基于活動拉深筋過拉深工藝的高強鋼S梁扭曲回彈控制研究

王成勇 姚圓圓 程 明 安自仁

合肥工業大學材料科學與工程學院，合肥，230009

0 引言

高強鋼由于其較大的減重潛力和較高的安全性能等優勢，取代傳統鋼板廣泛應用于汽車車身制造是必然趨勢，但高強鋼在成形后容易產生較大的回彈。扭曲回彈作為回彈的一種重要表現形式，定義為：零件兩橫截面之間沿著零件縱向發生了方向相反的旋轉而形成的變形。扭曲回彈一般出現在復雜結構沖壓件的成形中，嚴重影響產品的精度[1]。

近年來國內外學術界在高強鋼回彈預測和控制方面做了大量的工作。單體坤等[2]研究了變壓邊力對高強鋼沖壓件回彈缺陷的控制。張懃[3]為解決高強鋼的回彈問題，設計了一種帶有活動拉深筋的拉延模。吳磊等[4]提出了一種基于截面運動規律的扭曲回彈控制方法。DU等[5]對雙向高強度鋼板進行了仿真研究，并對扭曲回彈、型面偏移進行了研究。但上述研究均未討論利用新工藝方法來控制高強鋼S梁的扭曲回彈缺陷。

本文借助CAE軟件AUTOFORM對某型車高強鋼S梁拉延后的扭曲回彈特性進行研究，分析得到拐角特征是造成S梁扭曲回彈的關鍵因素。結合現場生產，在拉延造型上設計成形筋的基礎上，對比研究兩種新工藝對高強鋼S梁扭曲回彈缺陷的改善效果。

1 梁結構特征

車身結構中的S梁通常是U形截面，具有多孔、多筋、多工藝補充和高強度等特點，屬長骨架類結構。本文研究的S梁尺寸較大，在長度方向上有明顯的不對稱彎曲、變截面高度和變截面寬度等特征，且在梁左端存在兩組不同拐角(151.8°和156.2°)，局部還存在加強筋、沖孔和翻邊特征，如圖1所示。結合實際生產經驗，S梁由拉延、沖孔、翻邊、整形四道工序沖壓制成。

圖1 S梁模型Fig.1 The geometry of S beam

2 有限元分析

2.1 材料參數

零件材料采用雙相鋼DP780，厚度為1.7 mm，拉伸曲線由企業提供，力學性能參數如表1所示。

表1 材料力學性能參數

2.2 有限元模型

采用板料成形數值模擬軟件AUTOFORM進行拉延和回彈模擬。S梁拉延有限元模型如圖2所示。壓力機采用單動壓力機；模具設置為剛體；板料網格劃分采用三角形的彎曲加強膜單元，最大網格尺寸為20 mm；自適應階數為7。

圖2 S梁拉延模型Fig.2 Drawing model of S beam

利用AUTOFORM的onestep模塊預測坯料形狀，再使用修整和光順命令確定最終的坯料形狀，如圖3所示。

圖3 坯料尺寸Fig.3 The geometry of initial blank

2.3 邊界條件

AUTOFORM采用的板料和模具邊界接觸準則是基于主從面法的上下接觸準則，拉延工序工藝參數如表2所示。

表2 S梁拉延工藝參數

3 工藝分析與討論

3.1 S梁扭曲回彈評價

為更好地觀察零件拉延后的回彈分布，拉延后的零件保留法蘭部分切邊。為研究問題方便，選取圖4所示7個特征截面(S1，S2，…，S7)，并在特征截面上選取圖5所示的4個關鍵特征點W1、N1、W2、N2。因凸模底面上的坯料流動量小，故沒有考慮其上的點。W1、N1分別指側壁外內側靠近凹模圓角處的特征點；W2、N2分別指法蘭外內側靠近凹模圓角處的特征點。W1、N1互為外內側壁上的對應點，W2、N2互為外內法蘭上的對應點。

圖4 特征截面Fig.4 Characteristic sections

圖5 特征點和截面S2特征點的應力分析Fig.5 Characteristic points and the stress analysis of section S2

針對S梁拉延成形后出現的扭曲回彈，從CAE分析結果數據中取上述7個特征截面上特征點的Z向回彈值d，結果如圖6所示。可看出4個特征點的回彈值沿截面S1～S7變化不均勻，且對應點的回彈值變化方向相反。拐角截面S2處的回彈量最大，兩端部次之，對稱截面S5處回彈量相對較小。從以上分析可以看出，回彈量與零件的幾何造型密切相關，零件各個截面間以及同一截面不同部位上的回彈量分布都不均勻。

為探究零件截面繞對稱軸的偏轉程度，令Δdi=(dWi-dNi)/2 (i=1，2；dWi、dNi分別為特征點Wi、Ni的Z向回彈量)。Δd1、Δd2分別表示側壁和法蘭上對應點所在截面對稱軸的偏轉量，規定Δdi的方向：向外端偏轉為正。Δdi的變化趨勢如圖7所示(a1、a2分別為側壁截面和法蘭截面的對稱軸)。由圖7可以看出，截面S5的對稱軸偏轉量最小，截面S2的對稱軸偏轉量最大。這是由于S2截面處存在拐角特征，截面兩側的幾何造型不對稱引起此處應力變化復雜。鑒于拐角特征對零件整體扭曲回彈影響較大，下面對拐角處板料的應力和變形進行分析。

