)格保證成形質(zhì)量和控制回彈。

圖2 汽車車門玻璃導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件

    板料為DX53D鍍鋅鋼板，厚度為1.2mm，選用36#三參數(shù)Barlat材料模型。三參數(shù)Barlat材料模型用于在平面應(yīng)力狀態(tài)下的各向異性彈塑性材料，既考慮了材料的厚向異性對(duì)屈服面的影響，也考慮了板料平面內(nèi)的各向異性對(duì)屈服面的影響，因此，該模型更能反映各向異性對(duì)沖壓成形的影響。事實(shí)上，該模型是針對(duì)薄金屬成形分析(包括沖壓成形)而提出的，使用該材料模型不論厚向異性系數(shù)r的高低，都能夠獲得可靠常用材料信息。材料的力學(xué)性能參數(shù)從Dynaform軟件材料庫中獲得，如表1所示。材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。

表1 材料參數(shù)

    該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件形狀較復(fù)雜，需要沖孔、壓彎、拉深、修邊、整形、翻邊、鉚孔、切斷等工序來進(jìn)行沖壓成形。工件的回彈分析模型建立在板料成形模擬的基礎(chǔ)上，本文將成形模擬生成的Dynain結(jié)果文件導(dǎo)入Dynaform，對(duì)板料參數(shù)、計(jì)算方案、網(wǎng)格自適應(yīng)和隱式參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。

    本文中的回彈分析采用多步隱式分析方法，單元公式為Full Integrated Shell Element(16)薄殼單元公式、初始時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001。由于工件非常復(fù)雜，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)所允許的剛度重構(gòu)次數(shù)(MAXREF)設(shè)置為1000，避免有限元方程尚未達(dá)到平衡狀態(tài)就已經(jīng)終止計(jì)算，收斂準(zhǔn)則等參數(shù)采用默認(rèn)值。回彈分析為靜態(tài)分析，需取3個(gè)約束點(diǎn)以消除板料6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，此3個(gè)約束點(diǎn)應(yīng)選在板料變形量較小的位置，但不能選擇沖壓件邊界附近的節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。該選擇方法更貼合實(shí)際情況，模擬更準(zhǔn)確。

圖3 DX53D鍍鋅板應(yīng)力－應(yīng)變曲線

圖4 定義的約束點(diǎn)

2.2 回彈結(jié)果分析

    圖5為該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件切邊后的回彈分布圖。Z軸負(fù)向?yàn)楣ぜ臎_壓方向，定義沿Z軸正向的回彈量為正值，反之為負(fù)值，由圖可知，工件在A、B兩端有輕微向上翹曲現(xiàn)象，回彈量在0.3mm公差范圍內(nèi)；工件在中間段C處回彈量較大。因?yàn)樵摴ぜ槌叽巛^大的拉深彎曲件，較易產(chǎn)生彎曲回彈，故分別沿X、Y軸對(duì)工件剖切(圖5)，通過對(duì)比回彈前后的截面，更直觀地觀測(cè)工件的回彈情況。圖6為截面Ⅰ－Ⅰ處的回彈示意圖，由圖可知，工件在該截面的回彈量較小，約為0.17mm，小于0.3mm，不影響裝配精度。圖7為截面Ⅱ－Ⅱ處的回彈示意圖，由圖可知，截面的右半部分有明顯的回彈現(xiàn)象，最大值發(fā)生在端點(diǎn)f處，f經(jīng)切邊卸載后移動(dòng)到f＇，回彈量約為0.67mm，大于0.3mm，不滿足零件的成形精度要求。故只需對(duì)中間段C處進(jìn)行模具補(bǔ)償，即可使該處回彈量減小，滿足精度要求。

圖5 切邊后回彈分布圖

圖6 截面Ⅰ－Ⅰ處的回彈示意圖

圖7 截面Ⅱ－Ⅱ處的回彈示意圖

    圖8和圖9分別是工件回彈前和回彈后的應(yīng)力分布圖。由圖8可知，工件的上、下表面在成形過程中均受拉應(yīng)力，且中間段C處上表面受到的拉應(yīng)力最大。由圖9可知，切邊卸載后，工件仍受拉應(yīng)力作用，對(duì)比卸載前的應(yīng)力分布圖可知，中間段應(yīng)力減少量最大，導(dǎo)致工件C處上表面收縮，下表面伸長(zhǎng)，使表面嚴(yán)重向上翹曲，產(chǎn)生了較大回彈。

