刃入时序对翻边回弹的影响及原因分析、改善情况

文/马骥飞，武俊·天津汽车模具股份有限公司技术中心

刃入时序对翻边回弹的影响及原因分析、改善情况

文/马骥飞，武俊·天津汽车模具股份有限公司技术中心

马骥飞，技术分公司品质科科长，工程师，硕士学历，2007年毕业至今主要从事汽车模具的工艺设计、数值模拟分析、制件调试跟踪和品质提升等工作，通过CAE模拟计算为车间调模降低成本，并通过与车间的良好配合，解决了一系列制造调试过程中的问题。

通过模拟几种常见的多料翻边和少料翻边的不同刃入时序的回弹，分析结果，找到规律。并通过分析应力状态及翻边过程，收集了不同刃入量的情况，得出结论：先后刃入对少料翻边效果较好，对多料翻边效果不明显。刃入量落差与回弹量变化呈非线性正相关。

金属板料成形是现代工业中的一种重要加工方法，在汽车行业有着广泛的应用。当今汽车的车身为减小风阻，造型美观，越来越多运用弧形元素。外覆盖件会大量应用弧形面和弧形边界。翻边成形又是板料成形工艺中重要的成形方法，对零件进行翻边既可以获得光滑的圆角，又能够提高零件的刚度，使其在复杂的工作条件下有足够的刚性来抵御各种变形与振动，此外还可利用翻边形成的竖边和其他零件进行装配合边等。但当弧形区域翻边时，给成形造成一定困难，翻边后由于边缘展长发生变化，有应力产生，进而发生回弹。

根据以往学者的研究结论，翻边板料可分为不变形区（压料面）、圆角区和主变形区（竖边部分）。翻边时压料面不变形，主变形区双向受拉或受压，主应力为周向应力和径向应力，进而产生周向应变和径向应变。卸载后，制件在残余应力作用下会发生回弹。我们有多种方法控制翻边产生回弹，比如在边界增加工艺缺口以释放部分应力；拉延序做过拉延，减小翻边量以减小翻边应力；型面按回弹的数值做反向补偿等。改变翻边镶块刃入时序，即先后刃入，是改善回弹方法中模具更改量最小，模具调试中最常用的一个方法。本文将探讨刃入时序对几种翻边情况（多料翻边和少料翻边）的回弹影响，并初步探讨其原因。

模拟试验

模拟的基本建模情况

图1，图2，图3分别为模拟中的下模、上模镶块和基本模型的情况，用正交试验的方式，模拟四种下模分别对应四种上模的回弹情况，也就是说，试验样本为16个。下模型面和棱线圆弧均为R1500，圆角R3。上模翻边镶块圆角R3，先后刃入时，先后刃入落差都为15mm。也就是触料最早和最晚的落差为15mm。坯料采用DC04，料厚为0.8mm，上型基准。图4为坯料材料参数。

图1 模拟的四种下模形状

图2 模拟中的四种翻边镶块形式（以类型1为例）

图3 模拟基本模型

模拟结果汇总

表1为模拟结果汇总，表中回弹量的数值采集自靠近翻边棱线的区域，两头找一个绝对值最大的值，中间区域找一个绝对值最大的值，正值代表向上弹，负值代表向下弹。然后两头的值减去中间的值。这样最终的值如果是正值，则说明是中间凹，两头翘的趋势：负值则说明是中间凸，两头低，数值的绝对值越大，说明回弹越厉害。

对比表中回弹量数值，可以发现，多料翻边（类型1，类型3）同时刃入的回弹是中间凹，两头翘的状态，这两种类型的翻边，各种刃入时序变化对其回弹量和回弹分布都没有太大影响，从云图看颜色基本一致。从数值看，有点效果的改善量也就在10%左右。换句话说，弹10mm能回来1mm。

少料翻边（类型2，类型4）同时刃入的回弹都是中间高，两头低。无论哪种先后刃入的方式，回弹均有明显改观。从云图上看，几种先后刃入方式的云图都变成中间蓝绿，两头红，也就是中间凹两头翘，两头先刃入和中间先刃入的效果在翻边面附近的区域相似，在远离翻边面的区域颜色分布有区别。对类型4来说，这两种刃入都使回弹分布呈波浪分布，而不是单曲率的样式。波浪刃入的变化最为明显，趋势几乎与同时刃入完全相反。从数值上看，都从负值变为正值，两头先刃和中间先刃的数值很接近，而波浪刃入的回弹数值改变最为剧烈。由此可见，波浪刃入对少料翻边回弹改善的效率更高。

原因分析

应力分析

由于翻边回弹的产生是翻边面上周向应力的作用。如果回弹发生改变，势必是应力发生改变引起的，我们可以对比下不同刃入对应力的影响。

图4 DC04基本材料参数

表1 模拟结果汇总

我们先看刃入时序对回弹影响大的少料翻边。以类型2为例。

图5分别为类型2几种不同刃入的翻边面上的应力分布对比。其中白色区域应力为负值，蓝色到红色应力为正值且逐渐增大。

由图5可发现，同时刃入时应力分布均匀，基本上是中间最大，两边最小。且应力全为正值，也就是拉应力。而先后刃入改变了应力状态，应力不再均匀，而是呈波浪分布，压应力和拉应力交替出现，且应力数值都明显减小，由红黄色为主的色调转为蓝白色为主。综合表1和图5的结果，可以发现，拉应力的显著降低导致回弹量的变化。在波浪刃入情况下，压应力区域大于拉应力区域，导致回弹趋势发生了反转。

