板料成形回弹特征及其控制技术

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2008年第6期
如图10，对板料的弯曲部位进
图6 变整体拉延成形为先部分弯曲成形后部分拉延成形的回弹抑制算法
图4 内侧圆角半径R硬化方法
这种方法对于二维形状简单的 行局部的淬火和回火处理，降低屈
度又要具有弹性的成形件产品不适 产品有效，对于三维形状的复杂产 服点，进而达到消除回弹之目的。
用。
品有时会产生不合格的效果，要注 2.10 冻结形状技术
如图4，从弯曲部位的内侧进行 压缩，以消除回弹。在板材U形弯 曲时，由于有两侧对称弯曲，采用 这种方法效果比较好。L形弯曲时， 一般面部分的材料压料力变弱，有 时会产生尺寸变差。从形状判断， 弯曲部位压力弱。对于既要保证强
弹抑制方法对于越厚的板材效果越 好。 2.5 变整体拉延成形为部分弯曲成 形的回弹控制方法
如图6，把整体拉延成形（设整 体拉延深度为90 mm）的Ａ部（设为 60 mm）采用弯曲成形，消除板外侧 和内侧的应力差，剩余30 mm凹模的 B部，再通过拉延成形以减少回弹。
前提下，改变产品形状，增加加强 筋，可以控制和改善回弹。 2.8 负回弹方法
如图9，在加工工具表面时，设 法使板料产生负向回弹。上模返回 后，制件回弹，通过负回弹和回弹 而达到要求的产品形状。 2.9 淬火、回火抑制回弹方法
Crutonite合金
伊顿公司与一家特种金属材料研究公司共同开发的Crutonite气门材料具有全新的特性。其具有出色的耐高温、耐磨和高强 度的特性，特别适用于高性能柴油发动机和未来乘用车发动机更为复杂的燃烧环境。虽然这种新合金的性能表现和宇航超级耐 热合金相当，但镍类的特种金属使用量很少。
PACE：汽车供应商杰出贡献奖，由美国汽车工程师协会和美国汽车新闻共同评选。
法。U. Abdelsalam等学者还提出了 采用一步成形算法模拟冲压成形过 程，再用隐式算法计算卸载回弹过 程，并应用该算法模拟了3个复杂冲 压件的卸载回弹过程，这种算法的 模拟精度虽然不高，但计算速度很 快，可以为模具在设计阶段提供一 个定性的参考方案。T. C. Hsu等学 者采用隐式TL（Total Lagrangian） 算法，引入Hill二次方屈服函数模拟 了轴对称问题的冲压成形和回弹过 程。M. Kawka等学者采用静态显式 有限元（实际上也是隐式算法）算 法软件ITAS3D模拟了轿车顶盖和轮 毂的多阶段成形过程，以及卸载回 弹和切边回弹过程，并与试验结果 进行了比较。
下面针对不同的回弹机制，介 绍几种抑制回弹的具体方法和策 略。 2.1 局部压缩减小回弹方法
如图2，利用压缩工艺在弯 曲部位压缩板料外侧（将板料在 该部位压缩到大约使厚度减小 5%~30%），且不让弯曲内侧变 化。这种“局部压缩”的工艺策略是利 用了弯曲部位压缩板料外侧减薄导
致板料局部强度降低的有利因素。 a部分（外侧弯曲R）不可与弯
的一个基本参数。在大多数板材冲 压成形中，强烈的非线性变形过程 致使板料产生很大的弹性应变能， 在模具与板料动态接触过程中存在 于板料中的这种弹性应变能会随着 接触压力的消除而自动释放掉，回 弹的驱动力一般是朝着板料原始形 状变形。因此，冲压成形中的最终 产品形状不但依赖于凹模形状，而 且依赖于成形后存储在板料中的弹 性应变能。弹性应变能与许多诸如 材料特性、接触载荷等参数有关， 因此在成形过程中预测回弹变得很 复杂，这也就给那些必须精确评估 回弹量的设计者提出了很重要的问 题。
以上这些对于回弹的研究只限 于理论方面，其与实际试验的对比 验证还鲜有涉及。对于如何补偿所 产生的回弹及所谓的回弹控制在试 验方面的验证尤其对于新型的高强 度材料研究甚少。本文将从这方面 着手进行回弹控制的研究。
事实上，克服回弹缺陷的方法 有很多。一是要在工艺条件允许的 前提下，设法将回弹控制在尽可能
偿。
凸包形状（圆形
2.4 硬化加工法
凸包），在后道
如图5，使弯曲工具的侧壁翘 工序时再消除增
曲，在钢板上留下硬化筋（TYPE- 加的形状，使材
图7 消除残余应力的局部处理方法
A~C）的痕迹。
料内的残留应力平衡发生变化，以消 变平回弹，在边缘里面部位产生皱
硬化筋要用在非变薄面上，注 除回弹。 意打痕。由于硬化筋会划伤产品， 2.7 加强筋冻结形状方法
是比较有效的。
2.11 焊接工序配合消除回弹技术
如图12，利用焊接工序消除回
弹影响，首先要求焊接工序指定出
图5 工具侧壁翘曲并施加侧壁刀花的硬化加工法
点焊顺序，目的是保证有回弹或者
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图8 利用加强筋冻结产品形状抑制回弹方法
曲内侧的弯曲R同心，由于外侧与 内侧的弯曲半径不同心且有所稍稍 偏移，有利于外侧部分压缩板料减 薄。如果偏移过大，会发生不该产 生的变形（如图2c）。 2.2 一道工序分2段弯曲方法
