DP780高強鋼U形彎曲回彈影響因素及優化

丁華鋒，潘俊杰，晏洋，金先志，李紅兵，胡澤奇，周昌鈺

DP780高強鋼U形彎曲回彈影響因素及優化

丁華鋒1,2，潘俊杰1，晏洋2，金先志1，李紅兵1，胡澤奇1，周昌鈺1

（1.湖北文理學院 汽車與交通工程學院，湖北 襄陽，441053；2.湖北三環鍛造有限公司，湖北 襄陽，441700）

研究DP780高強鋼不同參數對其U形彎曲回彈的影響。在室溫下對DP780鋼板材進行拉伸試驗，獲得其應力應變曲線。采用U形彎曲模具模型，利用ABAQUS有限元仿真軟件對U形彎曲回彈進行分析，研究摩擦因數、壓邊力、沖壓速度和凹凸模間隙對U形彎曲回彈的影響規律，并在此基礎上設計正交試驗以優化影響參數。在較小的摩擦因數下，回彈是有微小波動的，繼續增大摩擦因數，回彈呈現減小的趨勢；回彈隨著壓邊力的增大先增大后減??；沖壓速度的改變對回彈的影響不是很大；隨著凹凸模間隙的增加，回彈逐漸增大。通過正交試驗得到4個參數對回彈程度的影響，最佳參數組合為5531，以此參數組合得出的側壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

DP780高強鋼；U形彎曲回彈；有限元仿真；正交試驗

國際鋼鐵協會將屈服強度在210～550 MPa范圍內的鋼定義為高強度鋼，高強鋼不僅具有較高的抗拉強度，而且在汽車的輕量化、碰撞吸能和成形性等方面都有很好的實用性，這些優異的性能使其在現代汽車上得到了廣泛的應用[1-2]。采用試驗方法研究U形彎曲回彈影響因素具有成本高、效率低的優點，隨著計算機和數值計算方法的快速發展，有限元仿真成為一種解決實際問題的有效手段，有限元仿真法成本低、周期短，在預測回彈問題方面快速發展，對汽車工業中沖壓成形具有一定的指導意義[3]。

為了響應國家節能減排的政策，大量汽車開始使用高強度鋼板，但是高強度鋼板沖壓成形過程中的回彈問題明顯，回彈問題不僅是實際生產中需要解決的問題，也是學術界研究的難點和熱點[4]。Xu等[5]分別研究了積分點、空白網格尺寸數、阻尼值和沖孔速度等幾個參數對回彈模擬精度和效率的影響，并提出了合理的取值。Lawanwong等[6]研究了消除高強度鋼板U形回彈的兩種方式，通過控制法蘭外沖頭行程和模具中的上推力來獲得理想的U形彎曲零件。Mulidrán等[7]通過模具設計方法達到了減小高強度鋼回彈的目的，并將回彈預測結果與試驗值進行了比較。Cui等[8]分析了電磁力對回彈標定的影響，發現較高的放電電壓可以顯著降低回彈，其仿真結果具有較高的精度。Spathopoulos等[9]根據回彈的影響因素提出了一種用于板材成形過程回彈預測的新型神經網絡系統，并對類似工業研究中使用的測試用例進行了驗證。呂琳等[10]利用有限元軟件對縱弧棱U型梁進行了數值模擬，研究了壓邊力和摩擦因數對回彈的影響規律。聶昕等[11]通過自行設計制造的回彈試驗模具研究了3種不同性能的高強度鋼板在不同U形彎曲成形的沖壓工藝及不同成形狀態下的回彈規律。余海燕等[12]研究了兩種材料U形回彈隨時間而改變的時效回彈行為，其時效回彈量均可用指數函數來表達。李國棟等[13]基于2種磁脈沖輔助成形方案，揭示了鋁合金板材磁脈沖輔助彎曲成形對回彈的影響機理。胡大超等[14]利用ABAQUS有限元分析，對大型U形板材工件漸進滾彎成形及其回彈過程進行了數值模擬，發現用漸進滾彎方法成形加工半橢圓形工件是可行的。文中基于ABAQUS有限元分析，對DP780高強鋼U形件進行數值模擬，模型采用U形彎曲模具尺寸，研究4種不同參數的取值對回彈的影響。在此前提下，通過正交試驗選出一組合理取值，使其回彈最小。

