汽车顶板拉深成形回弹分析及补偿的研究

汽车覆盖件拉深成形过程中易出现破裂、起皱与回弹的质量缺陷，其中，回弹缺陷是制约零件成形精度的主要因素，还可能使零件无法满足基本的装配要求。

为了解决零件的回弹问题，汽车企业在覆盖件生产过程中常采用人工修正模具零件的方法，不仅耗时耗力，且模具设计和制造周期长。因此，快速精确地对成形零件回弹进行数值模拟和修模补偿成为汽车覆盖件冲压成形模拟的研究热点与难点。

基于此，以某汽车顶板作为研究对象，以非线性有限元分析软件Dynaform为平台，利用回弹补偿法解决零件在冲压成形过程中出现的回弹缺陷问题。

某汽车顶板模型建立

1

1

三维模型与材料选用

图1 汽车顶板三维模型

图1所示为某汽车顶板的三维模型，板料厚度为1mm，材料选用DC01型冷轧钢板，其力学性能如表1所示。

2

工艺补充面设计

图2 工艺补充设计

为确保最终产品达到图纸要求，在产品原始结构上设计工艺补充面。研究表明，合理的工艺补充设计对于产品质量十分重要。通过将UGNX软件与非线性有限元分析软件Dynaform相结合的方式完成零件的工艺补充部分的设计，如图2所示。

基于Dynaform的顶板成形工艺分析

2

图3 汽车顶板有限元模型

汽车顶板拉深成形过程中涉及拉深成形和冲孔修边两大工序，由于该零件为轴对称体，为降低运算成本取其对称部分建立有限元模型，如图3所示。

1

基于Dynaform的汽车顶板拉深结果分析

图4 汽车顶板拉深成形极限图

图5 汽车顶板拉深成形厚度分布云图

由图4所示的汽车顶板拉深成形极限图与图5所示的汽车顶板拉深成形厚度分布云图可知，研究对象成形质量较好，厚度最小为0.939mm，对应减薄率仅为6.10%，符合最大减薄率不超过30%的要求。故该零件拉深成形过程中不会出现破裂与起皱现象，满足企业的实际生产需求。

2

基于Dynaform的回弹分析

采用多步隐式分析方法，其中将单元公式设置为全局积分单元公式（full integrated shell element），并将积分点数设置为7个。

图6 定义几何约束点

为保证每次回弹分析的边界条件一致，必须对该零件设置相同的约束点，并保证约束点定义在变形较小的位置。由于零件已进行对称约束，只需定义2个约束点即可，如图6所示。

图7 第1次回弹分析结果

图7所示为第1次回弹分析的结果，定义沿冲压方向的反方向回弹量为正值，反之为负值。如图7中A处所指，此处“*”号表明沿冲压方向的反向发生了回弹，其值为19.048mm，此处为最大正向回弹；同理，图7中B处所指，此处“O”号表明沿冲压方向发生了回弹，其值约为-8.598mm，此处为最大反向回弹。

图8 零件回弹前后对比

图9 第1次回弹分析截面

为对比回弹前后板料的变形情况，采用图8所示的方式对板料进行剖切可得如图9所示的截面。通过观察图9可发现：①零件AB段出现了严重的正向回弹缺陷；②零件BC段出现了严重的反向回弹缺陷；③对比零件AB段与BC段可知，零件在成形过程中出现了严重的扭曲现象，表现为回弹值出现了正负值。

基于以上分析，该零件在拉深成形过程中出现严重回弹缺陷并在回弹过程中出现了扭曲现象，如不能减小回弹量，实际生产的零件将无法保证装配精度。

基于Dynaform的回弹补偿分析

3

1

回弹补偿机理

目前控制回弹缺陷的方法有2种：①通过工艺参数寻找最优方案，改变板料成形时的应变状态以降低回弹量；②通过修正模具零件型面或修改模具结构使冲压件过正向成形，使板料卸载后的形状与期望形状符合或相近。

