1.3 金属板料冲压成形仿真分析技术所能解决的主要问题
板料冲压成形过程中会产生多种不同类型的成形缺陷，各种缺陷对冲压零件的尺寸精度、表面质量和力学性能
将产生严重影响。总的来说，板料冲压成形过程中所产生的成形缺陷，主要有：起皱、破裂、回弹和变薄等四种类
型。
（ 1）起皱 起皱是压缩失稳在板料冲压成形中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属产生塑性变形，模
具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不
稳定的。当材料的内应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式为压缩失
稳。另外，不均匀拉伸力以及板平面内弯曲力等也可能引起起皱。
在金属板材成形加工中通常存在三种类型的起皱现象：法兰起皱、侧壁起皱和由于残余应力在未变形区产生的
弹性变形。在冲压复杂形状的时候，拉深壁起皱就是在模具型腔中形成褶皱。由 于金属板材在拉深壁区域内相对无
支撑，因此，消除拉深壁起皱比抑制法兰起皱要难得多。在不被支撑的拉深壁区域中材料的外力拉深可以防止起皱，
这可以在实践中通过增加压边力实现，但是运用过大拉深力会引起破裂失效。合适的压边力必须控制在一定的范围
内，一方面可以抑制起皱，另一方面也可以防止破裂失效。合适的压边力范围很难确定，因为起皱在拉深零件的中
心区域以一个复杂的形状成形，甚至根本不存在一个合适的压边力范围。起皱的临界判断一般基于三种准则：静力
准则、能量准则和动力准则。在有限元数值模拟中比较通用的是建立在能量准则基础上的 HILL 提出的关于弹塑性
体的失稳分支理论。
采用 DYNAFORM 软件进行具体计算时，可通过观察成形极限图及板料厚点增厚率来预测和判断给定工艺条件
下冲压零件可能产生的起皱，并通过修改毛坯形状、大小，模具几何参数或冲压工艺参数如压边力大小、模具间隙
等措施予以消除。
（ 2）破裂 破裂是拉伸失稳在板料冲压成形中的主要表现形式。在板料成形过程中，随着变形的发展，材料的
承载面积不断缩减，其应变强化效应不断增加。当应变强化效应的增加能够补偿承载面积缩减时，变形能稳定进行
下去；当两者恰好相等时，变形处于临界状态；当应 变强化效应的增加不能补偿承载面积缩减时，即越过了临界状
态，板料的变形将首先发生在承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。
① 变形区的破坏 ：在冲压成形中变形区的破坏主要发生于伸长类变形。伸长类翻边、伸长类曲面翻边、胀形、
扩口、拉弯等冲压成形中毛坯变形区的破坏都属于这种情况。冲压成形时，冲压毛坯转变成为冲压件的实质就是冲
压毛坯变形区形状的变化，所以在生产中均采用应变值来衡量毛坯变形区的变形能力。虽然可以用简单拉伸试验所
得的伸长率来衡量变形区的变形功能，但是，由于多种条件的影响，目前多应用 成形极限图 FLD 作为破坏的判断
和预测。
② 传力区的破坏 ：传力区的破坏是冲压成形中另一种常见的形式。冲压成形时，传力区的功能是把冲模的作
用力传递到变形区。如果变形区产生塑性变形所需要的力超过了传力区的承载能力，传力区就会产生破坏。这种破
坏多发生在传力区内应力最大的危险截面。
③ 局部破坏 ：局部破坏是冲压成形中破坏的一种特殊形式，多发生在非曲轴对称形状零件的冲压成形过程。
发生在盒形冲压时的局部破坏称为劈裂。发生在不连续的拉深筋出口处的局部破坏，称为拉深筋处开裂。这两种破
坏具有非常明显的局部特点，可能发生在 变形区，也可能发生在传力区，二者兼而有之也可能，但不发生在通常认
为是危险截面的部位，原因也很复杂。