1 U形件有限元模型

1.1 拉伸試驗

試驗材料為寶鋼集團生產的冷軋DP780鋼板材，按照《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》（GB/T 228.1—2010）[15]，設計出尺寸形狀如圖1，厚度為2 mm的試件。在室溫條件下通過微機控制電子萬能試驗機進行靜態拉伸試驗，設置拉伸速度為0.5 mm/min，試件拉伸斷裂后的狀態如圖2所示。通過對比分析，選取其中一組試驗數據處理后得到DP780鋼材料的工程應力應變曲線，經公式（1）轉換得到的應力應變曲線如圖3所示。通過靜態拉伸試驗得到DP780高強鋼的屈服強度為526 MPa，抗拉強度為837 MPa，密度為7.9 g·cm?3，彈性模量為2.1×105Mpa，泊松比為0.3，伸長率為19.84%。

式中：ε為工程應變；σ為工程應力；εT為真實應變；σT為真實應力。

圖2 試件拉伸斷裂圖

圖3 應力應變曲線

1.2 U形件有限元模型的建立

U形件模具發展至今，國內外研究人員使用不同的U形彎曲模具進行了回彈分析，研究了各種影響回彈的因素和減小回彈的方法，通過試驗和有限元方法對U形彎曲回彈進行了歸納和總結，為U形模具設計和實際生產提供了依據。文中采用的U形彎曲模具尺寸如圖4所示，試件的尺寸為1 mm′50 mm′300 mm，由于模型是對稱圖形，取模型的1/2在ABAQUS中采用三維可變形殼拉伸命令畫出凸模、凹模、壓邊圈和試件，材料屬性按毫米單位制換算輸入密度、楊氏模量和泊松比，試件材料塑性參數輸入從屈服點到抗拉強度一段所有點，進行裝配畫網格后如圖5所示。在分析步處設置重啟動分析，各個部件之間解除部位摩擦因數均取0.1，凸模、壓邊圈和凹模可看做剛體，在一半模型上設置壓邊力為50 kN，虛擬沖壓速度為1 m·s?1。ABAQUS有限元分析一般有顯示和隱式兩種算法，沖壓過程采用動力顯示算法，回彈過程采用靜力隱式算法。

圖4 U形彎曲模型尺寸圖（單位：mm）

圖5 1/2 U形網格模型

2 回彈測量標準與影響因素

2.1 回彈測量標準

圖6為回彈測量標準，用側壁角1和法蘭角2來表示回彈的大小?；貜椖M的影響因素很多，文中只對幾個顯著參數進行分析。厚度積分點取7、網格尺寸大小為2[16]，在壓邊力為100 kN、摩擦因數為0.1、凸凹模間隙為1 mm、沖壓速度為1 m/s的條件下，模擬回彈前后的三維結果和前端面結果如圖7、圖8所示。

圖6 回彈測量標準（單位：mm）

圖7 模擬回彈前后結果

圖8 前端面回彈結果

2.2 摩擦因數對回彈的影響

在其他條件不變的情況下，僅改變摩擦因數取值對回彈的影響如圖9、圖10所示。在較小的摩擦因數下，其回彈有微小的波動，繼續增大摩擦因數，回彈量呈現減小的趨勢，這一規律與孫偉等[17]和薛克敏等[18]得出的結論相同。當摩擦因數較小時，板料在沖壓過程流動越容易，回彈越小，再選擇較大的摩擦因數會減小回彈，摩擦因數的增大對法蘭角2的影響較大，壓邊圈與凹模之間的摩擦力變大，使兩個材料表面之間的流動阻力增大，經過模具脫離后回彈減小，但較大的摩擦因數對材料的成形質量有影響，可能出現拉裂危險。

