高强度钢汽车纵梁的冲压成形模拟和回弹补偿.pdf

第41卷第2期Vol． 41 No． 2FORGING 冲压;模拟;回弹补偿DOI: 10． 13330/j． issn． 1000-3940． 2016． 02． 013中图分类号: TG386． 3 文献标识码: A 文章编号: 1000-3940 (2016) 02-0064-04Stamping simulation and springback compensation for automobile rail ofhigh strength steelZheng Gang, Wei Liangqing(Mechanical and Electrical Engineering College, Chongqing Creation Vocational College, Chongqing 402160, China)Abstract: For the middle reinforce plate of automobile front rail with problems of wrinkling and fracture in the stamping forming of highstrength steel part, the stamping process of the part was simulated by finite element method so as to avoid these defects and decrease thedevelopment risk of the die. The high strength steel part produced serious springback after deformation, so the multiple iterations spring-back compensation was applied to dies. Therefore, the part area was compensated directly, and the binder area was compensated by fixedcompensation method, and the transition area between the part and binder was taken as a transitional region in the compensation process.The qualified rate of this part was 80． 7% after compensation. The simulation results are in accordance with the experimental results, andit shows that the springback compensation method is feasible and can reduce the die tryout time and manufacture cycle.Key words: high strength steel; stamping; simulation; springback compensation收稿日期: 2015 -07 -17;修订日期: 2015 -09 -20基金项目:重庆市职业教育学会科研课题(2013 - ZJXH -8723)作者简介:郑 钢(1969 - ),男,本科,讲师E-mail: zhenggang_1969@163． com为了能满足汽车轻量化的要求和提高汽车碰撞安全性能,高强度钢在汽车车身上应用已经成为发展趋势[1 -2]。与普通低碳钢相比,高强度钢板有较高的屈服强度,因此在成形中容易出现起皱和破裂等问题,除此之外,高强度成形后的回弹量比普通低碳钢要高得多[3 -4]。板料的回弹问题一直是研究热点,对于回弹问题研究学者提出多种解决方案[5 -6]。刘世豪等[7]研究了Dynaform用于汽车覆盖件进行冲压成形分析和回弹分析,得出有限元模拟仿真和实验结果基本符合。黄娜等[8]研究了高强度钢冲压成形应用和回弹分析,通过设置加强筋控制回弹量。谭海林等[9]借助Dynaform软件对高强钢板冲压件进行了回弹分析,并对模具进行回弹补偿,解决了零件因回弹产生的扭曲问题。传统冲压模具生产中一般采用经验或者简单方法进行回弹补偿,其首次试模合理率很低,通常需要做多次手工修改模具型面,才能生产出满足公差要求的零件。本文针对高强度钢零件成形容易出现的缺陷问题,借助有限元软件对高强度钢汽车覆盖件进行成形模拟,从而有效地避免成形缺陷。对于回弹大的问题,采用有限元软件进行回弹计算,并根据回弹计算结果,采用多次迭代回弹补偿方法对模具进行回弹补偿。1 工艺分析本文研究对象为图1所示某汽车前纵梁中段加强板。该零件是材料为低合金高强度钢B340LA,料厚为1． 2 mm。通过工艺分析和工艺设计,该零件成形需要经过拉延工序、切边工序、冲孔工序和整形工序。根据零件的特点,设计拉延工序的工艺补充面和压料面。坯料尺寸是通过对前纵梁中段加强板的展开,加上一定的修边余量,为了方便下料,将毛坯形状取为矩形,最终得到毛坯尺寸670 mm ×300 mm。图1 前纵梁中段加强板Fig． 1 Reinforce plate of the middle of front rail2 数值模拟2． 1 有限元模型为研究零件的成形性,优化成形工艺,对该零件进行了冲压成形模拟。采用的有限元分析软件为AutoForm,图2为建立的前纵梁中段加强板拉延成形有限元模型。数值模拟中材料为B340LA,板料厚度为1． 2 mm,板料尺寸670 mm ×300 mm,其材料力学性能见表1。