圖8 回彈卸載前上表面

(a)和下表面 (b)的應(yīng)力分布圖

圖9 回彈卸載后上表面

(a)和下表面 (b)的應(yīng)力分布圖

 2.3 回彈補(bǔ)償工藝方案

    基于前文中回彈卸載后結(jié)構(gòu)件與理想結(jié)構(gòu)件的對(duì)比分析，確定采用圖10的模具補(bǔ)償方案。運(yùn)用Dynaform軟件對(duì)該導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件進(jìn)行級(jí)進(jìn)沖壓成形數(shù)值模擬，確定出結(jié)構(gòu)件最優(yōu)的沖壓工藝方案，獲取回彈仿真分析結(jié)果，然后與理想結(jié)構(gòu)件進(jìn)行對(duì)比分析，判斷零件是否滿足精度要求，如果零件誤差超出了公差范圍則要對(duì)模具補(bǔ)償。然后利用新生成的曲面進(jìn)行再模擬及回彈仿真分析，驗(yàn)證模具補(bǔ)償是否正確，直至獲得公差范圍內(nèi)的回彈量。

圖10 回彈補(bǔ)償解決方案流程圖

    導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)件回彈量可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成形工藝進(jìn)行控制，但是該件最大回彈量較小(＜1mm)，難以從成形工藝上減小，確定采用模具補(bǔ)償減小回彈量。模具補(bǔ)償確定采用節(jié)點(diǎn)對(duì)稱的方法，即補(bǔ)償后的節(jié)點(diǎn)與回彈后的節(jié)點(diǎn)關(guān)于回彈前的節(jié)點(diǎn)對(duì)稱。如圖11所示，1、1＇、1″分別為回彈前、回彈后和補(bǔ)償后的節(jié)點(diǎn)位置。由于該零件中間段回彈量最大，兩端回彈量均在0.3mm以下，所以本文僅針對(duì)模具中間段C處型面進(jìn)行了幾何補(bǔ)償。

圖11 補(bǔ)償方案示意圖

3 回彈結(jié)果分析與對(duì)比

    圖12為模具補(bǔ)償后得到的零件圖。將補(bǔ)償后得到的工件和理想工件進(jìn)行對(duì)比分析，在回彈嚴(yán)重的A端、B端和中間段C處，抽取了圖12中所示的7個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了回彈量測(cè)量。由圖可知，經(jīng)過模具補(bǔ)償后，A端和B端回彈量小于0.3mm，C處回彈量由0.67mm下降到0.127mm，工件的成形精度得到了明顯的提高，滿足了精度要求。

圖12 模具補(bǔ)償后的零件圖

    圖13為模具補(bǔ)償后截面Ⅲ－Ⅲ的回彈示意圖，由圖可知，模具補(bǔ)償后工件在截面Ⅲ－Ⅲ處的回彈量較小。為觀察截面Ⅲ－Ⅲ在模具補(bǔ)償前后的回彈量變化情況，沿補(bǔ)償截面選取16個(gè)參考節(jié)點(diǎn)(圖13)，對(duì)其補(bǔ)償前后的回彈量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖14所示。可以看出：回彈量從節(jié)點(diǎn)16到節(jié)點(diǎn)1回彈角度不斷增大，回彈量呈逐漸遞增趨勢(shì)，模具補(bǔ)償前截面Ⅲ－Ⅲ邊緣處(圖13中點(diǎn)1位置)的回彈量最大，約為0.67mm；模具補(bǔ)償后工件的回彈量均在0.2mm以下，且變化較平穩(wěn)，工件的成形精度較補(bǔ)償前得到明顯提高。

圖13 補(bǔ)償后截面Ⅲ－Ⅲ處的回彈示意圖

圖14 節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移曲線

4 結(jié)論

    (1)回彈分析采用靜力隱式算法，計(jì)算精度高，能夠準(zhǔn)確地模擬結(jié)構(gòu)件的回彈量。

    (2)板料在經(jīng)過卸載、切邊后產(chǎn)生了較嚴(yán)重的回彈現(xiàn)象，在板料的邊緣處回彈量較大，最大值達(dá)到0.67mm。

    (3)采用節(jié)點(diǎn)對(duì)稱的方法對(duì)模具進(jìn)行補(bǔ)償，使零件誤差由0.67mm下降到0.3mm，回彈量減少了近60%，滿足了零件的精度要求，驗(yàn)證了此回彈補(bǔ)償方法的可行性。