汽車沖壓件回彈補(bǔ)償

1、汽車沖壓件回彈補(bǔ)償及其預(yù)測徐四光，趙坤明，Terry Lanker, Jimmy Zhang and C.T. Wang摘要：為了減輕汽車重量和提高燃油經(jīng)濟(jì)性，越來越多的汽車沖壓件采用鋁合金和高強(qiáng)鋼來制造。這樣的材料在成形接觸時不僅降低了可成形性，而且存在尺寸質(zhì)量問題。在模具開發(fā)、制造、調(diào)試中主要的挑戰(zhàn)是回彈預(yù)測的準(zhǔn)確性和補(bǔ)償?shù)挠行?。本文討論了影響回彈?zhǔn)確性的因素。其中包括：材料模型的影響、選擇元素的大小和接觸算法。對一些汽車鋁合金和高強(qiáng)鋼沖壓件的回彈補(bǔ)償和測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，實(shí)例表明：回彈的趨勢和幅度與預(yù)測的數(shù)據(jù)一致。回彈對最終產(chǎn)品的影響可以通過工藝控制和模面補(bǔ)償來得到減小或消除。工藝控制

2、的方法涉及到發(fā)現(xiàn)回彈的起因，并通過工藝調(diào)整消除它們。模面的幾何補(bǔ)償是一種消除回彈影響的直接方式。對于產(chǎn)品上較小部分的回彈，全局比例回彈補(bǔ)償方式通常是局限的。用一種新的方法對大的回彈和扭曲進(jìn)行了討論，其中考慮了變形和回彈歷史的影響。該補(bǔ)償是通過求解非線性方程的系統(tǒng)迭代地實(shí)現(xiàn)。生產(chǎn)中模具加工成補(bǔ)償后的模面，這表明該模具的補(bǔ)償是一種有效的方法，以減少回彈引起的幾何偏差。1 前言隨著鋁合金和高強(qiáng)鋼（HHS）在汽車工業(yè)大量應(yīng)用（以滿足燃油經(jīng)濟(jì)性和安全要求），提出了一個具有挑戰(zhàn)性的問題：板料成形數(shù)值模擬。也就是準(zhǔn)確的預(yù)測回彈和補(bǔ)償，低楊氏模量的鋁和高屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)鋼在成形后往往會造成較大的回彈，導(dǎo)致已成型

3、部分尺寸偏差不同于設(shè)計時的形狀?；貜椧彩怯绊懜采w件表面質(zhì)量的主要因素。提高回彈預(yù)測精度是許多研究者和軟件開發(fā)的焦點(diǎn)。這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展已使回彈分析更快更可靠。回彈分析已變成汽車行業(yè)的CAE工程師在板料成形分析時的常規(guī)流程。本文將簡要回顧一些影響回彈分析精度的因素。將通過討論一個汽車面板模面回彈補(bǔ)償實(shí)例來說明回彈的減少和校正方式。該實(shí)例說明：計算機(jī)仿真有很多方法可以解決回彈問題，來滿足零件尺寸公差要求,減少模具調(diào)試次數(shù)。2 回彈預(yù)測回彈是一個塑性恢復(fù)過程，它發(fā)生在塑性變形的端部（其可造成局部方向塑性變形）。除了對產(chǎn)品幾何形狀的影響,回彈模式和規(guī)模主要取決于沖壓后產(chǎn)品面上的應(yīng)力水平和分布。因此成形

4、模擬是一個重要的影響因素對于回彈模擬質(zhì)量。然而成形模擬由許多因素決定。其中包括有限元制定和建模，工具和面接觸、板材模型、摩擦模型和解決方案算法。汽車沖壓件具有復(fù)雜的幾何形狀，板料和工具之間的接觸是至關(guān)重要的，以避免在數(shù)值模擬時人工穿透和不正確的接觸力1。正確的接觸要求:*接觸的工具網(wǎng)格無間隙、重疊和重復(fù)的實(shí)體，相應(yīng)工具網(wǎng)格半徑（在90度的彎曲半徑至少8個單元）*適當(dāng)?shù)某跏及辶蠁卧叽绾妥赃m應(yīng)精度（最少4個單元在一個半徑周圍）。如果可能話，好的一致性的網(wǎng)格應(yīng)該增加接觸的平滑度和面的光順性。*通過足夠的積分點(diǎn)數(shù)在板材厚度方向上，以充分捕捉彎曲應(yīng)力（在變薄的區(qū)域最少7個積分點(diǎn)，在增厚區(qū)域增加積分點(diǎn)）