图10 回弹补偿流程

回弹补偿原理的基本思路为：①利用Dynaform软件对研究对象进行拉深成形分析；②对拉深成形结果进行回弹分析，若回弹量较大，无法满足设计要求，在回弹单元节点上施加反向载荷，使之产生逆向变形；③将逆向变形后的型面形状作为新的模具结构进行非线性有限元分析，重复执行至零件的回弹量达到设计要求，其流程如图10所示。

2

基于汽车顶板的回弹补偿方案设计

利用回弹补偿法修正汽车顶板模具零件的形状，降低回弹量，其步骤如下。

 No.1 

进行第n次（n=1~8）回弹补偿设置时，须将第n次拉深成形结果设置为“回弹前板料”。并且，将第n次回弹分析的结果文件设置为“回弹后板料”。

 No.2 

由于拉深工序与回弹工序独立计算和求解，在拉深成形阶段不计算回弹量，可将其设置为“期望板料形状”。在之后的回弹补偿中，均须将第1次的拉深成形结果设置为“期望板料”。

 No.3 

进行第1次回弹补偿设置时，须将第1次拉深成形结果设置为“补偿形状”，应注意在之后第i次（i=2~8）的回弹补偿中，须将第i-1次的回弹补偿结果中的disp.tmp文件设置为“补偿形状”。

 No.4 

进行第1次回弹补偿设置时，将原始的模具结构设置为成形的“主动、从动工具”，应注意在之后的第i次回弹补偿设置步骤中，须将第i-1次回弹补偿后新的模具结构设置为当前“主动、从动工具”。

 No.5 

提交计算完成后，将修正后的模具结构导入至Dynaform软件，重新对零件拉深与回弹进行有限元分析。

 No.6 

最后通过偏差计算反映回弹程度并确定是否进行下一次回弹补偿。

3

回弹补偿结果分析

（a）第1次回弹补偿分析结果

（b）第2次回弹补偿分析结果

（c）第3次回弹补偿分析结果

（d）第4次回弹补偿分析结果

（e）第5次回弹补偿分析结果

（f）第6次回弹补偿分析结果

（g）第7次回弹补偿后回弹分析结果

（h）第8次回弹补偿后回弹分析结果

图11 回弹补偿分析结果

通过初次回弹补偿对模具结构进行修改，使回弹量较大程度地减小，对比图11（a）与图7可知，最大正向回弹量由19.048mm降低至7.044mm；最大反向回弹量由-8.598mm降低至-5.690mm。

由于回弹量仍大于企业实际需要（2mm），需要逐一进行8次回弹补偿。

图12 8次回弹补偿结果

对成形某汽车驾驶舱顶板的模具零件进行8次回弹补偿，其结果如图12所示，优化前后的最大回弹量对比如表2所示，通过分析最大正、反向回弹量可得如下结论。

 No.1 

采用回弹补偿法可降低回弹量，使最大正向回弹量19.048mm降至1.052mm，回弹量降低了94.477%，使最大反向回弹量-8.598mm降低至-2.172mm，回弹量降低了74.7387%。

 No.2 

第4次回弹补偿后的模具结构，所得板料最大正向回弹量最小，仅为1.052mm，已达到最大回弹量不超过2mm的要求。虽然最大反向回弹量为-2.172mm超过2mm，并略高于第3次回弹补偿后的回弹量（-2.080mm），但通过第4次回弹补偿后，最大正向回弹量相对第3次回弹补偿结果，减小了51.876%，而最大反向回弹仅增大了4.423%。综上所述，第4次回弹补偿结果为8次回弹补偿中最优的补偿结果。

 No.3 

前4次回弹补偿中，最大正、反向回弹量均呈现较明显地减小趋势，其中在第4次回弹补偿后的回弹分析结果（1.052mm）为8次回弹补偿结果最小值。从第5次回弹补偿开始，该零件的最大正向回弹量出现缓慢递增趋势，到达第8次回弹补偿，最大正向回弹量由第4次回弹补偿的1.062mm增加至4.631mm。由此说明，随着回弹补偿次数的增加会对成形零件产生过补偿，增大回弹量。

▍

▍内容来源：《模具工业》2019年第6期