刃入時序對翻邊回彈的影響及原因分析

畢 彥，薛 靜

(天津中德職業技術學院，天津 300350)

0 前言

現代汽車為了滿足造型美觀和流線性的要求，在車身設計上越來越多的運用弧形元素，這也導致了汽車外覆蓋件有大量弧形面和弧形邊界，同時也具有大量的翻邊特征。對零件進行翻邊一方面可以獲得較光順的邊緣，另一方面也可以提高零件的剛度，使其在復雜的工作條件下有足夠的剛性才抵御塑性變形與降低振動引起的噪聲，此外還可以利用翻邊形成的豎邊和其他零件進行裝配合邊等［1］。汽車外覆蓋件的圓弧翻邊不但容易造成翻邊起皺、開裂的問題，而且會導致型面回彈。

翻邊板料可以分為不變形區(壓料面)、圓弧過渡區和主變形區(豎邊部分)［2，3］。翻邊時壓料面不會發生變形，主變形區處于雙向受拉(受壓)的應力狀態，主應力為周向應力和徑向應力，產生周向應變和徑向應變。其中，周向應力和徑向應力分別為絕對值最大的主應力和主應變。在卸載后，制件在殘余應力作用下發生回彈?？刂品吇貜椀姆椒ㄓ泻芏?，比如做過拉延，減小翻邊量;增加工藝缺口，釋放部分應力;型面做回彈補償等，為了使模具的更改量最小，最常用的一個方法就是改變翻邊鑲塊的刃入時序，即通過先后刃入來控制回彈。本文將探討刃入時序對多料翻邊和少料翻邊的回彈影響，并初步探討其原因。

1 有限元數值模擬實驗

1.1 翻邊幾何模型的建立

圖1 所示為翻邊的下模型面，實驗分別對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊進行模擬，下模型面的棱線圓弧半徑1500 mm，圓角半徑為3 mm。圖2 所示為翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式，分別為同時刃入、兩頭先刃入、中間先刃入和波浪刃入，先后刃入時，先后刃入的落差都為15 mm。圖3 是在AutoForm 軟件中建立的翻邊模擬有限元模型。坯料采用的是DC04 鋼板，厚度為0.8 mm，表1為DC04 鋼板的材料參數。

圖1 翻邊下模型面Fig.1 Flanging model of underneath surface

圖2 翻邊模擬的四種翻邊鑲塊形式Fig.2 Four kinds of flanging insert

圖3 翻邊模擬有限元模型Fig.3 Finite element analysis of flanging model

表1 DC04 鋼板的材料性能參數Tab.1 Material properties of DC04 steel plant

1.2 模擬結果分析

圖4 和圖5 分別為凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈模擬云圖，其中紅色區域表示向上彈，藍色區域表示向下彈。

圖4 凸緣多料翻邊回彈模擬云圖ig.4 Flanging simulation image of more material bulge area

從圖4 中可以看出，對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響，從云圖上看基本一致。從圖5 中可以看出，對于凹緣少料翻邊，無論哪種先后刃入方式，回彈均有明顯改觀。從云圖上看，幾種刃入方式都使回彈分布呈波浪分布，而不是單曲率的樣式，波浪刃入的變化最為明顯，趨勢幾乎與同時刃入相反，由此可以波浪刃入對少料翻邊回彈改善的效率更高。

圖5 凹緣少料翻邊回彈模擬云圖Fig.5 Flanging simulation image of less material low area

2 應力狀態分析

由于翻邊回彈的產生是翻邊面上周向應力的作用，回彈發生改變，也勢必是應力發生改變引起的，可以對比不同刃入對應力的影響。

圖6 所示為凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應力分布。其中白色區域應力為負值，藍色到紅色區域應力為正值且逐漸增大。由圖可見，同時刃入的應力分布均勻(圖中黑框所標示)，以壓應力為主，幾種刃入方式都沒有時顯改變應力的數值和分布。只是把原來較小片的壓應力區域變為幾處大一點的壓應力區域，所以對回彈也沒有明顯改變。

圖6 凸緣多料翻邊在不同刃入時序下的應力分布Fig.6 Stress distribution of more material flanging bulge area

圖7 所示為凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應力分布。同時刃入時應力基本全為正值，即為拉應力。而先后刃入改變了應力狀態，應力不再均勻，而是呈波浪分布(圖中黑框所標示)，壓應力和拉應力交替出現，且應力數值明顯減小，在波浪刃入情況下，壓應力區域大于拉應力區域，導致回彈趨勢發生了反轉。

圖7 凹緣少料翻邊在不同刃入時序下的應力分布Fig.7 Stress distribution of less material flanging low area

3 結論

運用有限元數值模擬的方法，對凸緣多料翻邊和凹緣少料翻邊的回彈現象進行模擬，并對其應力分布狀態進行了分析。認為對于凸緣多料翻邊，各種刃入時序的變化對其回彈量和回彈分布都沒有太大的影響;對于凹緣少料翻邊，無論哪種刃入時序，對其回彈均有明顯改觀，且兩頭先刃入與中間先刃入效果相似，波浪刃入對少料翻邊回彈改善效果為明顯。通過對不同刃入時序下翻邊回彈的分析，找到了翻邊回彈的規律，也為控制汽車覆蓋件翻邊回彈提供了依據。

［1］韓東風，林建平，陳水生，等.汽車覆蓋件內凹圓弧翻邊仿真與變形控制研究［J］.鍛壓技術，2009，34(6):83－85.

［2］Wang C T，Gary Kinzelu，Taylan Altan.Failure and wrinking criteria and mathematical modeling of shrink and stretch flanging operations in sheet-metal forming［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，(53):795－780.

［3］劉志云，何成宏，楊國泰，等.外緣外曲翻邊時的應力應變分析［J］.塑性工程學報，2004，11(2):22－35.

［4］McManus GJ，Writer F.Ferrite rolling of hot rolled sheet:successful use of new technology could open doors［J］.Steel Engineer，1995，72(8):53－54.

［5］De Paepe A，Herman J C，Vincent L.Deep drawable ultralow carbon Ti IF steels hot rolled in the ferrite region ［J］.Steel Research，1997，68 (11):479－486.

［6］Li C F，Yang Y Y，Li Shuoben.Deformation analysis and die－design principles in shrink－curved flanging［J］.Journal of Materials Processing Technology，1995，(51):164－170.

［7］劉天聰.翻邊成形件的常見缺陷及修正方法［J］.模具技術，2000(4):70－73.

［8］伊紹亭.翻邊工序中的問題和解決方法［J］.模具工業，1979(2):114－116.

［9］崔令江.汽車覆蓋件沖壓成形技術［M］.北京:機械工業出版社，2003.

［10］何從俊.冷沖模的修配(修訂本)［M］.北京:機械工業出版社，1978:11－13.

［11］盧險峰.沖壓工藝模具學［M］.北京:機械工業出版社，1998.

［12］俞漢清，陳金德.金屬塑性成形原理［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［13］李大永，范海燕，王玉國.翻邊成型中預示修邊線的一種簡便方法［J］.汽車工藝與材料，2002(5):11－14.

［13］蘭箭，董湘懷，李志剛.有限元逆算法與板料成形工藝的評價［J］.中國機械工程，2002，13(10):826－829.

［14］鐘志華，李光耀.薄板沖壓成型過程的計算機仿真與應用［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［15］曹穎，李大永，李峰，等.翻邊過程成形性預示及修邊線位置確定［J］.武漢工業大學學報，2000，22(4):43－45.