④ 残余应力引起的破坏 ：这种破坏是冲压成形完成后在脱模时立即产生的，但有时候也发生在冲压成形后放
置一段时间，甚至发生在安装和使用过程中，有时也叫实效破坏。消除这种破坏的措施，除了在板材金属的组织和
性能方面采取必要的方法外，从冲压成形方面来看最根本的方法就是减小或消除残余应力，比如可以减小拉深模间
隙等。
在板料成形数值模拟中，破裂一般采用观察零件成形极限图和材料厚向的局部变薄率等两种方法进行预测。目
前，在板料冲 压加工中采用的绝大多数专业仿真分析软件主要是采用成形极限图作为破裂判断的主要依据。在实际
生产中，不仅要控制零件不被拉破，而且对厚度变薄也有严格的要求。因此，有时也利用可观察材料厚向的局部变
薄率来预测板料冲压成形过程中破裂缺陷发生的可能性。由于局部变薄率控制值要提前于拉深失稳发生，所以通过
控制局部变薄量来控制成形的安全裕度有一定的实用价值。但采用该方法易造成成形安全裕度的限制，使材料无法
发挥其延展性。
（ 3）回弹 回弹缺陷是板料冲压成形过程中产生的主要成形缺陷之一。板料回弹缺陷的产生主要是由于板料在
冲压成形结 束阶段，当冲压载荷被逐步释放或卸载时，在成形过程中所存储的弹性变形能要释放出来，引起内应力
的重组，进而导致零件外形尺寸发生改变。产生回弹的原因主要有两个：
第一，当板料内外边缘表面纤维进入塑性状态，而板料中心仍处于弹性状态，这时当凸模上升去除外载荷后，
板料产生回弹现象；
第二，因为板料在发生塑性变形时总伴随着弹性变形消失，所以板料在冲压成形过程中，特别是在进行弯曲成
形时，即使内外层纤维完全进入了塑性变形状态，当凸模上升去除载荷后，弹性变形消失了，也会出现回弹现象。
因此回弹缺陷是板料冲压成形过程中不可避免的 一类成形缺陷，产生回弹缺陷将直接影响冲压零件的成形精度，
从而增加了调模试模的成本以及成形后进行整形的工作量。
在实际板料冲压成形生产中，对于回弹缺陷需要采取行之有效的工艺措施加以消除，采用仿真分析技术有效进
行回弹缺陷的预测，对实际冲压生产具有很客观的实际效益。但由于回弹缺陷的产生涉及板料冲压成形整个过程的
板料塑性变形状态、模具几何形状、材料特性、接触条件等众多因素，因此板料冲压成形的回弹问题相当复杂。目
前，在板料冲压成形中，控制回弹主要从两方面加以考虑：
① 从工艺控制方面加以考虑，即可通过改变成形过程的边界条 件，如毛坯形状尺寸、压边力大小及分布状况、
模具几何参数、摩擦润滑条件等来减少回弹缺陷的产生；
② 通过修模或增加修正工序等，即在特定工艺条件下实测或有效预测实际回弹量的大小以及回弹趋势，然后
通过修模或增加修正工序，使回弹后的零件恰好满足成形零件的实际设计要求。
在实际生产中，此两种方法都得到广泛采用，有时还需要将两种方法联合起来，控制回弹，以获得最佳的成形
效果。目前采用 DYNAFORM 软件可对板料回弹进行较为有效的预测，为有效控制回弹提供科学依据。但预测精度
还需要进一步提高。
（ 4）变薄 板材变薄是板料拉伸 的结果，从工程实际的角度来看，对冲压件而言，板料 4%-20%厚度减少 ～通
常是可以接受的，如减少太多，则将削弱零件的刚度引起开裂。金属的延展性和伸长率是影响板料变薄的重要因素。
调整拉延筋的设计参数与布置方案可以控制板料变薄的情况。过大的约束力会导致板料变薄加剧。控制板料的
变薄是模具设计的重要方面，一般而言，板料的变薄越均匀越能获得好的冲压件质量。
在 DYNAFORM 软件中可以通过设置拉延筋的位置、长短、角度等来控制变薄量，预测变薄趋势，改善零件的
变薄情况。
金属塑性成形技术基础及 CAE 工程应用
金属塑性成形 CAE 应用
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