汽车高强板冲压成形的回弹补偿研究

汽车高强板冲压成形的回弹补偿研究
摘要：回弹问题一直是汽车高强板冲压成形中的一大难题，而回弹补偿是控制回弹量的一种有效途径。

本文以某汽车高强板零件为例，进行全工序仿真模拟和回弹分析，利用位移回弹补偿原理对拉延型面和整形型面进行回弹补偿，并将回弹补偿后的工艺数模再次进行回弹分析，验证回弹补偿结果是否满足设计产品的精度要求，为控制汽车高强板冲压成形的回弹提供依据。

关键词：高强板；回弹补偿；位移；Autoform；ThinkDesign
1 引言
近年来，出于安全性、经济性和环保性的考虑，车身轻量化逐渐成为汽车工业发展的趋势之一，高强度钢板越来越广泛的应用在汽车车身制造中[1]。

然而，较普通钢板而言，高强板较低的断面收缩率以及较高的屈服强度，使得生产中容易产生回弹、破裂等成形缺陷[2]。

尤其是回弹问题，在相同条件下，高强板比普通钢板的回弹更为严重。

如何有效的控制高强板的回弹，成为冲压成形领域的一大难点。

传统的模具设计补偿方法是在模具车间现场试模实施，再通过人工手动修模得以实现，修改模具型面的次数较多，增加了模具的试模次数，模具的设计和制造周期长。

采用CAD 软件手工修改模具型面，整个修改过程不仅费时耗力，而且修改后的模型曲面质量也不好[3]。

本文利用了位移回弹补偿原理，通过Autoform软件对某汽车高强板零件进行全工序模拟，分析各工序的回弹仿真结果，运用ThinkDesign软件中的GSM（Global Shape Modeling)功能对拉延型面和整形型面进行回弹补偿，将回弹补偿后的工艺数模再次运用Autoform进行回弹仿真分析，验偿回弹补偿结果是否满足设计产品的精度要求。

2 位移回弹补偿原理
2.1 位移回弹补偿流程
位移回弹补偿的模具设计方法就是利用有限元数值模拟计算回弹，然后在预估有回弹的区域作出反方向的补偿值，使零件成形后的反弹正好与补偿值抵消，从而得到合格产品。

具体流程如图1所示。

图1 位移回弹补偿流程图
2.2 几何补偿算法[4]
在板料的有限元分析中，可以将成形零件离散成有限个单元，假设理想零件形状R是由n个节点构成的单元集合R3，回弹形状为S，即
R=｛r i︱r∈R3，1≤i≤n}
S=｛s i︱s∈R3，1≤i≤n}
对于节点i，回弹后形状由r i变成s i，补偿后形状C为
C=R+α(S-R) ≈c i=ri+α(s i-r i) （α为补偿因子）
对补偿后的工艺数模重新进行全工序模拟和回弹模拟，直到找到合适的补偿因子，当满足形状偏差ε时，回弹补偿过程结束。

‖S t-R‖max<ε
3.全工序数值模拟与回弹补偿案例
3.1零件工艺数模及相关参数
冲压零件工艺数模如图2所示，材质为SSAB_Docol_600DP高强钢板，厚度为1.8mm，表1为其材料性能参数。

图2 零件工艺数模
表1 材料性能参数
3.2 Autoform全工序冲压及回弹结果分析
本零件的冲压工艺共有3个工序，分别是OP10拉延、OP20修边冲孔和OP30翻边整形。

由于此零件是对称件，为了便于计算，板料取一半加对称进行计算。

图3所示为拉延后零件的成形极限图，可以看出零件拉延结果比较理想，可以继续进行后序和回弹的模拟。

图3 拉延成形极限图
图4所示为零件修边后与产品比较得到的自由回弹云图，图中黑色圆圈标注位置回弹现象较为严重，最大回弹量达到1.42mm，超过了±0.7mm的零件型面公差要求。

图5所示为零件翻边整形后与产品比较得到的自由回弹云图，图中黑色圆圈标注位置的回弹现象较为严重，此回弹主要是由整形造成的。

图4 修边后回弹云图图5 翻边整形后回弹云图
3.3 运用ThinkDesign进行回弹补偿并验证补偿结果
首先根据修边后的回弹仿真结果在拉延型面上进行回弹补偿，将Autoform中的回弹前后的网格用.af的格式输出，导入到ThinkDesign软件中，计算出回弹前后网格节点对应的距离，运用GSM功能，将原始型面的节点位移反向减去对应节点的回弹量×补偿因子α，我们取α=1，即按1：1的比例得到补偿点的位置，然后利用曲面光顺原理将离散的补偿点处理成光顺的补偿面。

图6所示为参照修边回弹结果得到的拉延型面补偿云图。

将ThingDesign
中生成的回弹补偿面导入到Autoform中重新进行全工序和回弹模拟。

图7所示仅补偿拉延序算出的最终回弹结果，从图中可以看出，除黑色圆圈标注区域外，其他区域的回弹量都在零件型面公差要求内。

因为黑色圆圈区域的回弹是由整形造成的，所以需要对整形型面进行回弹补偿。

图6 拉延型面补偿云图图7 仅补偿拉延序算出的最终回弹结果根据拉延补偿的回弹仿真结果，取补偿因子α=1，运用ThinkDesign软件对整形型面做回弹补偿，如图8所示为整形型面补偿云图。

同样，将ThingDesign中生成的回弹补偿面导入到Autoform中重新进行全工序和回弹模拟。

图9所示为整形补偿后的最终回弹结果，从图中可以看出，整形区域的回弹量得到了很好的控制，而且整个型面的回弹量都在零件型面公差要求内，因此，不需要再次进行回弹补偿处理。

最后，将ThinkDesign补偿后生成的型面输出，得到最终的工艺数模。

图8 整形型面补偿云图图9 整形补偿后算出的最终回弹结果
4.结论
本文以某汽车高强板零件为例，利用位移回弹补偿原理，通过板料冲压CAE软件Autoform对板料全工序和回弹模拟，对回弹结果进行分析，并结合CAD软件ThinkDesign 对拉延型面和整形型面进行补偿，并将回弹补偿后的工艺数模再次进行回弹分析，最后回弹量都控制在零件型面公差之内。

采用这种回弹补偿方法，既保证了零件本身曲面的质量，又提高了回弹补偿的准确性，对于缩短模具开发周期和提高产品质量起到一定的作用。

参考文献
[1] 马衍伟，王先进.我国汽车用钢板的现状和发展[J].汽车技术,1998(1):26-29.
[2] 韩俊，詹捷，罗静.高强板成形回弹控制方法研究[J].机械工程师,2009(8):25-27.
[3] 何金彪.基于ThinkDesign回弹补偿功能的模具设计[J].CAD/CAM 与制造业信息化，
2009(12):44-45
[4] 谢晖，潘志红，洪健程，等.高强钢板冲压全工序回弹补偿研究[J].模具技术，2012(5):
1-5.。