2020年17期
工艺创新
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
黄能会1，周均涛1，张军建2
（1.湖北文理学院理工学院，湖北襄阳441053；2.襄阳汽车职业技术学院，湖北襄阳441021）
随着汽车工业的快速发展，汽车数量的增加影响着大气污染的环境问题。为减少污染物排放、降低汽车能耗，实
现汽车的可持续发展。同时，人们生活质量的提高对汽车在
碰撞后能保护乘客等安全性能上的要求越来越高，为了实现保证安全性能的同时减轻汽车的重量，采用新型的高强度钢板代替普通钢材已成为发展趋势[1]。冲压作为汽车制造过程中四大工艺的最前工序，其
成形结果对后续加工和装
配起着非常大的影响作用。在板料成型过程中，尤其是高强
度钢板，容易出现如破裂、起皱、回弹等缺陷[2]。而回弹是高强度钢板板料成形过程中最为复杂的问题[3]。回弹问题的不解决好，对后续制件的装配和实用性能会影响很大。
1高强度钢回弹
我国汽车工程学会产业研究院根据力学特性，把屈服强度在210~550MPa 和抗拉强度在270~700MPa 的钢为高强钢，而屈服强度大于550MPa 和抗拉强度大于700MPa 的钢为超高强钢。板料在冲压过程中受到外力作用就会发生弯曲，有弯曲就一定有回弹现象发生，板料在发生弯曲过程中，其弯曲的内表面受压应力，外表面受拉应力，应力状态不一致导致板料所受屈服应力不一样，当外力移除后，弹性
变形区因回复而引起回弹。因此，掌握高强度钢板冲压成形
技术是我国当前汽车零部件制造行业急需解决的问题。
2有限元分析方法
高强度和超高强度钢板在汽车工业中的应用越来越普遍，回弹产生的问题也越来越制约着高强度钢在汽车行业中的应用，精确的回弹分析预测和有效的补偿控制在当前也越来越重要。随着借助软件进行计算机辅助分析（CAE ）的日趋成熟，板料成形理论的逐步完善，结合CAD 技术，CAE 技术得到了广泛的应用，同时，对于提高产品的精度、
缩短模具开发的周期、降低模具制造的成本等都达到了很
多企业的认可。利用CAE 软件对冲压全过程进行有限元模拟，设置合理的参数，结合实际模具冲压产品进行物理实验对比，就能够很好的利用好这个工具，为冲压模具制造作前期服务。
2.1DYNAFORM 回弹计算方法
本论文借助板料成形软件DYNAFORM 对零件的成型过程进行冲压模拟，DYNAFORM 软件是美国ETA 公司推出的针对板料成形数值模拟的专业化软件，目前已被世界各大汽车、钢铁等单位广泛应用。DYNAFORM 软件是利用LS-DYNA 求解器对板料实现精确成形与回弹预测、回弹补偿等仿真分析，该软件包含隐式求解和显式求解两种求解方式，其中隐式求解存在迭代计算收敛性的问题，计算时可用较大的时间步长；显式求解没有收敛性问题，但与划分网格最小尺寸关系很大，因为时间步长由最小单元尺寸所决定。在解决回弹分析问题时，DYNAFORM 软件采用的是动静联合算法求解，即利用动力显式求解器模拟冲压成形过
程，计算迅速、稳定，而且不存在收敛性问题，能实现显、
隐式无缝集成的功能，将完成冲压分析后的结果，自动转换为隐式求解器再进行回弹分析。最后，从结果文件中创建云图、变形、应力分布和动画等，方便查看计算结果。
2.2DYNAFORM 回弹计算过程
DYNAFORM 软件提供回弹的计算分析方法有两种方法，一是快速设置法：如图1所示，该方法只需要定义工具part 就可以按照缺省参数设置的方式进行回弹仿真分析，此方法虽然简单，但在实际中对参数的设置不符合实际工况，这种方式只适用于低强度钢简单冲压件的回弹分析。第二种是采用成形参数设计，按照实际冲压工况设置后进行成
摘要：文章对汽车高强度钢进行U 形弯曲过程中的回弹进行了分析，研究了弯曲回弹产生的原因以及利用有限元分析软件对U
形件进行冲压回弹分析，阐述了在进行仿真分析过程中应该注意的问题，
对高强度钢弯曲模具设计者有一定的指导意义。关键词：回弹；高强度；有限元；弯曲
中图分类号:TG386
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2020)17-0116-02
Abstract :In this paper,the springback of automobile high strength steel in the process of U-shaped bending is analyzed,the
causes of bending springback are studied,and the stamping springback analysis of U-shaped parts is carried out by using finite ele ⁃
ment analysis software.This paper expounds the problems that should be paid attention to in the process of simulation analysis,which has a certain guiding significance for the designers of high strength steel bending die.
