10.16638/jki.1671-7988.2018.21.028
何斌1，邢昌2
（1.安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230000；2.安徽工程大学，安徽芜湖241000）
摘要：为了解决金属板料成型中的弯曲回弹问题，文章利用Dynaform对U形件的成型过程以及产生的回弹进行模拟仿真分析，并从工艺参数、模具结构、弯曲件结构设计等方面得出控制与减小回弹的方法，为提高冲压件的质量、缩短产品开发周期以及回弹问题的控制与优化提供了参考和指导。
关键词：Dynaform；弯曲回弹；模拟仿真；U形件；回弹控制
中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)21-79-03
Springback Control And Optimum Design Based on Dynaform
He Bin1, Xing Chang2
（1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd, Anhui Hefei 230000;
2.Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000 )
Abstract:In order to solve the problem of bending springback in sheet metal of forming, Using Dynaform to simulate the forming process and springback of U-shape part, it comes to the method of control and reduce springback form the process parameters, tool structure, the structure of bending parts etc. And it provides a reference and guidance for improving the quality of stamping parts, shortening the product development cycle and controlling and optimizing the springback problem. Keywords: Dynaform; Bending Springback; Simulation; U-shaped part; Springback control
CLC NO.: U462 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)21-79-03
前言
随着汽车工业的发展以及轻量化技术的应用，高强度的冲压薄板件和铝合金板材的使用占比越来越高，而在这些冲压薄板件成型过程中，弯曲回弹的控制及攻关一直是炙手可热的课题。早期对于简单的结构和边界条件的弯曲成形通过理论分析和实验法开展，并不能满足现在各制造公司和汽车行业的需求。近几年来，随着有限元技术的发展，数值模拟方法已成为当今预测回弹的重要手段，它可以分析出板材成
型趋势、应力应变分布、厚度变化以及回弹量等情况，预测弯曲成形过程中发生的起皱、破裂、回弹等质量缺陷。该技术手段不仅有效缩短模具设计和汽车冲压件开发周期、提高产品质量和材料利用率而且可以降低制造成本。为了研究常用薄板材成型中的回弹问题及控制方案，本文利用数值模拟分析软件Dynaform对U形件进行仿真分析，并从工艺参数、模具结构、薄板件产品结构等方面分析验证控制与减小回弹的方法。
1 弯曲回弹的产生机理及评价标准
薄板件成型是在外载荷的作用下薄板件发生塑性变形和弹性变形过程，当外载荷去除时，塑性变形区的材料保存残余变形使零件成形，而弹性变形区材料的弹性恢复和塑性变形区材料弹性变形部分的弹性恢复使其形状、尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，该变化使零件材料内部应力分布不均匀从而导致回弹现象产生。
为了研究弯曲回弹现象及其产生的程度，通常采用截面法来衡量其大小，如图1所示。通过测量法兰和直壁的回弹角θ大小来研究回弹控制的方法。
作者简介：何斌，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
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汽车实用技术
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图1 回弹评价标准
2 弯曲回弹仿真模型建立
基于Dynaform的数值模拟仿真分析主要分三个步骤：第一步骤：弯曲成形的求解过程。利用三维建模软件如UG、Pro/E，CA TIA等，建好弯曲过程中的凸模、凹模、压边圈、以及板料三维模型，并转化为IG
ES文件，然后将IGES 文件导入Dynaform中，通过Dynaform的前处理模块进行网格的划分，工艺过程及相关参数的设置，并设置相应的求解参数进行求解，得到一个dynain文件；
第二个步骤：回弹模拟分析计算。将第一步中得到的dynain文件导入Dynaform中，然后通过Dynaform的前处理的相应模块进行回弹模拟计算，对材料的设置与第一步中材料设置一致，并且设置相应的求解参数进行回弹求解，得到一个Dynain文件，即得出板料回弹后的形状；