如图3，将一次拉延弯曲成形 分成2段弯曲成形，以此消除回 弹。第一段弯曲采用大间隙（板厚 1.15~1.3倍）加工。由于间隙大， 板料倾斜，模具的弯曲半径也大， 使板料大致弯曲。第二阶段的弯曲 是将第一段弯曲的大弯曲半径R整形 到小弯曲半径r。第一阶段变形的间 隙要从最初的小间隙开始调整，根 据控制回弹的效果而逐步放大。
上述回弹控制的成形加工方法 普通金属板材。由于回弹与翘曲量 回弹加工型面的补偿技术将是未来
基本上能够处理相对简单覆盖件回 很大，常规的回弹控制技术往往难 从根本上解决回弹控制和加工精度
弹模面设计问题。但是对于复杂成
于消除回弹以及回弹带来的制造误
问题的重要途径。
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获2008 PACE大奖产品
“绿色逻辑”油漆
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小的范围内；二是如果实在回弹量 很大且难以控制（如轻量化的高强 钢板成形回弹问题），就必须借助 于计算机仿真和试验相结合的办 法，通过回弹补偿技术重新构造加 工型面，以确保加工精度。此外， 温控成形技术也是有效抑制甚至消 除回弹的有效方法之一。本文主要 介绍减小回弹的控制技术。
近40年来，有许多研究人员 一直在对回弹行为进行着研究，并 提出了很多解决方法和计算机仿真 算法，发表了大量相关论文。就有 限元仿真方法而言，在众多仿真算 法模拟应用中，采用显式算法模拟 成形过程，用隐式算法模拟回弹过 程的方法最多；其次是冲压成形和 卸载回弹过程都采用隐式算法。而 G. Y. Li等学者提出一种新算法，冲 压成形和回弹过程全部采用显式算
为了减小弯曲变形产生的回 弹，应该在工艺条件允许的前提 下，尽可能选择屈服应力小的材
（a）拉伸卸载的应力应变曲线
（b）板材弯曲后的卸载回弹特征
图1 回弹特征
料。高强度钢板的屈服应力明显高 于普通金属板材，这类材料的回弹 量往往很大。成形板材的厚度对弯 曲回弹影响也很大，通常，板越 厚，回弹量越小。此外，工具角部 的弯曲半径对回弹影响也不可忽 视，弯曲半径越小，成形卸载后的 回弹量越小。因此，在板材可成形 性允许条件下，应尽可能减小模角 半径。
纹，这是由于弧长a和弧长b(如图 11b)之间的长度差而造成的。
因此要根据产品注意选择。这种回
如图8，不改变原产品功能的
如图11b，由于弧长b比弧长a更
短，进而产生堆料（边缘部）产生象，可以考虑
设法消除弧长a和弧长b的长度差，
如图11c，追加使弧长一致的形状筋
另外，还可以变化S（圆角R处 意选择产品。 的厚度变化量）的尺寸来调整回弹 2.6 消除残余应力方法
如 图 11 a ， 板 料 弯 曲 变 形 没 有 达到正确的曲率，外侧产生拉应力
量。往往由于压缩圆角R使得翼面长
如图7，拉延
度而稍微变化，对于翼面高度容差 成形时在工具的
小的产品，有时需要展开长度的补 表面增加局部的
预测在第二阶段弯曲变形时， 由于采用小间隙容易产生“拉毛现象”
(a)
(b)
(c)
图2 板料局部压缩减小回弹
图3 一道工序分2段弯曲方法
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（模具磨损而导致制件拉毛），为 了消除“制件拉毛”，模具的凹模有时 需要采用表面硬化处理。 2.3 内侧圆角R硬化方法
2 回弹控制技术
为了避免回弹补偿带来的冲压 模面设计的困难，对于许多成形问 题，首先希望利用回弹的控制技术 来尽可能地消除回弹。在本文中， 首先分门别类地介绍回弹特性和控 制方法。
所有由弯曲产生变形的金属板 材成形过程的表征是，由弹塑性材 料特性引起的板材厚度方向不均匀 的位移分布而导致回弹现象的产 生。当某一冲压件成形完毕，即在 成形步骤的结尾，板材体积内存在 着残余应力，这些残余应力与工具 的接触力相平衡。当工具被释放， 就是把成形件从模具上卸下时，板 材将寻找新的平衡位置，局部残余 应力被释放，导致成形件的最终尺 寸与预期值存在一定的偏差，即回 弹现象的产生。也就是说，回弹主 要是由于弯曲部位外侧（拉伸）和 内侧（收缩）的应力差而引起的。 因此，为了减少弯曲变形的回弹， 可以考虑给弯曲部位施加外力以消 除应力差。但是，因产品形状和模 具结构等而采取的方法有所不同。 图1a给出板材拉伸卸载的应力应变 曲线，图1b给出板材弯曲后的卸载 回弹特征。
图9 负回弹
图11 冻结形状技术
图10 通过在弯曲部位进行淬火与回火处理抑制回弹
回弹量大的部位先焊。此外，在焊 形 覆 盖 件 ， 特 别
接工序中要追加强制夹紧及克服回 是 新 型 轻 量 化 板
图12 焊接工序配合消除回弹技术
弹的强制加强板。
材如高强钢板，屈服极限远远高于 差。基于回弹仿真和试验相结合的