基于Dynaform的回彈控制及優化設計

何斌，邢昌

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基于Dynaform的回彈控制及優化設計

何斌1，邢昌2

（1.安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

為了解決金屬板料成型中的彎曲回彈問題，文章利用Dynaform對U形件的成型過程以及產生的回彈進行模擬仿真分析，并從工藝參數、模具結構、彎曲件結構設計等方面得出控制與減小回彈的方法，為提高沖壓件的質量、縮短產品開發周期以及回彈問題的控制與優化提供了參考和指導。

Dynaform；彎曲回彈；模擬仿真；U形件；回彈控制

前言

隨著汽車工業的發展以及輕量化技術的應用，高強度的沖壓薄板件和鋁合金板材的使用占比越來越高，而在這些沖壓薄板件成型過程中，彎曲回彈的控制及攻關一直是炙手可熱的課題。早期對于簡單的結構和邊界條件的彎曲成形通過理論分析和實驗法開展，并不能滿足現在各制造公司和汽車行業的需求。近幾年來，隨著有限元技術的發展，數值模擬方法已成為當今預測回彈的重要手段，它可以分析出板材成型趨勢、應力應變分布、厚度變化以及回彈量等情況，預測彎曲成形過程中發生的起皺、破裂、回彈等質量缺陷。該技術手段不僅有效縮短模具設計和汽車沖壓件開發周期、提高產品質量和材料利用率而且可以降低制造成本。為了研究常用薄板材成型中的回彈問題及控制方案，本文利用數值模擬分析軟件Dynaform對U形件進行仿真分析，并從工藝參數、模具結構、薄板件產品結構等方面分析驗證控制與減小回彈的方法。

1 彎曲回彈的產生機理及評價標準

薄板件成型是在外載荷的作用下薄板件發生塑性變形和彈性變形過程，當外載荷去除時，塑性變形區的材料保存殘余變形使零件成形，而彈性變形區材料的彈性恢復和塑性變形區材料彈性變形部分的彈性恢復使其形狀、尺寸都發生與加載時變形方向相反的變化，該變化使零件材料內部應力分布不均勻從而導致回彈現象產生。

為了研究彎曲回彈現象及其產生的程度，通常采用截面法來衡量其大小，如圖1所示。通過測量法蘭和直壁的回彈角θ大小來研究回彈控制的方法。

圖1 回彈評價標準

2 彎曲回彈仿真模型建立

基于Dynaform的數值模擬仿真分析主要分三個步驟：

第一步驟：彎曲成形的求解過程。利用三維建模軟件如UG、Pro/E，CATIA等，建好彎曲過程中的凸模、凹模、壓邊圈、以及板料三維模型，并轉化為IGES文件，然后將IGES文件導入Dynaform中，通過Dynaform的前處理模塊進行網格的劃分，工藝過程及相關參數的設置，并設置相應的求解參數進行求解，得到一個dynain文件；

第二個步驟：回彈模擬分析計算。將第一步中得到的dynain文件導入Dynaform中，然后通過Dynaform的前處理的相應模塊進行回彈模擬計算，對材料的設置與第一步中材料設置一致，并且設置相應的求解參數進行回彈求解，得到一個Dynain文件，即得出板料回彈后的形狀；

第三個步驟：利用截面法通過Dynaform后處理觀察板料回彈前后的變化情況，測量出不同參數下的回彈角，然后進行比較得出相應參數對回彈的影響規律，從而得出相應的控制減少回彈的方法，其過程模型如下圖2所示：

a) U形件幾何模型 b) U形件有限元模型 c) U形件后處理分析模型

3 回彈控制及優化方法

在薄板件成型中彎曲回彈的控制方法主要有兩類：一類是制定合理的成形工藝措施，改變板料彎曲時的應力狀態或使板料發生成塑性變形抑制回彈變形的發生；二類是通過優化模具型面或模具結構使沖壓件過正成型，利用回彈規律使其卸載后的形狀與期望形狀相符或相近，本文以這兩種方向和思路制定控制減小回彈的方法，并利用Dynaform進行仿真驗證。

3.1 采用帶有頂件器的模具

薄板材料在彎曲過程中凹模的板料是有一定的撓度，它在凸模圓角的曲率半徑大于凸模的圓角半徑，而通常彎角小于90°從而導致回彈相對有增加的趨勢。如果凹模中增加頂件器（如圖3所示），沖壓件從壓彎開始就被頂件器與凸模就夾住，可以防止了底部板料發生彎曲撓度的可能性，從而使板料在彎曲時其彎角和彎曲半徑盡量與凸模尺寸一致。