圖9 不同摩擦因數下的回彈大小

圖10 摩擦因數對回彈影響

2.3 壓邊力對回彈的影響

不同壓邊力取值對回彈的影響如圖11、圖12所示。在壓邊力較小的情況下，回彈先隨著壓邊力的增大而增大，之后又隨著壓邊力的增大而減小，這與張華平等[19]和張茜等[20]得出的結論一致。較大的壓邊力對側壁角1的影響較大，在壓邊圈壓緊狀態下進行沖壓過程會使材料側壁產生嚴重的塑性變形，也導致材料側壁的減薄率增大，最終對側壁角的回彈產生較大影響，從而影響裝配尺寸精度。

圖11 不同壓邊力下回彈的大小

圖12 壓邊力對回彈的影響

2.4 沖壓速度對回彈的影響

不同的沖壓速度對回彈的影響如圖13、圖14所示。可以看出，沖壓速度的改變對回彈的影響不是很大，這與鄭淇文等[21]得到的結果相同。模擬過程中不同的沖壓速度對運算的快慢有很大的影響，沖壓成形過程中較大的速度對模具磨損有較大的影響，回彈是板料在模具卸載后的變化量大小，沖壓速度的改變對最終回彈影響不大。

圖13 不同沖壓速度下回彈的大小

圖14 沖壓速度對回彈的影響

2.5 凹凸模間隙對回彈的影響

不同凹凸模間隙對回彈的影響如圖15、圖16所示。隨著凹凸模間隙的增大，回彈在逐漸增大，這與鐘文等[22]和吳信濤等[23]的結論相同。厚度與間隙值相同時，主要是凸模和凹模圓角處發生回彈，在側壁處基本沒有大的彎曲回彈現象；間隙一旦超過其厚度后，在沖壓側壁產生一定的彎曲回彈，用曲率半徑來表示回彈大小，間隙值繼續增加到一定程度，則產生更大的回彈，曲率半徑越小，回彈越明顯。

圖15 不同凹凸模間隙下回彈的大小

圖16 不同凹凸模間隙對回彈的影響

3 正交試驗

3.1 正交試驗表設計

上述通過研究不同摩擦因數、壓邊力、沖壓速度和凹凸模間隙單個因素對U形彎曲回彈的影響，并與其他文獻結果對比，驗證了文中模擬過程的準確性。更進一步地，采用正交試驗分析這4個參數及各參數取值對回彈的影響程度。正交試驗是一種研究多因素多水平的設計方法，可以提高優化效率、減少有限元模擬次數，正交表具有正交性、均勻分散性和整齊性等特點，能夠通過較少的試驗次數找出每個因素的影響大小，確定出最佳參數組合[24]。在試驗過程中使用四因素五水平(L25(45))的正交試驗表，基于單因素對回彈的影響選取一些比較具有代表性的水平參數進行模擬，各因素之間無交互作用，回彈考核指標為側壁角1和法蘭角2越接近90°越好，正交試驗表如表1所示。

表1 影響回彈指標的因素和水平

Tab.1 Factors and levels affecting the springback index

3.2 正交試驗結果分析

表2為四因素五水平正交表得出的25組試驗數據結果，表3、表4是側壁角1和法蘭角2的極差分析結果，其中，1、2、3、4、5分別表示各因素不同水平對應的指標均值，并用各均值的最大值減去最小值，求出各因子的極差，以確定各因素對回彈影響程度的大小?？梢钥闯觯瑐缺诮?和法蘭角22個極差的影響因素大小都相同，均為凹凸模間隙＞摩擦因數＞沖壓速度＞壓邊力，回彈最小的最佳參數組合為5531，以此參數組合（試驗號25）得出的側壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

