激光拼焊板車門內板的回彈模擬

劉曉晶++王雅為++王聰++馮章超

摘要：為了研究拼焊板在成形過程中存在的回彈問題，提高零件的成形質量，對某轎車激光拼焊板車門內板進行了沖壓成形及回彈的研究，預測了在成形過程中可能出現的缺陷，通過設置拉深筋和調整壓邊力進行了工藝優化。在成形效果滿意的情況下，對車門內板進行回彈分析，再根據回彈結果對模具進行整體回彈補償，運用補償后的模具重新進行成形和回彈的數值模擬，研究結果表明：通過補償，橫向厚板最大位移由原來的14439mm減小到0493mm；橫向薄板最大位移由原來的7237mm減小到3941mm；縱向有法蘭側最大位移由4360mm減小到2199mm；縱向沒有法蘭側最大位移由3490mm減小到1132mm，由此可知，經過模具型面補償成形的零件回彈后與標準零件型面更加接近，運用這種方法能有效地減少回彈對零件裝配精度的影響，得到高質量的車門內板覆蓋件。

關鍵詞：拼焊板；回彈補償；數值模擬；車門內板

DOI：1015938/jjhust201705019

中圖分類號： TG38641

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2017）05-0103-07

收稿日期： 2016-03-23

基金項目： 黑龍江省自然科學基金（E201102）

作者簡介：

王雅為（1991—），女，碩士研究生；

王聰（1989—），男，碩士研究生

通信作者：

劉曉晶（1966—），女，博士，教授，Email：lxj812@126com

Springback Simulation of the Inner Door Panel of the Laser Tailorwelded Blanks

LIU Xiaojing，WANG Yawei，WANG Cong，FENG Zhangchao

（School of Material Science and Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150040， China）

Abstract：In order to study the problem of tailor welded blanks （TWBs） springback in the forming process and improve its forming quality， a study on the laser TWBs of car door inner panel was made， which was about punch forming and springback Besides， its possible defects were predicted in the forming process， then the process optimization was conducted by setting the draw bead and adjusting the pressurepadforce In the case of satisfied forming results， the car door inner panel was made springback analysis Then based on this rebound results， the pattern die was carried out overall springback compensation， and the numerical simulation of forming and springback was proceeded again by using that compensated pattern die The results showed that， through the compensation， the maximum displacement of transverse thick plate is reduced form 14439mm to 0493mm， and that transverse sheet is reduced form 7237mm to 3941mm； the maximum displacement of its longitudinal direction with flange side is reduced form 4360mm to 2199mm， and that without flange side is reduced from 3490mm to 1132mm Therefore， after inevitable springback， the parts with surface compensation formed by the compensated pattern die are closer to standard parts than others Furthermore， using this method， it is effective to reduce the springback influence about parts assembling accuracy， with obtaining a high quality car door inner panel cover

Keywords：TailorWelded Blanks； springback compensation； numerical simulation； the inner door panelendprint

0引言

拼焊板是指將兩塊或兩塊以上具有不同厚度和機械性能的板料，焊接在一起進行沖壓以滿足零件不同部位的性能要求[1]。在汽車生產中，拼焊板的應用由于其減輕車身重量、減少污染、降低能耗、節約成本等多方面優勢受到了學術界和工業界的關注[2-3]。但由于拼焊板焊縫的存在及焊縫兩側母材厚度和性能差異的存在，使得整體成型性能下降，給模具設計制造及實際生產帶來很多問題[4-5]。因此，國內外研究機構針對拼焊板成形過程中存在的問題進行了諸多的研究[6-7]，如美國俄亥俄州立大學的SaundersF I和Wagoner R H利用一些實驗手段對拼焊板的機械、沖壓性能做了一定的研究[8]。Youngmoo Heo和Youho Choi通過實驗研究發現，可以通過設置拉延筋來控制焊縫的移動[9]。