5、*適當(dāng)?shù)姆抡嫠俣群推渌麛?shù)值參數(shù)）作為一個例子，圖1和表1示出了高強(qiáng)鋼部分的回彈預(yù)測。它表明，具有自適應(yīng)網(wǎng)格的仿真低估了回彈量，而一致性的網(wǎng)格可以改善回彈預(yù)測值2mm， 這種情況下很顯著。表1.測量和預(yù)測點(diǎn)位置測量值（mm）LS-DYNAPAM2G自適應(yīng)單元格均勻單元格均勻單元格11079102523335344圖1 強(qiáng)化的高強(qiáng)鋼車身結(jié)構(gòu)板材和工具之間的正確的接觸是應(yīng)力計算的根本基礎(chǔ)，為了改善接觸的平滑度，CAD工具表面可直接用于計算接觸代替工具網(wǎng)格6。然而，這需要更長的計算時間和比正常模面工程質(zhì)量要求高得多的CAD曲面。在模具設(shè)計階段，創(chuàng)建這樣高品質(zhì)的表面需要更多的工作和時間。另一種方法，重新

6、構(gòu)造一個僅基于工具網(wǎng)格模型的接觸表面以創(chuàng)建一個更好的接觸進(jìn)行運(yùn)算，對一個簡單的表面進(jìn)行變換比重新重建一個完美的CAD表面用的功夫少的多。在有限元分析中使用的材料型號的材料響應(yīng)在塑性變形是特征化的。屈服函數(shù)決定屈服軌跡的形狀，同時硬化規(guī)則決定屈服面的變化。由于不同材料在塑性變形過程中的行為不同，已提出大量的硬化法則和屈服函數(shù)試圖捕捉材料的各向異性、運(yùn)動學(xué)硬化效應(yīng)、以及微觀組織演變效果的細(xì)節(jié)7-12。同時提高模型的回彈預(yù)測，材料參數(shù)的確定涉及到使用專門設(shè)計的設(shè)備對大量模型進(jìn)行廣泛的測試和數(shù)據(jù)處理。到現(xiàn)在為止，還沒有統(tǒng)一的工業(yè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及用于鋼和鋁生產(chǎn)商提供這些材料參數(shù)到最終用戶的要求。因此，傳統(tǒng)的

7、Hill屈服準(zhǔn)則和拉伸試驗(yàn)直接得到的現(xiàn)實(shí)硬化曲線仍然被廣泛用于鋼和鋁的成形和回彈分析。在這種情況下，CAE工程師的技能和知識是得到可靠的成形和回彈的結(jié)果的關(guān)鍵。為了捕捉模擬中一切可能的回彈模式，尤其是扭曲，一個完整的模型應(yīng)考慮代替對稱部位中的一半模型。用相當(dāng)于拉延筋力的約束來代替真實(shí)拉延筋，來反映由于彎曲和矯直材料產(chǎn)生的硬化效應(yīng)，得到強(qiáng)化的效果。對于柔性部件（主體封閉零件），觀察到在回彈分析中重力是捕捉零件下垂和誘導(dǎo)回彈的一個重要因素。在隱式回彈分析中，通常使用位移收斂準(zhǔn)則。然而，收斂公差的選擇通常基于應(yīng)用工程師的經(jīng)驗(yàn)。可以發(fā)現(xiàn)除了位移收斂測試，殘余應(yīng)力也應(yīng)視為收斂測試標(biāo)準(zhǔn)?；貜椨嬎愫蠓植嫉臍?/p>

