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文/馬驥飛，武俊·天津汽車模具股份有限公司技術(shù)中心

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文/馬驥飛，武俊·天津汽車模具股份有限公司技術(shù)中心

馬驥飛，技術(shù)分公司品質(zhì)科科長(zhǎng)，工程師，碩士學(xué)歷，2007年畢業(yè)至今主要從事汽車模具的工藝設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬分析、制件調(diào)試跟蹤和品質(zhì)提升等工作，通過CAE模擬計(jì)算為車間調(diào)模降低成本，并通過與車間的良好配合，解決了一系列制造調(diào)試過程中的問題。

通過模擬幾種常見的多料翻邊和少料翻邊的不同刃入時(shí)序的回彈，分析結(jié)果，找到規(guī)律。并通過分析應(yīng)力狀態(tài)及翻邊過程，收集了不同刃入量的情況，得出結(jié)論：先后刃入對(duì)少料翻邊效果較好，對(duì)多料翻邊效果不明顯。刃入量落差與回彈量變化呈非線性正相關(guān)。

金屬板料成形是現(xiàn)代工業(yè)中的一種重要加工方法，在汽車行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)今汽車的車身為減小風(fēng)阻，造型美觀，越來(lái)越多運(yùn)用弧形元素。外覆蓋件會(huì)大量應(yīng)用弧形面和弧形邊界。翻邊成形又是板料成形工藝中重要的成形方法，對(duì)零件進(jìn)行翻邊既可以獲得光滑的圓角，又能夠提高零件的剛度，使其在復(fù)雜的工作條件下有足夠的剛性來(lái)抵御各種變形與振動(dòng)，此外還可利用翻邊形成的豎邊和其他零件進(jìn)行裝配合邊等。但當(dāng)弧形區(qū)域翻邊時(shí)，給成形造成一定困難，翻邊后由于邊緣展長(zhǎng)發(fā)生變化，有應(yīng)力產(chǎn)生，進(jìn)而發(fā)生回彈。

根據(jù)以往學(xué)者的研究結(jié)論，翻邊板料可分為不變形區(qū)（壓料面）、圓角區(qū)和主變形區(qū)（豎邊部分）。翻邊時(shí)壓料面不變形，主變形區(qū)雙向受拉或受壓，主應(yīng)力為周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生周向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。卸載后，制件在殘余應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生回彈。我們有多種方法控制翻邊產(chǎn)生回彈，比如在邊界增加工藝缺口以釋放部分應(yīng)力；拉延序做過拉延，減小翻邊量以減小翻邊應(yīng)力；型面按回彈的數(shù)值做反向補(bǔ)償?shù)取８淖兎呰倝K刃入時(shí)序，即先后刃入，是改善回彈方法中模具更改量最小，模具調(diào)試中最常用的一個(gè)方法。本文將探討刃入時(shí)序?qū)追N翻邊情況（多料翻邊和少料翻邊）的回彈影響，并初步探討其原因。

模擬試驗(yàn)

模擬的基本建模情況

圖1，圖2，圖3分別為模擬中的下模、上模鑲塊和基本模型的情況，用正交試驗(yàn)的方式，模擬四種下模分別對(duì)應(yīng)四種上模的回彈情況，也就是說(shuō)，試驗(yàn)樣本為16個(gè)。下模型面和棱線圓弧均為R1500，圓角R3。上模翻邊鑲塊圓角R3，先后刃入時(shí)，先后刃入落差都為15mm。也就是觸料最早和最晚的落差為15mm。坯料采用DC04，料厚為0.8mm，上型基準(zhǔn)。圖4為坯料材料參數(shù)。

圖1 模擬的四種下模形狀

圖2 模擬中的四種翻邊鑲塊形式（以類型1為例）

圖3 模擬基本模型

模擬結(jié)果匯總

表1為模擬結(jié)果匯總，表中回彈量的數(shù)值采集自靠近翻邊棱線的區(qū)域，兩頭找一個(gè)絕對(duì)值最大的值，中間區(qū)域找一個(gè)絕對(duì)值最大的值，正值代表向上彈，負(fù)值代表向下彈。然后兩頭的值減去中間的值。這樣最終的值如果是正值，則說(shuō)明是中間凹，兩頭翹的趨勢(shì)：負(fù)值則說(shuō)明是中間凸，兩頭低，數(shù)值的絕對(duì)值越大，說(shuō)明回彈越厲害。

對(duì)比表中回彈量數(shù)值，可以發(fā)現(xiàn)，多料翻邊（類型1，類型3）同時(shí)刃入的回彈是中間凹，兩頭翹的狀態(tài)，這兩種類型的翻邊，各種刃入時(shí)序變化對(duì)其回彈量和回彈分布都沒有太大影響，從云圖看顏色基本一致。從數(shù)值看，有點(diǎn)效果的改善量也就在10%左右。換句話說(shuō)，彈10mm能回來(lái)1mm。