目前的研究主要以拼焊板成形過程中的的起皺、破裂、焊縫移動[10-13]等方面為主，而對于拼焊板的回彈問題[14]則研究的較少，隨著近些年數值模擬軟件的日趨成熟，重慶大學的周杰、高超等人對拼焊板U形件在沖壓成形中的回彈規律進行了研究，主要研究了厚度比、壓邊力以及拉深筋對回彈的影響[15]。辛賀義、鄭光文等對沖壓件進行了回彈分析，并運用軟件對回彈進行了補償，取得了初步的成果[16-17]。但基于拼焊板的回彈問題的影響因素諸多，對回彈大小控制的準確性與否將嚴重影響沖壓件的成形質量和后續裝配質量[18-20]，目前對復雜拼焊板零件的成形及回彈研究相對較少，因而亟待需要做進一步深入的研究。

本文針對某轎車激光拼焊板車門內板零件，通過數值模擬的方法研究其成形性能，通過設置合理拉深筋能使其成形結果得到改善，通過回彈仿真模擬，能夠預測回彈量，并運用Dynaform軟件中的回彈補償模塊（SCP）對模具型面進行補償，最終得到成形質量好、回彈后接近標準型面的車門內板零件。

1激光拼焊板轎車車門內板的成形性分析

圖1為某轎車前門內板零件模型，整個零件的板坯是由兩塊鋼板焊接而成，板料材質不一樣，且存在厚度差。

零件結構比較復雜而且尺寸比較大，拉深深度很大而且拉深量不均勻，壓料面與側壁，側壁與底部之間的圓角半徑很小。零件的側壁均為多臺階結構，且底部和側壁分布著大量的凹槽、孔和凸臺，零件底部大孔邊緣存在若干凸臺，且這些凸臺結構不完整。因此，該零件的成形難度較大，容易出現各種成形缺陷問題。另外，由于零件是三側封閉的，所以在卸載壓力和切邊過后容易產生回彈，而回彈能對零件的性能及裝配精度產生重大影響。從裝配角度分析，該零件為車門主要承重及抗撞擊部件，裝配關系比較復雜，且要求裝配精度很高。綜上所述，該零件的成形質量以及回彈量對零件本身的性能和后續裝配質量有著重要的影響，因此對其沖壓成形和回彈進行深入研究是有必要的。

2激光拼焊板車門內板模面設計

21內孔修補及幾何形狀改善

應用UG軟件將內孔封閉是比較容易的，可以在UG中直接由孔的邊界線生成曲面達到封閉孔的目的，但是對于一些比較復雜的孔，比如該零件中間底部的大孔，需要創建很多光滑且相連的平面。并且該孔的邊界還帶有很多不完整凸臺，需將凸臺補充完整后再進行孔的封閉。如圖2所示，為補充后的凸臺。圖3為填充好的車門內板零件圖。

22設計壓料面

壓料面是凹模中對應壓邊圈的一部分曲面，壓料面的設計是否合理，關系到板坯流入凹模的方向和速度、變形的程度以及破裂與起皺等缺陷的情況。好的壓料面，能夠使零件各部分的拉深深度更加均勻，使板坯流動更加平衡、阻力分布有利于沖壓成形。本文所設計的壓料面如圖4所示，該壓料面為二階壓料面。

3激光拼焊板車門內板沖壓成形有限元數值模擬模型

31凹模網格劃分及模面修補與檢查

將在UG中繪制好的凹模以igs格式導入到Dynaform中，并對其進行網格劃分。網格的形式為工具網格，最大尺寸為10mm，最小尺寸為1mm，弦高誤差為015，角度為30°，點擊確定，系統將自動進行網格劃分。網格劃分完成后進行模面修補與檢查，對邊界線、單元內角、單元翹曲角、法相單元、長寬比、重疊單元等按要求逐項進行檢查，對不符合要求的單元逐一手動進行修改，直至滿足要求為止。檢查后的網格，如圖5所示。

32確定沖壓方向

本文采用有限元數值模擬軟件Dynaform進行沖壓方向的確定，并對拔模深度、負角以及拔模角度等進行檢查，以確保能一次性地將沖壓件的所有幾何形狀成形出來，且不得存在凸模接觸不到的區域，即“死區”，凸模要能夠完全的、順利的進入到凹模內。對于該車門內板零件，本文選定的沖壓方向如圖6所示。

