基于CAE的高强度钢U型件冲压回弹研究

黄能会 高成慧

摘 要：在汽车制造业中，为进行轻量化和高强度设计，高强度钢板的应用就非常广泛了，其U型回弹控制的策略会影响板料成型的精度。为更好的研究摩擦系数、板料厚度、拉延筋、模具间隙等参数对高强度钢折弯回弹的影响规律，以RP784-980B高强度钢板为研究对象，利用Dynaform软件与实际模具结合进行研究，得出四个参数与回弹值的关系。

关键词：回弹;高强度钢板;有限元;弯曲

高强度钢板代替普通钢材广泛应用于汽车轻量化生产中，冲压作为汽车生产后续的焊接、装配、涂装的最前工序，其成形精度对汽车生产工艺过程起着非常大在影响作用，其中回弹是高强度钢板成形过程中最为复杂的问题[1]。国内学校和研究机构对高强度钢板做了大量研究。重庆大学的周同贵等[2]以BR1500HS高强度钢板为研究对象，进行了基于Dynaform软件的热冲压数值模拟及回弹分析做正交实验分析，得出最优参数组合。南京工程学院的徐涛等[3]基于Dynaform软件进行正交实验，对高强度钢板U形件回弹进行分析研究，得出最优的参数组合。湖南汽车工程职业学院的李治国[4]等通过对WELDOX960 高强度钢板进行研究，通过实验和仿真模拟对仿真模拟结果进行验证，得出仿真模拟的准确性。目前，针对不同材料冲压工艺参数进行高强度钢板U形回弹的文献不多。本文以汽车生产中应用较为广泛的RP784-980B钢板为研究对象，重点研究冲压工艺参数对高强度钢板回弹量的影响，为高强度钢板冲压加工提供一定的指导意义。

1 分析模型建立

對于U形件来说，为减少运算时间，建立基本模型如图1所示，本模型采用常用的汽车零件结构，两侧面夹角为10°，模型零件长为300mm，材料为RP784-980B，材料的主要化学成分如表1所示，其主要性能指标：屈服强度为610 MPa，抗拉强度为989 MPa，延伸率或伸长率21%），根据U形件弯曲回弹的特点，采用软件计算的最大回弹值作为的变形量。

2 不同工艺参数模拟结果分析

通过不同的冲压工艺参数，对模型进行模拟分析，具体分析如下：

2.1 摩擦系数对回弹的影响

摩擦系数对冲压零件的成形质量和回弹有一定的关联性，当摩擦系数较大时，零件在成形过程中，材料的流动就会变缓慢，从而可以减少成形零件的回弹量，但随着摩擦系数的增大，对零件表面也会造成一定的损伤，影响零件的表面质量，当摩擦系数较小时，其成形结果与之相反。图2是摩擦系数取0.1、0.11、0.125（软件默认的高强度钢摩擦值）、0.14、0.15、0.17时对应的最后成形零件的回弹量，最大的回弹量与默认摩擦值的回弹量误差在4.3%内。综合工程实践，在进行高强度钢材有限元分析时，按照软件默认值即可，不需要进行单独设置。

2.2 拉延筋位置对回弹的影响

汽车零件很多都是尺寸大、形状比较复杂，影响成形的因素有很多，在进行拉延过程中，不能只靠压边力，单纯靠压边力很难控制起皱和拉裂。在进行成型过程中为了避免材料在凸模进入的位置，为了防止起皱和开裂，在离凹模入口增加拉延筋，以阻止大多材料一起流入。根据工程实际应用，分别选择在离凹模入口10mm，15mm，20mm，25mm和30mm的地方设置拉延筋进行分析。在没有拉延筋作用时，回弹值为13.82mm，由图3可见随拉延筋与凹模入口的距离增加而回弹减少，当到一定值后，回弹值又随距离的增加又逐渐增大，根据冲压零件产品的大小，拉延筋距凹模入口距离为15～25mm较为合适。

2.3 材料厚度对回弹的影响

根据工程应用中常用RP784-980B的钢板厚度，取0.8mm，1mm，1.2mm，1.4mm，和1.6mm厚度进行分析，摩擦系数按默认，不设置拉延筋。其回弹结果如图4所示。对于板厚小于1.4mm的钢板，随着材料厚度的增加，回弹值逐渐减小的趋势，当厚度大于1.4mm时，减少的趋势变缓，成形后的板厚减薄都是0.01mm，所以基本可以不用考虑材料减薄问题，主要根据客户需求来定材料的厚度。

2.4 模具间隙对回弹的影响

模具间隙是高强度钢板成形中要考虑的一个重要因素，它影响着板料与模具的接触状态，可以控制板料流动状态，模具间隙的设置较小时，能增加侧面凸、凹模对板料的侧向压力，增加塑性变形的区域，对回弹的控制比较有利;但当间隙小于一个材料厚度时，模具和板料的摩擦力会比较大，同时有挤压变形，对模具和板材的表面质量都会有影响，同时模具的使用寿命也会大大降低。根据工程应用中的模具间隙，取间隙值0.95t，1t，1.05 t，1.1t，1.15t和1.2t（t为一个板料厚度）进行分析，摩擦系数按默认，不设置拉延筋，材料厚度按照常用的1mm来进行分析，其回弹结果如图5所示。对于间隙小于一个材料厚度，最后成形的板材有11%的减薄，随着模具间隙的增加，回弹值逐渐增大后又减小的趋势，当模具间隙为一个板厚时，回弹量最小。

3 结果运用

利用有限元分析，在模拟结果分析中，一般以成形极限图和回弹云图体现出来，成形极限图可以预测出在加工前可能会出现的一些结果，他能准确反映材料在成形过程中的板料局部成形发生的状态，如起皱、破裂、危险、安全等，根据颜色来进行判断是否可行。回弹云图可以预测出回弹量最大值及其出现的位置，这样可以有效的采取措施来控制生产过程中的回弹。为验证模拟结果的准确性，对RP784-980B钢板进行模拟与实践生产中的进行对比，在最初未进行有限元分析的模具设计制造过程中，采用普通45#钢做模具，通过在检具（图6）上对产品进行测量后，不断的调整参数来对板料进行冲压成形，直至能够冲出尺寸合格的产品后，测量实验模具的尺寸，最后用模具钢进行实际模具制作，这样需要耗费大量的人力、财力和物力。通过Dynaform软件对成形参数进行设置，减少试验次数，为模具生产提供有效的指导。

4 结论

以RP784-980B为例，其冲压成形回弹量与摩擦系数无关;拉延筋的距离设置在15-15mm处可以减小回弹量;随材料厚度的增加，回弹量逐渐减少，当材料厚度达到1.4mm后减少的趋势逐渐减缓;模具间隙采用1个料厚可以最有效的减少回弹。

项目来源：2018年度湖北省教育厅科学研究计划指导性项目——基于CAE的高强度钢板冲压工艺优化研究。（项目编号：B2018447）

参考文献：

[1]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.

[2]周同贵等.BR1500HS高强度钢板热冲压数值模拟及回弹分析[J].热加工工艺，2015，44（11）：122-125.

[3] 徐涛等基于正交试验的高强钢板U形件回弹分析研究[J].科技视界.2015（02）：57，66-67

[4]李治国等.高强度钢板折弯成型的回弹分析及工程应用[J].机械工程师，2019（05）：173-175.