关于补偿回弹的冲压件模具设计方法的探讨

管幸寰

（上海电子工业学校，上海 201411）

板料冲压是利用冲模，使板料产生分离或形变的加工方法。因多数情况下板料无需加热，故称冷冲压，又简称冷冲或冲压。在进行板料加工时，材料的延展性、弹性等物理性质往往会带来影响，使板材在加工过后出现回弹问题，如果这种回弹的幅度较小，肉眼可能无法分辨，但在实际使用过程中，由于工件精度不足，可能影响使用价值。就补偿回弹的冲压件模具设计方法进行探讨有一定的实际意义。

1 回弹问题的出现以及影响

1.1 板材的回弹

常规的冲压过程中，板材会按照模具状况不断出现形变，直到满足实际使用需求。回弹问题在这一过程中是始终存在的，此前技术人员一般通过“试错法”进行处理，但结果并不理想。由于大部分金属材料，尤其是合金和其他延展性较好的材料，回弹问题往往十分严重，在力的相互作用下，瞬时回弹以及加工后一小段时间内出现的回弹现象屡见不鲜，比如汽车使用的铝材，部分构件的回弹率甚至超过0.5%，对实际性能产生了很多不利影响。

1.2 回弹的影响

回弹的影响包括直接影响和衍生影响两个方面，以数控机床所用工件为例，在冲压制造完成后，存在回弹问题的工件被应用于数控机床，会造成精度、刚性的下降，并进一步影响机床的电动稳定性。数控机床对加工精度的要求非常高，精度则取决于刚性，刚性是指在固定工作负载条件下机床的加工结构出现的形变量，形变量越大、精度越低。应用存在回弹问题的工件，机床的精度受到直接影响，在实际工作中，还可能产生啮合不严等问题，进一步降低刚性，而电动机工作带来的小幅位移则会加剧回弹工件的破坏作用，使机床的加工成果无法得到保证。

2 补偿回弹的冲压件模具设计方法

2.1 设计思路

回弹问题虽然广泛存在于各类板料的加工作业中，但带有一定的规律性，如进行一次冲压的板材可能存在较为严重的回弹问题，而反复冲压后，每一次回弹都能得到控制，总的回弹量也因此较低。针对补偿回弹的冲压件模具设计也以此为切入点，分析可行思路。模具设计的核心理念为往复式加工，可以在现有技术条件下实现，其工作的基本流程是，了解加工物的特点，建立流水线，取固定模型，对于存在回弹可能的位置，给予多次冲压，并在反复加工的过程中逐步降低冲压力度，实现对其外形的有效控制，避免回弹问题。从初定的模具型面的结点位移反向减去模拟计算的回弹量，得到用于补偿回弹所需的加工要求。金属板料首先用试探模具成形，计算成形回弹后的工件形状。该数值在不同的工件加工作业中也存在差异，需要根据实际情况确定往复次数和力负载水平。将回弹后的工件形状与目标工件比较，如果存在的形状误差超出容许值，就从模具形状中减去形状误差，得到新的加工要求，作为确定往复加工所需负载的基础。在往复加工中，金属板料将用这一新的试探模具型面成形。如果成形工件的形状与目标工件误差仍超出容许值，将再次从试探模具型面反向减去形状误差，得到更新的加工要求，作为确定下一次往复加工所需力负载的基础，直到成形的工件形状满足要求，往复加工可进行5次或更多。

