汽車(chē)覆蓋件拉深成形過(guò)程中易出現(xiàn)破裂、起皺與回彈的質(zhì)量缺陷，其中，回彈缺陷是制約零件成形精度的主要因素，還可能使零件無(wú)法滿足基本的裝配要求。

為了解決零件的回彈問(wèn)題，汽車(chē)企業(yè)在覆蓋件生產(chǎn)過(guò)程中常采用人工修正模具零件的方法，不僅耗時(shí)耗力，且模具設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng)。因此，快速精確地對(duì)成形零件回彈進(jìn)行數(shù)值模擬和修模補(bǔ)償成為汽車(chē)覆蓋件沖壓成形模擬的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

基于此，以某汽車(chē)頂板作為研究對(duì)象，以非線性有限元分析軟件Dynaform為平臺(tái)，利用回彈補(bǔ)償法解決零件在沖壓成形過(guò)程中出現(xiàn)的回彈缺陷問(wèn)題。

圖1 汽車(chē)頂板三維模型

圖1所示為某汽車(chē)頂板的三維模型，板料厚度為1mm，材料選用DC01型冷軋鋼板，其力學(xué)性能如表1所示。

圖2 工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)

為確保最終產(chǎn)品達(dá)到圖紙要求，在產(chǎn)品原始結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)工藝補(bǔ)充面。研究表明，合理的工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量十分重要。通過(guò)將UGNX軟件與非線性有限元分析軟件Dynaform相結(jié)合的方式完成零件的工藝補(bǔ)充部分的設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖3 汽車(chē)頂板有限元模型

汽車(chē)頂板拉深成形過(guò)程中涉及拉深成形和沖孔修邊兩大工序，由于該零件為軸對(duì)稱體，為降低運(yùn)算成本取其對(duì)稱部分建立有限元模型，如圖3所示。

圖4 汽車(chē)頂板拉深成形極限圖

圖5 汽車(chē)頂板拉深成形厚度分布云圖

由圖4所示的汽車(chē)頂板拉深成形極限圖與圖5所示的汽車(chē)頂板拉深成形厚度分布云圖可知，研究對(duì)象成形質(zhì)量較好，厚度最小為0.939mm，對(duì)應(yīng)減薄率僅為6.10%，符合最大減薄率不超過(guò)30%的要求。故該零件拉深成形過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)破裂與起皺現(xiàn)象，滿足企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)需求。

采用多步隱式分析方法，其中將單元公式設(shè)置為全局積分單元公式（full integrated shell element），并將積分點(diǎn)數(shù)設(shè)置為7個(gè)。

圖6 定義幾何約束點(diǎn)

為保證每次回彈分析的邊界條件一致，必須對(duì)該零件設(shè)置相同的約束點(diǎn)，并保證約束點(diǎn)定義在變形較小的位置。由于零件已進(jìn)行對(duì)稱約束，只需定義2個(gè)約束點(diǎn)即可，如圖6所示。

圖7 第1次回彈分析結(jié)果

圖7所示為第1次回彈分析的結(jié)果，定義沿沖壓方向的反方向回彈量為正值，反之為負(fù)值。如圖7中A處所指，此處“*”號(hào)表明沿沖壓方向的反向發(fā)生了回彈，其值為19.048mm，此處為最大正向回彈；同理，圖7中B處所指，此處“O”號(hào)表明沿沖壓方向發(fā)生了回彈，其值約為-8.598mm，此處為最大反向回彈。

圖8 零件回彈前后對(duì)比

圖9 第1次回彈分析截面

為對(duì)比回彈前后板料的變形情況，采用圖8所示的方式對(duì)板料進(jìn)行剖切可得如圖9所示的截面。通過(guò)觀察圖9可發(fā)現(xiàn)：①零件AB段出現(xiàn)了嚴(yán)重的正向回彈缺陷；②零件BC段出現(xiàn)了嚴(yán)重的反向回彈缺陷；③對(duì)比零件AB段與BC段可知，零件在成形過(guò)程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的扭曲現(xiàn)象，表現(xiàn)為回彈值出現(xiàn)了正負(fù)值。

基于以上分析，該零件在拉深成形過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重回彈缺陷并在回彈過(guò)程中出現(xiàn)了扭曲現(xiàn)象，如不能減小回彈量，實(shí)際生產(chǎn)的零件將無(wú)法保證裝配精度。

目前控制回彈缺陷的方法有2種：①通過(guò)工藝參數(shù)尋找最優(yōu)方案，改變板料成形時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)以降低回彈量；②通過(guò)修正模具零件型面或修改模具結(jié)構(gòu)使沖壓件過(guò)正向成形，使板料卸載后的形狀與期望形狀符合或相近。

圖10 回彈補(bǔ)償流程

回彈補(bǔ)償原理的基本思路為：①利用Dynaform軟件對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行拉深成形分析；②對(duì)拉深成形結(jié)果進(jìn)行回彈分析，若回彈量較大，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，在回彈單元節(jié)點(diǎn)上施加反向載荷，使之產(chǎn)生逆向變形；③將逆向變形后的型面形狀作為新的模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析，重復(fù)執(zhí)行至零件的回彈量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其流程如圖10所示。