第三个步骤：利用截面法通过Dynaform后处理观察板料回弹前后的变化情况，测量出不同参数下的回弹角，然后进行比较得出相应参数对回弹的影响规律，从而得出相应的控制减少回弹的方法，其过程模型如下图2所示：
a) U形件几何模型b) U形件有限元模型c) U形件后处理分析模型
图2 仿真分析模型
3 回弹控制及优化方法
在薄板件成型中弯曲回弹的控制方法主要有两类：一类是制定合理的成形工艺措施，改变板料弯曲时的应力状态或使板料发生成塑性变形抑制回弹变形的发生；二类是通过优化模具型面或模具结构使冲压件过正成型，利用回弹规律使其卸载后的形状与期望形状相符或相近，本文以这两种方向和思路制定控制减小回弹的方法，并利用Dynaform进行仿真验证。
3.1 采用带有顶件器的模具
薄板材料在弯曲过程中凹模的板料是有一定的挠度，它在凸模圆角的曲率半径大于凸模的圆角半径，而通常弯角小于90°从而导致回弹相对有增加的趋势。如果凹模中增加顶件器（如图3所示），冲压件从压弯开始就被顶件器与凸模就夹住，可以防止了底部板料发生弯曲挠度的可能性，从而使板料在弯曲时其弯角和弯曲半径尽量与凸模尺寸一致。
图3 带顶件器的模具几何模型
对此，利用Dynaform分别对有顶件器和没有顶件器的模具进行回弹模拟，其结果比较图如图4所示。
图4 有无顶件器回弹比较图
（图中自上而下，分别为回弹前和有顶件器、没有顶件器的模具成
形后零件的截面形状）
从图4中可以看出，在模具中加上顶件器后，零件的回弹量减小。通过模拟验证了采用顶件器可以减小回弹的正确性，因此可以采用顶件器来控制减小回弹。
3.2 采用负间隙的方法
图5 采用负间隙成形后零件的厚度分部云图在薄板件成型过程中，板料与凸凹之间有间隙，当凸凹模间隙大于板料厚度时会引起板料的曲率半径大于凸模的圆角半径，而弯角小于90°，此时回弹较大；当凸
凹模间隙等于板料厚度时，板料的弯角和弯曲半径与凸模的尺寸一致，回弹稍小；当间隙小于板料的厚度时，凹模内侧壁与弯曲件之间会产生摩擦力，可以使板料变薄，如图5所示，从而使弯曲处的切向应力分布发生变化，使外层纤维完全进入塑性变形，可改善内层变形区的压缩回弹现象，从而减小回弹。该控制方法为负间隙法，通常负间隙值Z/2=（0.95-0.97）t （t为板材厚度）。利用Dynaform对U形件进行模拟仿真，分析其零部件厚度变化趋势以及回弹情况，选定合理的负间隙值。由于负间隙法会对零部件表面产生摩擦，影响表面质量，通常应用于表面质量要求不高的冲压件。
3.3 采用局部加压法
在板料成型过程中板料与凸模接触产生形变，依据板料受力情况，可以将凸模做成小平台刃口式，如图6所示，让板料先与凸模突出小平台接触，使成型力集中在较小的接触
何斌 等：基于Dynaform 的回弹控制及优化设计
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面上，提高单位面积受力，增大弯曲成形区的压应力，使外层材料由切向拉应力进入切向压应力，与内层材料相同，从而改变板料的应力应变情况，减小回弹。
图6 局部加压法的凸模截面形状
为了验证该方案的效果，通过Dynaform 模拟分析对比采用局部加压法和没有采用局部加压法成形后产生的回弹比较如图7所示。
图7 采用局部加压法和没有采用局部加压法回弹比较图
（图中自上而下分别为回弹前和采用局部加压法、没有采用局部加
压法成形的零件截面形状）
江淮汽车股份有限公司从图7中可以看出，采用局部加压后，零件的回弹角减小，说明采用局部加压法可以控制减小回弹。 3.4 采用加强筋
通常加强筋可以有效地改善板料在凹模的流动性，增大了板料的成形效果，使得角部内层压应力的作用区域向拉应力区转移，可以减小回弹，如图8所示。但不同的加强筋对回弹的控制作用不同，如果加强筋尺寸过大可能会出现拉裂的现象。因此需进一步研究了不同尺寸加强筋对回弹的影响规律，加强筋a 、b 、c 的半径R 分别为1mm 、0.5mm 、0.8mm 。
图8 带加强筋的U 形件CAD 模型
图9 有无加强筋的成形后的回弹比较
（图中自上而下分别是带加强筋a 、回弹前、带加强筋c 、带加强筋
b 及没有加强筋的U 形件截面形状）
通过Dynaform 进行回弹模拟分析后可以得出三种加强筋对U 形件的弯曲回弹有一定的影响，其回弹比较如图9所示。为了知道加强筋是否对U 形件产生缺陷，再利用Dyna
-form 的后处理功能得出带有三种加强筋的U 形件的成形极限图（FLD ）如图10所示。
从图9中可以看出，有加强筋的U 形件成形后的回弹比没有加强筋的小，而且加强筋为a 的回弹最小，加强筋c 次之，加强筋b 稍大些。但是从图10中也可以看出，带加强筋a 的U 形件在凸缘与侧壁交汇区域有明显的起皱缺陷，而带加强筋c 的U 形件也有起皱的现象，但比带加强筋a 的U 形
件轻一些，带加强筋b 的U 形件的几乎没有明显的缺陷。因此，综合考虑，采用加强筋c 的尺寸可以在保证U 形件的一定表面质量的前提下有效地减小回弹的发生。
(a)带加强筋a 的U 形件 (b)带加强筋b 的U 形件 (c)带加强筋c 的U 形件
图10 三种加强筋的U 形件的成形极限图（FLD ）
4 结论
通过对U 形件的弯曲成形的理论分析研究，建立了U 形件的有限元模型，并从工艺参数、模具结构、弯曲件结构等方面上得出控制减小回弹的方法，如采用局部加压法、负间隙的模具、带有顶件器的模具、在弯曲上压加强筋等。利用板料成形分析软件Dynaform 对其进行成形过程及回弹的模拟仿真，验证了所得出控制减小回弹方法的可靠性，为后期弯曲件结构设计和弯曲模具结构设计提供了参考，具有指导性意义。
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