图5 类型2不同翻边时序时的应力分布

图6 类型1不同翻边时序时的应力分布

我们再看多料翻边的情况。以类型1为例。

图6分别为类型1几种不同刃入的翻边面上的应力分布对比。其中白色区域应力为负值，蓝色到红色应力为正值且逐渐增大。

由图6可见，同时刃入时应力分布均匀，以压应力为主，几种刃入方式都没有明显改变应力的数值和分布。只是把原来较多小片的压应力区域变为几处大一点的压应力区域。色调没有明显变化。综合表1和图6的结果，可以发现，应力没有显著变化。所以对回弹也没有明显改变。

翻边过程分析

我们再看下翻边过程。图7为类型1翻边过程中板料失稳而发生起皱的情况。图8为类型1两边先刃入翻边过程中起皱状况。可见，两边先刃并不是想象中的可以将起皱往中间赶，起皱会随翻边的进行逐渐产生，而不是集中在中间产生。且起皱明显比同时刃入大，但起皱个数少。

我们再看过程中的应力分布。由图9可见，在两边先刃入翻边过程中，端头料先翻下去，中间料处于未触料状态，在触料面附近的一段料始终受压应力（图9中白色区域），当所受压应力大于其所承受极限时，就发生起皱，在“赶料”的过程中，上模镶块经过的板料都在逐渐失稳，起皱，产生压应力，最终形成图6的应力分布。

图10与图11为中间先刃入的情况，与上述情况类似，起皱随着翻边经过的地方逐步形成，而不是被赶到两端去。可见，对多料翻边来说，先后刃入只是改变了起皱的时间，将很多小皱变成几个大皱，但总的压应力大小和总体分布没有大的变化，所以回弹状态也没有明显变化。

图7 同时刃入翻边过程中起皱状况

图8 两边先刃入翻边过程中起皱状况

图9 两边先刃入翻边过程中应力分布状态

图10 中间先刃入翻边过程中起皱状况

图11 中间先刃入翻边过程中应力分布状态

而对于少料翻边，先后刃入也会出现起皱的情况。同时刃入时无起皱现象，而先后刃入时，不管哪种方式，翻边过程均有起皱现象。图12为不同翻边时序的起皱状态。少料翻边在同时刃入翻边过程中，无压应力产生。但在先后刃入时，均在触料点附近出现白色区域，即压应力。出现的压应力极大的改变了整体应力状态，导致回弹的显著变化。图13为类型2不同翻边时序的应力状态。

图12 类型2不同翻边时序的起皱状态

图13 类型2不同翻边时序的应力状态

改变刃入量的情况

以上结果和分析，全建立在先后刃入量为15mm的基础上，如果加大刃入量落差，情况是否有变化呢？

多料翻边刃入量落差加大情况

以类型1为例，将先后刃入量落差加大到80 mm，只看两头先刃入和中间先刃入两种情况。图14和图15分别为类型1两头先刃入和中间先刃入落差80mm后的应力分布与回弹值。

由图14、图15及表1的结果，可以发现，增大刃入量落差对回弹几乎无影响，对应力分布也无大的改变。

少料翻边刃入量落差加大情况

对少料翻边也做同样试验，以类型2为例，将先后刃入量落差加大到80mm，只看两头先刃入和中间先刃入两种情况。图16和图17分别为类型2两头先刃入和中间先刃入80mm后的应力分布与回弹值。

图14 类型1两边先刃入落差80mm后的应力分布与回弹值

图15 类型1中间先刃入落差80mm后的应力分布与回弹值

图16 类型2两头先刃入80mm后的应力分布与回弹值

图17 类型2中间先刃入80mm后的应力分布与回弹值

由图16、图17及表1的结果，可以发现，增大刃入量落差对少料翻边回弹影响较大，对比刃入落差15mm的情况，回弹量几乎翻倍。但相对于刃入量落差增大5倍多，回弹量增加不到一倍，可见其关系非线性。

波浪刃入的情况

由上文可知，两头先刃入和中间先刃入的刃入量落差和回弹量呈非线性正相关，波浪刃入是否有一样的规律呢？

以类型4为例，将波浪刃入的刃入量落差分别做到3mm、6mm、10mm、15mm和20mm，观察其回弹量。图18为类型4波浪刃入不同落差下的回弹值图示，图19为类型4波浪刃入落差和回弹值的关系。由图18和图19可见刃入量落差和回弹量的关系呈抛物线型，落差超过10mm后，回弹基本上无大变化。另外，从图19中可见，只需3mm的刃入量落差，就可以将1.8mm的回弹量控制在0.3mm以内，效率远高于另两种先后刃入方式。

图18 类型4波浪刃入不同落差下的回弹值

图19 类型4波浪刃入落差和回弹值的关系

结束语

结合上文分析，得出以下结论：

⑴先后刃入的过程都是产生压应力即起皱的过程。且两边先刃入与中间先刃入的压应力分布无明显不同，不存在将起皱赶到两边或中间的情况。即使增大刃入量也不会影响起皱的分布趋势。

⑵对于多料翻边（类型1、类型3），各种刃入时序变化对其回弹量和回弹分布都没有太大影响。增大刃入量也是如此。

⑶对于少料翻边（类型2、类型4），无论在哪种先后刃入的方式下，均有明显改观，且两头先刃入和中间先刃入效果相似，波浪刃入对少料翻边改善的效率更高。

⑷少料翻边对先后刃入的刃入量落差敏感。刃入量落差与回弹量变化呈非线性正相关，当刃入量落差到一定程度时，回弹量将不再变化。