少料翻邊（類型2，類型4）同時(shí)刃入的回彈都是中間高，兩頭低。無(wú)論哪種先后刃入的方式，回彈均有明顯改觀。從云圖上看，幾種先后刃入方式的云圖都變成中間藍(lán)綠，兩頭紅，也就是中間凹兩頭翹，兩頭先刃入和中間先刃入的效果在翻邊面附近的區(qū)域相似，在遠(yuǎn)離翻邊面的區(qū)域顏色分布有區(qū)別。對(duì)類型4來(lái)說(shuō)，這兩種刃入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(shì)幾乎與同時(shí)刃入完全相反。從數(shù)值上看，都從負(fù)值變?yōu)檎担瑑深^先刃和中間先刃的數(shù)值很接近，而波浪刃入的回彈數(shù)值改變最為劇烈。由此可見，波浪刃入對(duì)少料翻邊回彈改善的效率更高。

原因分析

應(yīng)力分析

由于翻邊回彈的產(chǎn)生是翻邊面上周向應(yīng)力的作用。如果回彈發(fā)生改變，勢(shì)必是應(yīng)力發(fā)生改變引起的，我們可以對(duì)比下不同刃入對(duì)應(yīng)力的影響。

圖4 DC04基本材料參數(shù)

表1 模擬結(jié)果匯總

我們先看刃入時(shí)序?qū)貜椨绊懘蟮纳倭戏叀Ｒ灶愋?為例。

圖5分別為類型2幾種不同刃入的翻邊面上的應(yīng)力分布對(duì)比。其中白色區(qū)域應(yīng)力為負(fù)值，藍(lán)色到紅色應(yīng)力為正值且逐漸增大。

由圖5可發(fā)現(xiàn)，同時(shí)刃入時(shí)應(yīng)力分布均勻，基本上是中間最大，兩邊最小。且應(yīng)力全為正值，也就是拉應(yīng)力。而先后刃入改變了應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力不再均勻，而是呈波浪分布，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力交替出現(xiàn)，且應(yīng)力數(shù)值都明顯減小，由紅黃色為主的色調(diào)轉(zhuǎn)為藍(lán)白色為主。綜合表1和圖5的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，拉應(yīng)力的顯著降低導(dǎo)致回彈量的變化。在波浪刃入情況下，壓應(yīng)力區(qū)域大于拉應(yīng)力區(qū)域，導(dǎo)致回彈趨勢(shì)發(fā)生了反轉(zhuǎn)。

圖5 類型2不同翻邊時(shí)序時(shí)的應(yīng)力分布

圖6 類型1不同翻邊時(shí)序時(shí)的應(yīng)力分布

我們?cè)倏炊嗔戏叺那闆r。以類型1為例。

圖6分別為類型1幾種不同刃入的翻邊面上的應(yīng)力分布對(duì)比。其中白色區(qū)域應(yīng)力為負(fù)值，藍(lán)色到紅色應(yīng)力為正值且逐漸增大。

由圖6可見，同時(shí)刃入時(shí)應(yīng)力分布均勻，以壓應(yīng)力為主，幾種刃入方式都沒有明顯改變應(yīng)力的數(shù)值和分布。只是把原來(lái)較多小片的壓應(yīng)力區(qū)域變?yōu)閹滋幋笠稽c(diǎn)的壓應(yīng)力區(qū)域。色調(diào)沒有明顯變化。綜合表1和圖6的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力沒有顯著變化。所以對(duì)回彈也沒有明顯改變。

翻邊過程分析

我們?cè)倏聪路呥^程。圖7為類型1翻邊過程中板料失穩(wěn)而發(fā)生起皺的情況。圖8為類型1兩邊先刃入翻邊過程中起皺狀況。可見，兩邊先刃并不是想象中的可以將起皺往中間趕，起皺會(huì)隨翻邊的進(jìn)行逐漸產(chǎn)生，而不是集中在中間產(chǎn)生。且起皺明顯比同時(shí)刃入大，但起皺個(gè)數(shù)少。

我們?cè)倏催^程中的應(yīng)力分布。由圖9可見，在兩邊先刃入翻邊過程中，端頭料先翻下去，中間料處于未觸料狀態(tài)，在觸料面附近的一段料始終受壓應(yīng)力（圖9中白色區(qū)域），當(dāng)所受壓應(yīng)力大于其所承受極限時(shí)，就發(fā)生起皺，在“趕料”的過程中，上模鑲塊經(jīng)過的板料都在逐漸失穩(wěn)，起皺，產(chǎn)生壓應(yīng)力，最終形成圖6的應(yīng)力分布。

圖10與圖11為中間先刃入的情況，與上述情況類似，起皺隨著翻邊經(jīng)過的地方逐步形成，而不是被趕到兩端去。可見，對(duì)多料翻邊來(lái)說(shuō)，先后刃入只是改變了起皺的時(shí)間，將很多小皺變成幾個(gè)大皺，但總的壓應(yīng)力大小和總體分布沒有大的變化，所以回彈狀態(tài)也沒有明顯變化。

