基于有限元的书夹弯曲件成形工艺研究❋

祁晓杰，惠为东

（1.盐城市宏软科技有限公司，江苏 盐城 224001；2.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013）

0 引言

随着汽车和航空工业的发展，对弧形件类零件成形精度的要求越来越高［1］，特别是由于高强度钢板的大量使用，使回弹问题更为突出，成为汽车和飞机制造等工业领域关注的热点问题［2］。比较典型的如汽车覆盖件的回弹，由于其形状和边界条件复杂，一般要采用数值模拟方法来进行回弹分析才能取得较满意的结果［3］，所以就必须对回弹现象进行深入的研究探讨，然后把板料成形件的回弹控制在较为理想的范围内，从而达到预期的产品设计要求。书夹是一个典型的弯曲成形件，本文通过数值模拟的方法对其成形工艺进行研究。

1 基于有限元的书夹弯曲件的冲压回弹分析

本文利用Dynaform软件对建立的书夹弯曲成形模型进行不同条件下的回弹模拟，对比各种情况下的变形状态、应力分布、厚度分布以及回弹前后书夹的成形角度变化，最后综合考虑摩擦因数和凸凹模圆角，从而选择最佳弯曲成形方案。

首先研究摩擦因数对于回弹的影响，进行模拟分析，选出最优结果；然后在之前的实验模拟基础上研究凸凹模圆角半径的影响；最终得出较为合理的参数，确定最佳成形工艺方案。

1.1 摩擦因数对书夹弯曲件的回弹影响

摩擦因数的不同会直接影响到冲压后的成型效果，对回弹也有直接的影响，因此对摩擦因数的选择要考虑多方面因素进行试验。试验方案如下：

（1）材料为AA6009type37。

（2）板厚为2mm，凸凹模圆角半径设定为5mm。

（3）冲压距离为90mm，冲压速度为1 000mm/s，压边力为50kN。

根据上面设定的参数，分别取摩擦因数为0.075、0.125、0.150和0.200进行模拟。

图1～图4为不同摩擦因数下书夹弯曲件的FLD图（成形极限图）和应变回弹图。图5为不同摩擦因素下的回弹角和最大应变、最小应变曲线。表1为不同摩擦因素下回弹角的变化。

图1 摩擦因数0.75时的FLD图和应变回弹图

由图1～图4可以看出，所取不同摩擦因数并不会引起断裂、起皱等现象，说明摩擦因数对于书夹弯曲回弹的影响很小。通过试验得知软件中默认的摩擦因数就为0.125，因此研究摩擦因数时考虑将数值定在0.125附近。通过上面的分析可知，随着摩擦因数从0.075增加到0.200，材料的厚薄变化率和最大、最小应变只在小范围内产生波动，最后确定回弹角在摩擦因数为0.125时最小。综上所述，选择摩擦因数0.125为宜。

图2 摩擦因数0.125时的FLD图和应变回弹图

图3 摩擦因数0.150时的FLD图和应变回弹图

图4 摩擦因数0.200时的FLD图和应变回弹图

1.2 凸模、凹模圆角半径对书夹弯曲件回弹影响

凸模、凹模的圆角部分是过渡区域。板料在成形阶段会在凹模出口产生较大的流动阻力，使得冲压后的工件出现颈缩或破裂现象。为改善该状况，必须降低凸、凹模处对板料流动产生的阻力，因此为研究凸、凹模圆角对于成形的影响，采用不同大小的凸、凹模圆角分别进行模拟。试验方案如下：

（1）材料为AA6009type37。

（2）板厚为2mm，摩擦因数为0.125。

（3）冲压距离为90mm，冲压速度为1 000mm/s，压边力为50kN。

表1 不同摩擦因素下回弹角的变化

图5 不同摩擦因数下的回弹角和最大、最小应变曲线

根据上面设定的参数，分别采用凸凹模圆角半径为3mm、5mm、8mm和10mm进行模拟。

图6 凸凹模圆角3mm时的FLD图和应变回弹图

图6～图9为不同凸凹模圆角下书夹弯曲件的FLD图和应变回弹图。图10为不同凸凹模圆角下的回弹角和最大、最小应变曲线。表2为不同凸凹模圆角时回弹角的变化。由图6～图9得知：在圆角半径取3mm时，成形件在圆角部分出现了起皱趋势；凸、凹模圆角半径在5 mm时回弹幅度最小，且最大、最小应变也较小，厚薄率变化也处于合理范围内。综合考虑，凸凹模圆角半径为5mm时成形件情况较为理想，故凸凹模圆角半径设置为5mm。

2 结论

本文应用Dynaform软件对书夹弯曲件的冲压成形过程进行了有限元数值模拟仿真分析，从而运用实际案例验证了摩擦因数、凸凹模圆角半径对于弯曲回弹的影响，并得出以下结论：①摩擦因数对于书夹弯曲件的回弹影响较小，取值在0.125附近都不会引起断裂、起皱等危险，成形效果较为理想；②凸凹模圆角半径取值在5mm时最为合理，回弹幅度最小，当凸、凹模圆角过小时，冲压毛坯的直壁部分与底部过渡区的弯曲变形加大，板料的变形阻力增加，从而引起的回弹前、后角度变化较大，若凸、凹模的圆角过大，板料的变形阻力小，金属的流动性好，回弹角度变化也较大。

图7 凸凹模圆角5mm时的FLD图和应变回弹图

图8 凸凹模圆角8mm时的FLD图和应变回弹图

图9 凸凹模圆角10mm时的FLD图和应变回弹图

图10 不同凸凹模圆角下的回弹角和最大、最小应变曲线

表2 不同凸凹模圆角下的回弹变化

［1］Panthi S K，Ramakrishnan N，Pathak K K，et al.An analysis of springback in sheet metal bending using finite element method［J］.Journal of Materials Processing Technology，2007，186：120－124.

［2］肖华，刘艳，汤禹成，等.高强度钢冲压回弹量对板料力学性能参数的灵敏度分析［J］.锻压装备与制造技术，2007，42（2）：69－72.

［3］胡平.覆盖件模具CAD/CAE/CAM一体化技术现代与发展［J］.机械工人（冷加工），2000（10）：3－4.