表2 L25(45)正交試驗結果

Tab.2 L25 (45) orthogonal test results

表3 側壁角1極差分析

Tab.3 Range analysis of side wall angle θ1

表4 法蘭角2極差分析

Tab.4 Range analysis of flange angle θ2

4 結論

1）利用ABAQUS有限元分析研究DP780高強鋼U形彎曲回彈影響因素，發現在其他參數不變的情況下，摩擦因數較小時，其回彈是有微小波動的，繼續增大摩擦因數，回彈呈現減小的趨勢；回彈隨著壓邊力的增大先增大后減小沖壓速度的改變對回彈的影響不是很大；隨著凹凸模間隙增大，回彈在逐漸增大。

2）通過正交試驗并采用極差分析，得出側壁角1和法蘭角2的影響因素大小都相同，即對回彈的影響從大到小排序是凹凸模間隙＞摩擦因數＞沖壓速度＞壓邊力?；貜椬钚〉淖罴褏到M合為5531，以此參數組合得出的側壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

[1] 羅培鋒, 楊萬慶, 陳東, 等. 高強度鋼成形技術及車身輕量化應用[J]. 汽車實用技術, 2020, 45(16): 170-175.

LUO Pei-feng, YANG Wan-qing, CHEN Dong, et al. Forming Technology of High Strength Steel and Application of Body Lightweight[J]. Automobile Applied Technology, 2020, 45(16): 170-175.

[2] 潘利波, 祝洪川, 魏星. 車身用高強鋼的回彈實驗與分析[J]. 精密成形工程, 2019, 11(1): 25-29.

PAN Li-bo, ZHU Hong-chuan, WEI Xing. Test and Analysis on Springback of High Strength Steel for Car Body[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(1): 25-29.

[3] 李富柱, 翟長盼, 李偉, 等. 汽車車身構件沖壓回彈研究現狀[J]. 鍛壓技術, 2018, 43(2): 1-8.

LI Fu-zhu, ZHAI Chang-pan, LI Wei, et al. Research on Status of Stamping Springback for Auto-Body Parts[J]. Forging & Stamping Technology, 2018, 43(2): 1-8.

[4] 吳向東, 張毅升, 萬敏, 等. 板材成形性能試驗方法及應用[J]. 精密成形工程, 2019, 11(3): 42-50.

WU Xiang-dong, ZHANG Yi-sheng, WAN Min, et al. Application and Test Methods of Sheet Metal Formability[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(3): 42-50.

[5] XU W L, MA C H, LI C H, et al. Sensitive Factors in Springback Simulation for Sheet Metal Forming[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 151(1-3): 217-222.

[6] LAWANWONG K, HAMASAKI H, HINO R, et al. Double-Action Bending for Eliminating Springback in Hat-Shaped Bending of Advanced High-Strength Steel Sheet[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020, 106(5): 1855-1867.

[7] MULIDRáN P, SPI?áK E, TOMá? M, et al. Numerical Prediction and Reduction of Hat-Shaped Part Springback Made of Dual-Phase AHSS Steel[J]. Metals, 2020, 10(9): 1119.

[8] CUI Xiao-hui, ZHANG Zhi-wu, YU Hai-liang, et al. Springback Calibration of a U-Shaped Electromagnetic Impulse Forming Process[J]. Metals, 2019, 9(5): 603.

[9] SPATHOPOULOS S C, STAVROULAKIS G E. Springback Prediction in Sheet Metal Forming, Based on Finite Element Analysis and Artificial Neural Network Approach[J]. Applied Mechanics, 2020, 1(2): 97-110.

[10] 呂琳, 劉武靜, 高紅蘭. 縱弧棱U型梁的沖壓回彈預測[J]. 塑性工程學報, 2021, 28(5): 211-217.

Lü Lin, LIU Wu-jing, GAO Hong-lan. Prediction of Stamping Springback of Longitudinal Arc Rib U-Shaped Beam[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(5): 211-217.