圖3 帶頂件器的模具幾何模型

對此，利用Dynaform分別對有頂件器和沒有頂件器的模具進行回彈模擬，其結果比較圖如圖4所示。

圖4 有無頂件器回彈比較圖

（圖中自上而下，分別為回彈前和有頂件器、沒有頂件器的模具成形后零件的截面形狀）

從圖4中可以看出，在模具中加上頂件器后，零件的回彈量減小。通過模擬驗證了采用頂件器可以減小回彈的正確性，因此可以采用頂件器來控制減小回彈。

3.2 采用負間隙的方法

圖5 采用負間隙成形后零件的厚度分部云圖

在薄板件成型過程中，板料與凸凹之間有間隙，當凸凹模間隙大于板料厚度時會引起板料的曲率半徑大于凸模的圓角半徑，而彎角小于90°，此時回彈較大；當凸凹模間隙等于板料厚度時，板料的彎角和彎曲半徑與凸模的尺寸一致，回彈稍小；當間隙小于板料的厚度時，凹模內側壁與彎曲件之間會產生摩擦力，可以使板料變薄，如圖5所示，從而使彎曲處的切向應力分布發生變化，使外層纖維完全進入塑性變形，可改善內層變形區的壓縮回彈現象，從而減小回彈。該控制方法為負間隙法，通常負間隙值Z/2=（0.95-0.97）t（t為板材厚度）。利用Dynaform對U形件進行模擬仿真，分析其零部件厚度變化趨勢以及回彈情況，選定合理的負間隙值。由于負間隙法會對零部件表面產生摩擦，影響表面質量，通常應用于表面質量要求不高的沖壓件。

3.3 采用局部加壓法

在板料成型過程中板料與凸模接觸產生形變，依據板料受力情況，可以將凸模做成小平臺刃口式，如圖6所示，讓板料先與凸模突出小平臺接觸，使成型力集中在較小的接觸面上，提高單位面積受力，增大彎曲成形區的壓應力，使外層材料由切向拉應力進入切向壓應力，與內層材料相同，從而改變板料的應力應變情況，減小回彈。

圖6 局部加壓法的凸模截面形狀

為了驗證該方案的效果，通過Dynaform模擬分析對比采用局部加壓法和沒有采用局部加壓法成形后產生的回彈比較如圖7所示。

圖7 采用局部加壓法和沒有采用局部加壓法回彈比較圖

（圖中自上而下分別為回彈前和采用局部加壓法、沒有采用局部加壓法成形的零件截面形狀）

從圖7中可以看出，采用局部加壓后，零件的回彈角減小，說明采用局部加壓法可以控制減小回彈。

3.4 采用加強筋

通常加強筋可以有效地改善板料在凹模的流動性，增大了板料的成形效果，使得角部內層壓應力的作用區域向拉應力區轉移，可以減小回彈，如圖8所示。但不同的加強筋對回彈的控制作用不同，如果加強筋尺寸過大可能會出現拉裂的現象。因此需進一步研究了不同尺寸加強筋對回彈的影響規律，加強筋a、b、c的半徑R分別為1mm、0.5mm、0.8mm。

圖8 帶加強筋的U形件CAD模型

圖9 有無加強筋的成形后的回彈比較

（圖中自上而下分別是帶加強筋a、回彈前、帶加強筋c、帶加強筋b及沒有加強筋的U形件截面形狀）

通過Dynaform進行回彈模擬分析后可以得出三種加強筋對U形件的彎曲回彈有一定的影響，其回彈比較如圖9所示。為了知道加強筋是否對U形件產生缺陷，再利用Dyna -form的后處理功能得出帶有三種加強筋的U形件的成形極限圖（FLD）如圖10所示。

從圖9中可以看出，有加強筋的U形件成形后的回彈比沒有加強筋的小，而且加強筋為a的回彈最小，加強筋c次之，加強筋b稍大些。但是從圖10中也可以看出，帶加強筋a的U形件在凸緣與側壁交匯區域有明顯的起皺缺陷，而帶加強筋c的U形件也有起皺的現象，但比帶加強筋a的U形件輕一些，帶加強筋b的U形件的幾乎沒有明顯的缺陷。因此，綜合考慮，采用加強筋c的尺寸可以在保證U形件的一定表面質量的前提下有效地減小回彈的發生。

(a)帶加強筋a的U形件 (b)帶加強筋b的U形件 (c)帶加強筋c的U形件

4 結論

通過對U形件的彎曲成形的理論分析研究，建立了U形件的有限元模型，并從工藝參數、模具結構、彎曲件結構等方面上得出控制減小回彈的方法，如采用局部加壓法、負間隙的模具、帶有頂件器的模具、在彎曲上壓加強筋等。利用板料成形分析軟件Dynaform對其進行成形過程及回彈的模擬仿真，驗證了所得出控制減小回彈方法的可靠性，為后期彎曲件結構設計和彎曲模具結構設計提供了參考，具有指導性意義。

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Springback Control And Optimum Design Based on Dynaform

He Bin1, Xing Chang2

（1.Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd, Anhui Hefei 230000;2.Anhui Polytechnic University, Anhui Wuhu 241000 )

In order to solve the problem of bending springback in sheet metal of forming,Using Dynaform to simulate the forming process and springback of U-shape part, it comes to the method of control and reduce springback form the process parameters, tool structure, the structure of bending parts etc.And it provides a reference and guidance for improving the quality of stamping parts,shortening the product development cycle and controlling and optimizing the springback problem.

Dynaform; Bending Springback;Simulation; U-shaped part; Springback control

U462

A

1671-7988(2018)21-79-03

U462

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1671-7988(2018)21-79-03

何斌，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.028