8、余應(yīng)力低表明，已經(jīng)正確釋放不平衡應(yīng)力和應(yīng)用的約束機(jī)制已經(jīng)足夠。否則回彈計算結(jié)果應(yīng)重新評估。3回彈減少及補(bǔ)償回彈發(fā)生拉伸、修剪和翻邊工序后，零件中有不平衡的殘余應(yīng)力存在。回彈的影響導(dǎo)致零件的幾何尺寸與設(shè)計尺寸有偏差。因此，在補(bǔ)償后的拉伸零件可能不適合后期修邊工序，也可能不適合后期翻邊工序，導(dǎo)致最終成品零件可能不能滿足產(chǎn)品的標(biāo)稱形狀。在過去，回彈補(bǔ)償是在手動完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行嘗試和試錯。由于缺乏準(zhǔn)確的回彈預(yù)測，該過程花費(fèi)了很長一段時間。這可能會妨礙整車項(xiàng)目的進(jìn)度。最近改善的回彈預(yù)測方法使得回彈補(bǔ)償能夠應(yīng)用在整車開發(fā)的模具設(shè)計階段。有兩種方法來解決回彈問題。一個是力學(xué)系回彈還原（MBSR）和基于其他幾

9、何回彈補(bǔ)償（GBSC）1。對于每一個特定部分，所述MBSR方法是不同的基礎(chǔ)上產(chǎn)品的幾何形狀、工藝補(bǔ)充面的開發(fā)及模具開發(fā)的過程。通常使用的方法包括添加合適的產(chǎn)品特性（添加標(biāo)定、加強(qiáng)卷邊、偏移等）來穩(wěn)定零件的形狀、改變模具工藝、以平衡壓邊力、變形的方式和工程中二維關(guān)鍵區(qū)域一定程度的塑性應(yīng)變，以減少彎曲和扭曲回彈（通過增加拉伸筋和不同的彎曲半徑）。圖2示出拉延筋對高強(qiáng)鋼汽車部件回彈的效果。該零件沒有拉裂和皺紋，因此沿所述部件的側(cè)面無需添加拉延筋。然而在修邊部分相對標(biāo)稱形狀偏離20毫米并且發(fā)生嚴(yán)重的扭曲。在添加拉延筋后，特別是在沿側(cè)邊的扭轉(zhuǎn)位置，扭轉(zhuǎn)回彈消失，并且修邊部位的最大偏差在1毫米內(nèi)。在凹模方

10、向14mm的回彈 拉延筋 有拉延筋A(yù)-A剖面黑色：標(biāo)稱模面紅色：補(bǔ)充后模面與拉延筋 藍(lán)色：無拉延筋的補(bǔ)償后模面 對于一些鋁，沖壓成形不僅可以提高可成形性，而且顯著減少退火過程的回彈。圖3所示為有或無退火情況下的回彈分布，其最初設(shè)計為鋼。鋁在退火后，回彈可減小到類似于鋼制發(fā)動機(jī)罩的大小，因此相同的發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板可用鋁來制造。退火后回彈2.5mm不退火回彈8.8mm圖3退火對回彈的影響該GBSC是標(biāo)稱模具的幾何形狀的變形，使得在成形工序之后零件的回彈補(bǔ)償后形狀同設(shè)計形狀相匹配。幾何補(bǔ)償可以對整個模面或局部重點(diǎn)區(qū)域模面進(jìn)行補(bǔ)償。GBSC的普遍做法通常包括：1）基于該模面的標(biāo)稱模面進(jìn)行成形和回彈計算，2