[11] 聶昕, 楊昕宇, 牛星輝, 等. 基于不同U形彎曲沖壓工藝的高強度鋼板回彈實驗研究[J]. 鍛壓技術, 2019, 44(12): 1-10.

NIE Xin, YANG Xin-yu, NIU Xing-hui, et al. Experimental Study on Springback of High Strength Steel Sheet Based on Stamping Processes under Different U-Shaped Bending[J]. Forging & Stamping Technology, 2019, 44(12): 1-10.

[12] 余海燕, 吳航宇, 汪林. 先進高強鋼板沖壓成形后的時效回彈行為[J]. 塑性工程學報, 2021, 28(6): 2-7.

YU Hai-yan, WU Hang-yu, WANG Lin. Time-Depe-ndent Springback Behavior of Advanced High Strength Steel Sheet after Stamping Forming[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(6): 2-7.

[13] 李國棟, 黃亮, 李建軍, 等. 鋁合金板材磁脈沖輔助U形彎曲過程回彈數值模擬分析[J]. 精密成形工程, 2018, 10(1): 148-155.

LI Guo-dong, HUANG Liang, LI Jian-jun, et al. Numerical Simulation of Springback Analysis for Electromagnetic Assisted U-Shaped Bending of Aluminum Alloy Sheet[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2018, 10(1): 148-155.

[14] 胡大超, 李國慶, 付澤民. 大型U形板材工件漸進滾彎成形數值模擬[J]. 精密成形工程, 2011, 3(6): 117-120, 125.

HU Da-chao, LI Guo-qing, FU Ze-min. Numerical Sim-u---lation of Multiple-Step Roll-Bending Forming of Large-Scale Sheet Metal with U Shape[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2011, 3(6): 117-120, 125.

[15] 國家質量監督檢驗檢疫總局, 中國國家標準化管理委員會. 金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法: GB/T 228.1—2010[S]. 北京: 中國標準出版社, 2011.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. Metallic Materials-Tensile Testing-Part 1: Method of Test at Room Temperature: GB/T 228.1— 2010[S]. Beijing: Standards Press of China, 2011.

[16] 徐偉力, 馬朝暉, 李川海, 等. 回彈顯式解法的影響因素[J]. 鍛壓技術, 2004, 29(6): 12-15.

XU We-li MA Chao-hui, LI Chuan-hai et al. Effecting Factors on Solution of Springback Simulation[J]. Forging & Stamping Technology, 2004, 29(6): 12-15.

[17] 孫偉, 王巖松, 趙禮輝, 等. 基于響應面法的DP600高強鋼U型件沖壓拉延回彈變形研究[J]. 熱加工工藝, 2018, 47(23): 115-120.

SUN Wei, WANG Yan-song, ZHAO Li-hui, et al. Research on Drawing Springback Deformation of DP600 High Strength Steel U-Shaped Parts Based on Response Surface Method[J]. Hot Working Technology, 2018, 47(23): 115-120.

[18] 薛克敏, 陳龍, 孔炎, 等. CLAM鋼U形彎曲回彈數值模擬優化與試驗[J]. 塑性工程學報, 2013, 20(1): 53-57.

XUE Ke-min, CHEN Long, KONG Yan, et al. Numerical Simulation Optimization and Experimental Study on U-Bending Springback of CLAM Steel[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2013, 20(1): 53-57.

[19] 張華平, 李亞, 連昌偉. DP980高強鋼U形彎曲實驗與數值模擬[J]. 鍛壓技術, 2020, 45(4): 70-75.

ZHANG Hua-ping, LI Ya, LIAN Chang-wei. Test and Numerical Simulation of U-Shape Bending Part for DP980 High Strength Steel[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(4): 70-75.

[20] 張茜, 劉淑影, 牛星輝, 等. 基于Dynaform的DP600高強鋼U形彎曲回彈影響因素研究[J]. 模具制造, 2020, 20(4): 32-35.