有限元模型中的凸模、凹模和压边圈设置为刚性体。成形过程中坯料与凹模、凸模和压边圈的摩擦因数均设为0． 15,压料过程和拉延过程速度设为1． 0 mm· s -1。拉延分析分3个阶段:重力加载阶段、凹模和压边圈打靠阶段和拉延成形阶段。重力加载阶段采用的有限元公式是弹性壳单元,凹模和压边圈打靠阶段和拉延成形阶段采用的是弹塑性壳单元。图3为建立的切边和冲孔的有限元模型。图2 拉延工序有限元模型Fig． 2 Finite element model of drawing process表1 B340LA的材料力学性能Table 1 Mechanical properties of B340LA屈服强度/MPa抗拉强度/MPa杨氏模量/GPa泊松比伸长率/%340 410 210 0． 33 21图3 切边和冲孔的有限元模型Fig． 3 Finite element models of trimming and piecing process2． 2 有限元模拟结果图4为前纵梁中段加强板的成形极限图。图4a为拉延工序的成形极限图,图4b为切边、冲孔后的零件的成形极限图,可以看出,该零件的产品区无拉裂等缺陷。图5为前纵梁中段加强板切边冲孔后的厚度减薄率分布图。图中可以得出,该零件的最小厚度为0． 982 mm,最大厚度为1．233 mm,即最大减薄率为18．17%,最大增厚率为2．76%。零件厚度满足高强度钢零件冲压成形要求(减薄率小于20%)。在后处理中查看有限元分析结果,通过设备吨位预测,得出压边力为6 ×105 N,上模载荷为1．6 ×106 N。针对经过拉延成形、切边和冲孔后的零件,进行回弹分析模拟,回弹分析可以得出零件与模具分离后,零件产生回弹量见图6,回弹分析后零件的最大正、负回弹量分别为2． 2和-1． 4 mm。而该零件允许的回弹量为±0． 5 mm,因此需要对该零件进行回弹补偿。3 回弹补偿回弹补偿通常可分为3种:对所有模具进行补偿、补偿部分模具和仅补偿拉延模具,其中对拉延模具的回弹补偿应用最广。本文采用补偿拉延模具的方法,零件部分采用直接补偿方法,对所定义区56第2期郑 钢等:高强度钢汽车纵梁的冲压成形模拟和回弹补偿 图4 拉延后零件(a)和切边冲孔后零件(b)的成形极限图Fig． 4 Forming limit diagrams of part after drawing (a) and trimming and piercing (b)图5 成形后零件的减薄率分布图Fig． 5 Thinning distribution formed part图6 零件的回弹量Fig． 6 Springback of formed part域使用回弹模拟结果的反法向直接进行补偿。压料面采用固定补偿方式,即压料面区域固定不动、不发生变化。零件和压料面之间的区域为过渡区域,过渡区域主要是工艺补充面,过渡区域用于连接直接补偿和固定补偿区域,保证补偿后的模面光顺,且补偿后无拔模负角。图7为回弹补偿的流程图。回弹补偿采用多次迭代补偿的方式,当一次回弹分析结束,分析零件偏差,并进行第1次补偿后,利用补偿后的型面再次进行冲压成形模拟和第2次回弹计算。若满足零件合格条件计算完成;若不满足,再次回弹补偿,直到最终回弹后的零件满足零件偏差要求。对前纵梁中段加强板采用上述方法进行回弹补偿,当迭代补偿到第2次时,零件回弹满足公差要求(零件偏差≤ ±0． 5 mm)。图8a为经过第2次回图7 回弹补偿的流程图Fig． 7 Flow chart of springback compensation弹补偿后的拉延模的补偿型面,图8b为E - E处截面图,图8b中外面的曲线为未补偿的模具的截面线,内层曲线为经过两次回弹补偿后的截面线。补偿后的零件相对于未补偿的零件的直接补偿区和过渡区发生变化,补偿后的零件其侧壁有向内补偿的趋势;固定补偿区的区域补偿前后型面没有变化。图8 补偿后的型面(a)及截面图(b)Fig． 8 Die surface after compensation (a) and sectional view (b)66锻 压 技 术 第41卷4 实验验证输出最终补偿的网格,在三维建模软件中将补偿的网格重构出曲面。在模具加工前,对重构的曲面再次导入有限元软件中再次计算,验证合格后,将此重构曲面用于加工模具。图9为采用此方法加工模具生产的零件。对得到的零件进行检测,共检测26个检测点,其中合格点数为21个,零件合格率为80． 7%。为进一步提高合格率,需由技术人员针对零件余下不合格的地方进行型面修改。采用多次迭代对拉延模回弹补偿,可以提高模具首次试模合格率,减少模具修改调试次数,从而有效地缩短了模具开发周期。图9 拉延件(a)和整形后的零件(b)Fig． 9 Drawing part (a) and part after restriking (b)5 结论(1)采用Autoform对高强度钢零件进行冲压成形模拟,避免拉裂和起皱缺陷的产生和确定成形参数,得到该零件拉延成形过程压边力为6 × 105 N,上模载荷为1． 6 ×106 N。实验结果表明,冲压成形模拟仿真可以有效地指导实际生产,确定成形相关参数。(2)采用有限元软件进行回弹计算,得出该零件的最大正、负回弹量分别为2． 2和-1． 4 mm。对拉延工序进行多次迭代回弹补偿,经两次回弹补偿后零件尺寸在公差范围以内。(3)采用回弹补偿的数据用于实验,实验结果得出采用本文提出的回弹补偿方法首次试模合格率为80．7%。模拟结果与实验吻合,表明所采用的回弹补偿方法是可靠的,可减少试模时间,缩短开发周期。参考文献:[1] 马云旺.高强度钢汽车纵梁的成形及回弹研究[D].秦皇岛:燕山大学, 2010.Ma Y W. 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