圖7 同時(shí)刃入翻邊過程中起皺狀況

圖8 兩邊先刃入翻邊過程中起皺狀況

圖9 兩邊先刃入翻邊過程中應(yīng)力分布狀態(tài)

圖10 中間先刃入翻邊過程中起皺狀況

圖11 中間先刃入翻邊過程中應(yīng)力分布狀態(tài)

而對(duì)于少料翻邊，先后刃入也會(huì)出現(xiàn)起皺的情況。同時(shí)刃入時(shí)無(wú)起皺現(xiàn)象，而先后刃入時(shí)，不管哪種方式，翻邊過程均有起皺現(xiàn)象。圖12為不同翻邊時(shí)序的起皺狀態(tài)。少料翻邊在同時(shí)刃入翻邊過程中，無(wú)壓應(yīng)力產(chǎn)生。但在先后刃入時(shí)，均在觸料點(diǎn)附近出現(xiàn)白色區(qū)域，即壓應(yīng)力。出現(xiàn)的壓應(yīng)力極大的改變了整體應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致回彈的顯著變化。圖13為類型2不同翻邊時(shí)序的應(yīng)力狀態(tài)。

圖12 類型2不同翻邊時(shí)序的起皺狀態(tài)

圖13 類型2不同翻邊時(shí)序的應(yīng)力狀態(tài)

改變?nèi)腥肓康那闆r

以上結(jié)果和分析，全建立在先后刃入量為15mm的基礎(chǔ)上，如果加大刃入量落差，情況是否有變化呢？

多料翻邊刃入量落差加大情況

以類型1為例，將先后刃入量落差加大到80 mm，只看兩頭先刃入和中間先刃入兩種情況。圖14和圖15分別為類型1兩頭先刃入和中間先刃入落差80mm后的應(yīng)力分布與回彈值。

由圖14、圖15及表1的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，增大刃入量落差對(duì)回彈幾乎無(wú)影響，對(duì)應(yīng)力分布也無(wú)大的改變。

少料翻邊刃入量落差加大情況

對(duì)少料翻邊也做同樣試驗(yàn)，以類型2為例，將先后刃入量落差加大到80mm，只看兩頭先刃入和中間先刃入兩種情況。圖16和圖17分別為類型2兩頭先刃入和中間先刃入80mm后的應(yīng)力分布與回彈值。

圖14 類型1兩邊先刃入落差80mm后的應(yīng)力分布與回彈值

圖15 類型1中間先刃入落差80mm后的應(yīng)力分布與回彈值

圖16 類型2兩頭先刃入80mm后的應(yīng)力分布與回彈值

圖17 類型2中間先刃入80mm后的應(yīng)力分布與回彈值

由圖16、圖17及表1的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，增大刃入量落差對(duì)少料翻邊回彈影響較大，對(duì)比刃入落差15mm的情況，回彈量幾乎翻倍。但相對(duì)于刃入量落差增大5倍多，回彈量增加不到一倍，可見其關(guān)系非線性。

波浪刃入的情況

由上文可知，兩頭先刃入和中間先刃入的刃入量落差和回彈量呈非線性正相關(guān)，波浪刃入是否有一樣的規(guī)律呢？

以類型4為例，將波浪刃入的刃入量落差分別做到3mm、6mm、10mm、15mm和20mm，觀察其回彈量。圖18為類型4波浪刃入不同落差下的回彈值圖示，圖19為類型4波浪刃入落差和回彈值的關(guān)系。由圖18和圖19可見刃入量落差和回彈量的關(guān)系呈拋物線型，落差超過10mm后，回彈基本上無(wú)大變化。另外，從圖19中可見，只需3mm的刃入量落差，就可以將1.8mm的回彈量控制在0.3mm以內(nèi)，效率遠(yuǎn)高于另兩種先后刃入方式。

圖18 類型4波浪刃入不同落差下的回彈值

圖19 類型4波浪刃入落差和回彈值的關(guān)系

結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合上文分析，得出以下結(jié)論：

⑴先后刃入的過程都是產(chǎn)生壓應(yīng)力即起皺的過程。且兩邊先刃入與中間先刃入的壓應(yīng)力分布無(wú)明顯不同，不存在將起皺趕到兩邊或中間的情況。即使增大刃入量也不會(huì)影響起皺的分布趨勢(shì)。

⑵對(duì)于多料翻邊（類型1、類型3），各種刃入時(shí)序變化對(duì)其回彈量和回彈分布都沒有太大影響。增大刃入量也是如此。

⑶對(duì)于少料翻邊（類型2、類型4），無(wú)論在哪種先后刃入的方式下，均有明顯改觀，且兩頭先刃入和中間先刃入效果相似，波浪刃入對(duì)少料翻邊改善的效率更高。

⑷少料翻邊對(duì)先后刃入的刃入量落差敏感。刃入量落差與回彈量變化呈非線性正相關(guān)，當(dāng)刃入量落差到一定程度時(shí)，回彈量將不再變化。