33凸模及壓邊圈有限元模型建立

凸模和壓邊圈的創建是利用Dynaform軟件中的單元偏置命令從凹模中偏置得到的，偏置量為11倍的板厚，由于該板料為拼焊板，所以偏置量應為厚板的11倍，即為132mm。由于偏置過程中在圓角處會產生一些單元的縮放，所以要對凸模及壓邊圈重新進行單元的檢查與修補，對不合理的單元進行手動修改。圖7和圖8為凸模和壓邊圈的有限元模型。

34焊縫及板坯模型

本文所研究的某轎車車門內板拼焊板的板坯，是由兩塊鋼板焊接而成的，由于激光焊接的焊縫比較窄，另外在進行模擬時，板坯采用的是BT殼單元，薄側和厚側材料在焊接處的單元相同，因此焊縫可以采用剛性連接Z處理，這樣在焊縫兩側母材相連接處的網格節點，就擁有了相同的平動和轉動自由度，焊縫寬度為1mm，且焊縫永久不失效。板坯面積大小是通過Dynaform根據零件尺寸進行板坯估算，再光順邊界得到的。根據車門內板的實際用途，本次模擬所采用的板坯都是厚度為厚側12mm、薄側08mm；材料厚側為高強鋼板DP500、薄側為低碳鋼DQSK，選用36號各向異性材料，屈服函數符合Hill屈服準則。對板坯網格劃分時，網格大小為10mm，采用16號全階積分BT殼單元，法向積分點數目為7。由于本次模擬是一次沖壓成形兩個兩件，所以對板坯進行對稱設置。板坯形狀、焊縫位置以及對稱面位置模型示意圖，如圖9所示。endprint

35有限元數值模擬分析

將創建好的凹模、凸模、壓邊圈和板料都顯示在Dynaform窗口中，對工具進行手動定位，定位后的有限元數值模擬模型，如圖10所示。然后利用Dynaform中的自動設置模塊進行沖壓成形設置，根據拼焊板車門內板的的成形經驗，盡量接近實際情況，又能滿足分析要求。在本次模擬中設定壓邊力為360kN，初步虛擬沖壓速度為2000mm/s，沖壓行程曲線選擇梯形，工具與毛坯之間接觸方式選擇自動面到面接觸，摩擦系數設定為01，模具間隙設定為132mm，設定時間步長為-12×10-6，選擇網格細劃分，單元夾角為5，最大自適應等級選擇3。在工藝參數設置完成后進行動畫預覽，觀察各個工具是否按設定運動，確認無誤后提交任務管理器，由于零件尺寸比較大，整個模擬過程大概要持續10h左右。

4激光拼焊板車門內板有限元數值模擬結果分析及工藝改進

41數值模擬分析結果

計算完成后，對該拼焊板車門內板的數值模擬結果進行后處理分析，圖11為零件的成形極限圖。

由圖11可以看出，零件的底部拉延不充分；厚板下端出現拉裂現象；法蘭處起皺嚴重，薄板上側壁起皺嚴重，底部有兩處出現起皺。如果這些缺陷的存在，將影響到零件的表面質、力學性能和裝配精度，所以必須通過調整工藝參數，對缺陷加以控制。

42工藝改進

為了減少成形缺陷，在凹模上設置兩條等效拉深筋，如圖12所示。拉深筋1的阻力是50N，拉深筋2的阻力是100N，鎖死率均為50%，并調整壓邊力到335kN，其他工藝參數均未發生改變。經過運算后得到的成形極限圖，如圖13所示。

由圖可見，整個零件成形效果得到了較好的改善，沒有拉裂區域，底部拉延區域有所擴大，而拉延不充分區域的大部分將在后續工序中被切除，薄板上側壁及底部的兩處嚴重起皺消失。只有法蘭部分還存在嚴重起皺，但是法蘭并非零件的一部分，會通過下一步切邊工序將被切除。所以通過對成形工藝參數的調整，能有效優化成形質量，減少成形缺陷。