11、）用選定的全局縮放因子修改模面，其中基于線性擴(kuò)展的回彈位移矢量的模面補(bǔ)償，3）基于所述補(bǔ)償模面的成型和回彈計算。4）第3步回彈補(bǔ)償后的形狀和標(biāo)稱零件形狀進(jìn)行比較。如果不滿足尺寸公差，將需要從第1步迭代到第4 步。對于具有相對較小彈性變形恢復(fù)量的零件，全局縮放補(bǔ)償方法可以多次迭代后補(bǔ)償模面。經(jīng)補(bǔ)償?shù)哪Ｃ嫱ǔ？梢孕纬蓾M足尺寸公差要求的部件。圖4a.鋁行李箱蓋測量位置行李箱測量點(diǎn)距離標(biāo)稱模面值圖4b依據(jù)標(biāo)稱形狀補(bǔ)償前和補(bǔ)充后的幾何偏差圖4a和4b示出了鋁行李箱蓋內(nèi)板基于全局縮放方法模具補(bǔ)償技術(shù)的基準(zhǔn)問題1的應(yīng)用方法。進(jìn)行對全局范圍因子五次迭代調(diào)整后，某些局部區(qū)域的補(bǔ)償仍不能滿足公差的要求。需要對這些

12、區(qū)域的拐角處進(jìn)行額外的手動補(bǔ)償。圖4b示出了CMM檢查前和補(bǔ)償后的部分結(jié)果。結(jié)果表明，大多數(shù)回彈在整流罩區(qū)域被補(bǔ)償（點(diǎn)1-7），而水下降區(qū)域（分10-18）附近超過4毫米偏差減小到1.7毫米。隨著模面的變化回彈模式和大小非線性地變化。對于大的回彈或扭曲的問題，上述的線性縮放方法未必能滿意地補(bǔ)償模面，即使經(jīng)過多次迭代以。為了更有效地進(jìn)行模面補(bǔ)償，下面的函數(shù)可以定義為： (T , F , M ) = ABS ( P T S )其中，P是名義形狀，T表示工具表面和S回彈向量。F的形成條件向量（潤滑條件，壓邊力，拉延筋阻力，壓邊圈行程等），而M是材料性能矢量參數(shù)。等同于找到了以下問題的模面補(bǔ)償?shù)慕鉀Q方

13、案：min(T,F,M)如果假定材料特性和成形條件在成形過程中不變，上述最小化問題成為找到非線性方程組的在以下系統(tǒng)的解決方案。 / T = 0找到一個對于這種高度非線性方程系統(tǒng)的解決方案并不簡單。它包括制定適當(dāng)?shù)哪Ｃ孀兓?、仿真流程自動設(shè)置、自動多迭代成型和處理回彈結(jié)果的方法。最近LSTC軟件技術(shù)公司采用了類似的方法（雖然他們還沒有公布技術(shù)細(xì)節(jié)），開發(fā)了基于LS-DYNA的模面補(bǔ)償模塊。用LS-DYNA模面補(bǔ)償模塊對幾個模面補(bǔ)償實(shí)例應(yīng)用已經(jīng)證明，與線性補(bǔ)償方法和彈簧接觸方法相比，這個方法是更有效的。圖5示出在圖中所示的高強(qiáng)鋼零件的補(bǔ)償結(jié)果。1. 在圖中只示出一個部分。經(jīng)過使用LS-DYNA模面模

14、塊補(bǔ)償后，對得出的最大偏差3次迭代后，產(chǎn)生的模面在標(biāo)稱形狀（修邊后）0.2毫米內(nèi)。依據(jù)標(biāo)稱模面補(bǔ)償?shù)幕貜椈貜椦a(bǔ)償后形狀補(bǔ)償后模面形狀標(biāo)稱模面形狀圖5.應(yīng)用LS-DYNA模面補(bǔ)償模塊剖面的非線性補(bǔ)償結(jié)果4總結(jié)模面補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是對回彈預(yù)測的準(zhǔn)確性。為了獲得可靠的回彈預(yù)測，要注意所討論的因素。雖然對于大多數(shù)汽車沖壓件，目前的回彈預(yù)測只能達(dá)到70-80的準(zhǔn)確度。基于有限元分析的模面補(bǔ)償技術(shù)可以顯著減少回彈導(dǎo)致幾何偏差，并有助于提高汽車行業(yè)鋁和高強(qiáng)鋼的應(yīng)用。致謝筆者感謝Vagish霍斯科泰先生在回彈分析上為本文做出的貢獻(xiàn)。我們還要感謝對本文的討論和建議的所有模具工程分析部的同事。引用1. C.T. Wan

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