ZHANG Qian, LIU Shu-ying, NIU Xing-hui, et al. Research on Influencing Factors of DP600 High Strength Steel U-Bending Springback Based on Dynaform[J]. Die & Mould Manufacture, 2020, 20(4): 32-35.

[21] 鄭淇文, 朱春東, 郭宇航, 等. Strenx960先進高強鋼折彎回彈控制[J]. 鍛壓技術, 2020, 45(11): 25-29, 35.

ZHENG Qi-wen, ZHU Chun-dong, GUO Yu-hang, et al. Bending Springback Control of Advanced High-Stre-ngth Steel Strenx960[J]. Forging & Stamping Technology, 2020, 45(11): 25-29, 35.

[22] 鐘文, 項輝宇, 冷崇杰, 等. 成形工藝參數對U形件回彈影響的仿真分析[J]. 機床與液壓, 2019, 47(19): 145-152.

ZHONG Wen, XIANG Hui-yu, LENG Chong-jie, et al. Simulation Analysis of Springback Effect of Forming Process Parameters on U-Shaped Workpiece[J]. Machine Tool ＆ Hydraulics, 2019, 47(19): 145-152.

[23] 吳信濤, 丁方強, 劉國凱, 等. DP800雙相高強鋼折彎及回彈研究[J]. 精密成形工程, 2016, 8(4): 38-42.

WU Xin-tao, DING Fang-qiang, LIU Guo-kai, et al. Bending and Springback of High-Strength Dual Phase Steel DP800[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2016, 8(4): 38-42.

[24] 王東濤, 謝延敏, 郭元恒, 等. 基于Kriging模型的高強鋼成形回彈工藝優化和模面補償研究[J]. 鍛壓技術, 2021, 46(10): 62-69.

WANG Dong-tao, XIE Yan-min, GUO Yuan-heng, et al. Research on Process Optimization and Die Surface Compensation for High-Strength Steel Forming Springback Based on Kriging Model[J]. Forging & Stamping Technology, 2021, 46(10): 62-69.

Influence Factors and Optimization of U-shaped Bending Springback of DP780 High-strength Steel

DING Hua-feng1,2, PAN Jun-jie1, YAN yang2, JIN Xian-zhi1, LI Hong-bing1, HU Ze-qi1, ZHOU Chang-yu1

(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Sciences, Hubei Xiangyang 441053, China; 2. Hubei Third Ring Forge Co., Ltd, Hubei Xiangyang 441700, China)

The work aims to study the influence of different parameters of DP780 high-strength steel on its U-shaped bending springback. A tensile test was carried out on DP780 steel sheet at room temperature, and its stress-strain curve was obtained. The U-shaped bending die model was used to analyze the U-shaped bending springback with ABAQUS finite element simulation software, and the influence laws of friction coefficient, blank holder force, punching speed and clearance between punch and die on the U-shaped bending springback were studied. On this basis, orthogonal experiments were designed to optimize the influencing parameters. The results show that with a small friction coefficient, the springback will fluctuate slightly. Continue to increase the friction coefficient, the springback will show a decreasing trend. The springback first increases and then decreases with the increase of blank holder force. Change of the punching speed does not have a great impact on the springback. With the increase of clearance between punch and die, the springback gradually increases. The influence magnitude of the four par-ameters on springback is obtained through the orthogonal experiment, and the best parameter combination is5531. Side wall angle1and flange angle2obtained by this parameter combination are the closest to 90°, and the springback effect is the best.

DP780 high-strength steel; U-shaped bending springback; finite element simulation; orthogonal experiment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.007

U466;TG142

A

1674-6457(2022)10-0049-07

2021?12?01

湖北省教育廳科學技術研究計劃青年人才項目（Q20202602）

潘俊杰（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向為沖壓成形。

丁華鋒（1986—），男，博士，講師，主要研究方向為汽車輕量化設計及制造技術。