Keywords :springback;high strength;finite element;bending
*基金项目:2018年度湖北省教育厅科学研究计划指导性项目(编号:B2018447)
作者简介：黄能会（1983-），男，硕士，副教授，系副主任，
研究方向：机械制造工艺。116--
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形分析，如图2所示，在实际分析过程中，常采用第二种分析方法，其具体分析过程如下：
图1回弹快速设置
图2板料成形设置
（1）将设计好的冲压零件或者模具转化为DYNAFORM 所能识别的文件，导入到分析软件中，导入后
的模型如图3所示。（2）提取所需要的面进行零件层的创建，命名好后为分析工序做准备。（3）对板料、凸模、凹模、压边圈等进行设
置，按照实际板料的屈服强度、摩擦系数等进行设置，并进
行网格划分。按照实际模具工作情况进行工序、冲压方向等
设置。（4）将分析任务提交给管理器进行计算，分析前要对工序中凸、凹模等模具零件进行动画演示模拟分析，确保相互位移运动的正确性，避免既无法进行仿真计算，又无法得
到合理的结果。（5）查看计算结果，包括云图分析、
等值曲线、动画结果等，如果回弹量不在可容许的范围内，则进行
回弹补偿分析。（6）将最终得到的模面导入到模具设计中进
行真实模具的设计。
图3有限元仿真模型
2.3重要参数设置（1）网格划分，对各零件进行网格划分时，按照适中的原则，尽可能采用尺寸均匀的正方形单元，如果三角形单元不可避免，尽量放在板料的外围，检测板料内部没有自由边界，同时不能有重迭的单元。板料网格大小按零件最小圆角的3倍值划分，R 的3倍为最大值，理论上1/4圆弧上要有4
个节点（3个单元），零件比较小的时候，可以适当减小网格大小值。对于回弹分析处理圆角位置时的时候，为了让分析结果更接近实际，一般要求回弹分析前，理论上1/4圆弧上要有5个节点（4个单元），如图4所示：圆弧半径为3mm ，
有4个单元，两相邻节点距离1.17mm ，即网格细分后最小
单元网格大小为1mm 左右。另外在控制参数设置中，最大自适应等级取4。
图4R3圆角节点划分示意图
（2）冲压材料导入经过实测的真实屈服强度的屈服曲线，才能使得计算结果更加精确。
（3）冲压零件工具设计参数：摩擦系数设置、
模具间隙、压边力等在没有经验值的情况下要做正交实验模拟分析。
（4）回弹补偿可以进行多次反复的进行，直到得到回弹值在可接受的范围内，这样得到所需要的模面，也就是模具设计的面。
3回弹措施
目前控制高强度钢回弹的一般方法主要有两种：一是从模具上进行改进，采用模面补偿，根据回弹量的大小，修改模面，从而达到控制回弹的目的，这就需要对模具进行不
停的改进，甚至在改进的过程中将整个凸、
凹模毁掉；二是从冲压工艺上进行控制，调整摩擦系数、压边力、拉延等来减少回弹。这样的控制回弹方式使得模具制造的周期长，制造成本高。
汽车弹簧到目前为止，高强度钢的回弹理论、
数值计算等都没有一个标准的规范，现有的回弹经验是针对以往的低强度钢总结出来的。通过软件进行CAE 结合实践模具进行分析，正交分析出一个通用的模具型面设计准则，并以此为基础建立比较完善的设计准则，如同目前的低强度钢回弹公式一样。相信通过这样的分析方式，我国的汽车轻量化和高强度制造技术会有很大的帮助。
4结束语
通过有限元分析软件可以较好地分析高强度钢弯曲回弹，能够直接的对成形和回弹过程进行分析，并较精确的预测回弹量，最后通过回弹后的结果单元，导出成形模面指导模具设计，从而有效的降低模具制造成本，缩短模具制造周期，对模具设计者和冲压工艺者有一点的指导意义。参考文献院
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[2]张璐.高强钢回弹预测中材料模型的适用性研究及回弹补偿的自动实现[D].上海交通大学，2012.
[3]朱东波，等.板料成形回弹问题研究新进展[J].塑性工程学报，2000
（01）：
11-17.
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