利用回彈補(bǔ)償法修正汽車(chē)頂板模具零件的形狀，降低回彈量，其步驟如下。

 No.1 

進(jìn)行第n次（n=1~8）回彈補(bǔ)償設(shè)置時(shí)，須將第n次拉深成形結(jié)果設(shè)置為“回彈前板料”。并且，將第n次回彈分析的結(jié)果文件設(shè)置為“回彈后板料”。

 No.2 

由于拉深工序與回彈工序獨(dú)立計(jì)算和求解，在拉深成形階段不計(jì)算回彈量，可將其設(shè)置為“期望板料形狀”。在之后的回彈補(bǔ)償中，均須將第1次的拉深成形結(jié)果設(shè)置為“期望板料”。

 No.3 

進(jìn)行第1次回彈補(bǔ)償設(shè)置時(shí)，須將第1次拉深成形結(jié)果設(shè)置為“補(bǔ)償形狀”，應(yīng)注意在之后第i次（i=2~8）的回彈補(bǔ)償中，須將第i-1次的回彈補(bǔ)償結(jié)果中的disp.tmp文件設(shè)置為“補(bǔ)償形狀”。

 No.4 

進(jìn)行第1次回彈補(bǔ)償設(shè)置時(shí)，將原始的模具結(jié)構(gòu)設(shè)置為成形的“主動(dòng)、從動(dòng)工具”，應(yīng)注意在之后的第i次回彈補(bǔ)償設(shè)置步驟中，須將第i-1次回彈補(bǔ)償后新的模具結(jié)構(gòu)設(shè)置為當(dāng)前“主動(dòng)、從動(dòng)工具”。

 No.5 

提交計(jì)算完成后，將修正后的模具結(jié)構(gòu)導(dǎo)入至Dynaform軟件，重新對(duì)零件拉深與回彈進(jìn)行有限元分析。

 No.6 

最后通過(guò)偏差計(jì)算反映回彈程度并確定是否進(jìn)行下一次回彈補(bǔ)償。

（a）第1次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（b）第2次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（c）第3次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（d）第4次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（e）第5次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（f）第6次回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

（g）第7次回彈補(bǔ)償后回彈分析結(jié)果

（h）第8次回彈補(bǔ)償后回彈分析結(jié)果

圖11 回彈補(bǔ)償分析結(jié)果

通過(guò)初次回彈補(bǔ)償對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，使回彈量較大程度地減小，對(duì)比圖11（a）與圖7可知，最大正向回彈量由19.048mm降低至7.044mm；最大反向回彈量由-8.598mm降低至-5.690mm。

由于回彈量仍大于企業(yè)實(shí)際需要（2mm），需要逐一進(jìn)行8次回彈補(bǔ)償。

圖12 8次回彈補(bǔ)償結(jié)果

對(duì)成形某汽車(chē)駕駛艙頂板的模具零件進(jìn)行8次回彈補(bǔ)償，其結(jié)果如圖12所示，優(yōu)化前后的最大回彈量對(duì)比如表2所示，通過(guò)分析最大正、反向回彈量可得如下結(jié)論。

 No.1 

采用回彈補(bǔ)償法可降低回彈量，使最大正向回彈量19.048mm降至1.052mm，回彈量降低了94.477%，使最大反向回彈量-8.598mm降低至-2.172mm，回彈量降低了74.7387%。

 No.2 

第4次回彈補(bǔ)償后的模具結(jié)構(gòu)，所得板料最大正向回彈量最小，僅為1.052mm，已達(dá)到最大回彈量不超過(guò)2mm的要求。雖然最大反向回彈量為-2.172mm超過(guò)2mm，并略高于第3次回彈補(bǔ)償后的回彈量（-2.080mm），但通過(guò)第4次回彈補(bǔ)償后，最大正向回彈量相對(duì)第3次回彈補(bǔ)償結(jié)果，減小了51.876%，而最大反向回彈僅增大了4.423%。綜上所述，第4次回彈補(bǔ)償結(jié)果為8次回彈補(bǔ)償中最優(yōu)的補(bǔ)償結(jié)果。

 No.3 

前4次回彈補(bǔ)償中，最大正、反向回彈量均呈現(xiàn)較明顯地減小趨勢(shì)，其中在第4次回彈補(bǔ)償后的回彈分析結(jié)果（1.052mm）為8次回彈補(bǔ)償結(jié)果最小值。從第5次回彈補(bǔ)償開(kāi)始，該零件的最大正向回彈量出現(xiàn)緩慢遞增趨勢(shì)，到達(dá)第8次回彈補(bǔ)償，最大正向回彈量由第4次回彈補(bǔ)償?shù)?.062mm增加至4.631mm。由此說(shuō)明，隨著回彈補(bǔ)償次數(shù)的增加會(huì)對(duì)成形零件產(chǎn)生過(guò)補(bǔ)償，增大回彈量。

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