5激光拼焊板車門內板回彈分析

將優化后的車門內板成形后的dynain文件導入新建數據庫進行回彈模擬。選擇16號全積分公式，積分點數目選擇為7；選擇隱式分析為多步，隱式計算的步驟為4，網格粗化為缺省。設置完成后提交任務管理器進行運算，運算時間大約為1h。

運算完成后對模擬回彈結果進行分析，將成形后與回彈后的dynain文件同時導入到Dynaform中，采用截面線法，將模型分別沿X-Z平面和Y-Z平面剖分截面線，在剖分截面線時設定增步量分別為82和139，如圖14和圖15所示。

車門內板結構復雜，各部分回彈量具有不均勻性，而通常回彈所導致的位移會累積到零件的邊緣，因此這里只對每條截面線的端點的位移量進行測量，如圖16為回彈前后橫截面線對比圖，圖17為回彈前后縱截面線對比圖。

從圖16中可以看出，厚板側位移最大的點出現在上端，為14439mm，薄板側位移最大的點也出現在最上端為7237mm。從圖17中可以看出，上端位移點最大為4360mm，下端位移最大點為3490mm，顯然由回彈引起的這種位移量會影響到零件的性能及裝配精度。

6激光拼焊板車門內板回彈補償

為了減小回彈對零件的影響，使得回彈后的零件型面更加接近標準零件，對模具型面和尺寸進行改進和完善。利用Dynaform回彈補償模塊進行回彈補償，能有效地達到這一目的。

將成形后和回彈后的Dynain文件導入到成形模擬數據庫，按照回彈補償模塊的要求進行板坯輸入和工具輸入，區域選擇為全部，光順等級選擇8，選擇單元細化。參數設置完成后提交運算，系統將自動按照輸入的參數對模面的形狀和尺寸進行修改，運算完成后生成一套新的工具。

7激光拼焊板車門內板補償后成形及回彈

以新生成的工具為工具，重新進行工具定位，其余所有參數均與第一次成形的參數相同，提交任務管理器進行成形模擬。經過運算后得到成形極限圖，如圖18所示。從圖中可以看出，補償后的成形結果與第一次成形結果基本相同，可以進行回彈分析。

回彈模擬設置與第一次相同，這里不再介紹。回彈模擬結束后，將第一次成形后和補償后成形再回彈的Dynain文件導入到同一數據庫中，同樣剖取橫縱兩種截面線進行對比，對比結果如圖19和圖20所示。

從圖中可以看出，橫向厚板最大位移由原來的14439mm減小到0493mm；厚板最大位移點出現在低端第3條截面線端點為4818mm，橫向厚板所有點位移都有明顯減少。橫向薄板最大位移由原來的7237mm減小到3941mm，該點仍為最大位移點，其余各點位移量有增有減，但幅度不是很大，都在2mm以內。

縱向有法蘭側最大位移由4360mm減小到2199mm，最大位移點不變，其余各點均有明顯減。縱向沒有法蘭側最大位移由3490mm減小到1132mm，最大位移出現在第五條截面線端點為1831mm，其余各點位移量均有所減少。

8結論

1）在凹模上設置兩條等效拉深筋可以使整個零件成形效果得到較好的改善，沒有拉裂區域，底部拉延區域有所擴大，薄板上側壁及底部的兩處嚴重起皺消失。

2）對激光拼焊板車門內板進行回彈補償后，采用截面法可以看出，橫向厚板最大位移由原來的14439mm減小到0493mm；橫向薄板最大位移由原來的7237mm減小到3941mm；縱向有法蘭側最大位移由4360mm減小到2199mm；縱向沒有法蘭側最大位移由3490mm減小到1132mm。

3）模擬結果發現，經過模具型面補償成形的零件回彈后與標準零件型面更加接近，運用這種方法能有效地減少回彈對零件裝配精度的影響。

參 考 文 獻：

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（編輯：溫澤宇）endprint