2.2 有限元模型分析

有限元模型以数据为基础建立，收集不同工件的基本使用要求和加工存在的问题、加工流程，建立涵盖上述内容的电子模型。如工件为齿轮，其使用的核心要求是良好的啮合度，本质则是严格的精度控制。加工存在的问题也主要在机床的精度上，加工流程则相对固定，对金属板材进行冲压、粗加工，再进行打磨作业。建立模型时，以上述三项内容为基础，将工件的各个部分以微米为单位划分为若干部分，对存在较严重回弹问题的结构需要进行精划分。冲压加工是一种典型的物理加工方法，应用外力破坏板材固有的物理特征，并通过模具对其进行规范，在这一过程中，板材首先受力，之后出现形变，并在整个过程中不断回弹。各国工业生产都面临回弹问题，德国、日本等机械制造强国对回弹的控制最为成功，日本对各行业所用工件都给出十分严格的标准，而德国所用的加工材料性能突出、加工设备的刚性和精度也极为优越，因此能够有效控制回弹问题。在板材受力的一瞬间，作用力和反作用力虽然在数值上基本是均等的，但会造成构件的形变，作用力消失后，反作用力也消失，被导入板材中的力因此失去制约，会沿着力消失的方向快速扩散，扩散的力受到板料物理性质影响，在扩散过程中不断损耗，如果在工件边缘已经严重损耗，回弹也会相对轻微，反之则较为严重。

2.3 模具设计

模具的设计理念是往复式加工，其控制则依赖于自动化技术，模具加工系统结构上包括控制端、执行端两大部分，应用集成技术和通信技术实现实际作业。在往复加工的过程中，冲压的负载是不同的，取往复5次加工模式，则负载变化的基本规律为：100%、90%、80%、70%、60%。实际工作中可视工件精度要求调整负载水平，基本规律是逐步降低。控制端主要由计算机构成，在对工件进行加工前，要通过反复收集数据了解精度要求，设定默认程序控制加工过程，控制端与执行端连为一体，依靠通信技术进行指令的下达，并将指令集和各类软件、输入、输出系统、可视化结构集成到一块芯片中，控制全过程。冲压件模具实际工作的流程是：设定程序、粗加工、精加工、完成。人员下达的指令通过输入模块和通信技术传输至控制段，并实现记忆，之后模具对板料进行冲压加工，分割为规格要求下的小模块，再利用往复加工法进行精加工，最终完成冲压作业，实现工件的精度加工。

3 实验分析

3.1 实验过程

为检验往复式加工法的可行性，利用虚拟现实技术建立了实验。实验共进行4次，包括常规加工实验2次以及往复式冲压件模具加工实验4次，比对两组实验后的回弹量，并模拟使用，了解两类工件的使用价值。实验过程中，人工模拟了工作环境和往复式加工的作用力、反作用力。所选的工作模型如图1所示。该工件的加工重点为AGFE范围内的部分，要求将其突出工件表面0.5cm。

3.2 实验结果与分析

图1 所选工件模型

常规加工共进行四次，第一次加工所获工件，AGFE部分突出工件表面0.5cm，但DB一侧存在明显的回弹问题，回弹量达到0.6%，无法满足使用。第二次加工所获工件回弹问题同样在DB一侧，回弹量超过1%，造成AGFE部分突出范围大于0.6cm，也难以满足使用要求。应用往复式冲压件模具进行加工，第一次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回弹量为0.03%，满足使用需求，第二次加工完成后，AGFE部分突出工件表面0.5cm，工件回弹量为0.02%，满足使用需求。实验数据如表1所示。

表1 实验数据

在随后进行的使用模拟中，以数控机床为模拟对象，为快速了解成果，人员加快了模拟速度，取100倍数值快速进行试验。1、2号工件在作业中存在严重的不稳定问题，使加工作业误差增加。3、4号工件工作性能较为良好，也能应对电动稳定性问题。

4 结语

通过分析补偿回弹的冲压件模具设计，了解了相关理论内容。回弹是板料冲压中的主要缺陷之一，在工件制造等领域，回弹会带来很多不利影响，比如降低工件精度、影响电动稳定性、降低刚性等。通过建立有限元模型，可以分析得到金属板料受力、形变、回弹等情况，再根据具体情况设计往复式冲压件模具。应用虚拟现实技术对设计构想进行模拟，结果证明了设计方法的可行性。深入了解上述理论，有利于在后续工作中控制回弹问题。

[1]李贵.面向产品设计的回弹模拟与几何补偿方法研究[D].华中科技大学,2014.

[2]解利娜.车身覆盖件的回弹补偿与模具型面设计方法的研究[D].沈阳工业大学,2014.