圖7 Δdi沿截面變化趨勢Fig.7 Δdi distribution along sections

3.2 S梁拐角截面的應力和變形分析

對拐角特征S2截面上4個特征點的應力狀態進行分析,結果如圖5所示。σ1和σ2分別代表沿縱向和橫向的平面應力。由圖5可以看出，內側法蘭有起皺傾向，產生了平面壓應力，而側壁產生了顯著的拉應力，表明作用在板料上的載荷在通過內側凹模圓角時發生了相反的變化。同樣地，外側法蘭上的拉應力在經過外側凹模圓角后轉變為分布在側壁上的壓應力。對S2截面處4個特征點的σ1隨沖壓行程的變化進行追蹤，由圖8可以看出，對應點W1和N1、W2和N2的σ1變化趨勢相反。

圖8 S2截面上4個特征點的應力變化路徑Fig.8 The historic stress paths of four characteristic points in S2 section

在回彈前，S2截面處內側側壁σ1為拉應力，回彈過程中產生了相反的壓應力場，側壁周長有收縮的趨勢，并形成了一個正向彎矩MN1；內側法蘭回彈前處于壓應力狀態，回彈產生相反的拉應力場，使法蘭周長有伸長的趨勢，并形成反向彎矩-MN2。同理，外側側壁和法蘭回彈分別產生了拉應力場和壓應力場，使外側側壁和法蘭周長分別有伸長和收縮的趨勢，形成了反向彎矩-MW1和正向彎矩MW2。

同時，與典型的U形截面零件的側壁回彈相似，拐角截面S2處的內外側壁也會有張開的趨勢，造成內外側壁周長分別有伸長和縮短的趨勢。拐角處側壁、法蘭周長的不一致變化和正負彎矩的共同作用，致使拐角處內外側應力狀態差異大、變形復雜。這是S梁發生扭曲回彈的主要原因。

3.3 兩種工藝方案對S梁扭曲回彈的改善效果對比

板料成形是一個幾何非線性、材料非線性、接觸非線性的大塑性變形過程，涉及金屬板料在拉延和彎曲等復雜應力狀態下的塑性流動強化等問題。工藝參數和工藝方法的變化會使板料成形過程中的接觸狀態發生變化，從而影響材料的流動，造成不同的成形效果[6-7]。本文嘗試通過改進S梁拉延模幾何造型和成形工藝的方法來減小S梁的扭曲回彈。為此提出在添加工藝成形筋的基礎上，分別使用變壓邊力和活動拉深筋過拉深工藝控制S梁的扭曲回彈缺陷。

為改善拐角S2處金屬流動不均勻的情況，在零件拉延幾何造型上添加成形筋，如圖9所示。

圖9 成形筋Fig.9 Forming bead

3.3.1變壓邊力加成形筋對扭曲回彈的改善

變壓邊力是指在板料沖壓過程中壓邊力大小隨模具行程發生變化，在沖壓過程中采用變壓邊力可顯著提高沖壓件的成形性[8]。本文采用特定型號氮氣彈簧實現壓邊力隨沖壓行程而改變，其變化曲線如圖10所示。在沖壓開始時采用較小的壓邊力以便于板料流動，避免板料出現早期裂紋，但在沖壓趨近完成的后期增大壓邊力，使板料得到充分拉延，減小總變形量中彈性變形量占比，從而減小S梁出模后的回彈量。

圖10 壓邊力變化曲線Fig.10 The blank holder force distribution

采用成形筋與變壓邊力組合的工藝方案，得到的特征點回彈量和對稱軸偏移量隨截面變化的趨勢如圖11和圖12所示。分別對比圖6與圖11、圖7與圖12，可看出特征點回彈量和對稱軸偏轉量都得到很大減小。由圖11和圖12可以看出：零件回彈的趨勢是中間拱起兩端向下垂，兩端都有向內側逆時針偏轉的趨勢，且靠近零件兩端，截面對稱軸偏轉程度變大。近端部截面S7處的回彈量和對稱軸偏轉量大于近端部截面S1處的回彈量和對稱軸偏轉量，這是由于在靠近S1截面處添設了成形筋，改善了拐角造型的非線性。

圖11 變壓邊力加成形筋方案下特征點Z向回彈量沿截面分布圖Fig.11 The Z-direction springback distribution of characteristic points along sections under variable blank holder force and forming bead

圖12 變壓邊加成形筋方案下Δdi沿截面變化趨勢Fig.12 The Δdi distribution along sections under variable blank holder force and forming bead

3.3.2活動拉深筋過拉深加成形筋對扭曲回彈的改善

“過拉深”是指利用活動的拉深筋或階梯形狀等工藝補充結構，在沖壓趨近完成的最后階段使板料得到超過幾何尺寸的拉延從而減小零件回彈[9]。傳統方法中的拉延筋通常固定在壓邊圈或凹模上，在壓邊圈閉合階段拉延筋就先于零件主型面成形，通過增加金屬流動阻力來促使板料充分變形。

本文要討論的活動拉深筋過拉深工藝是在壓邊圈內設計滑槽。活動拉深筋、驅動塊、接柱和凸模依次通過墊塊相連，活動拉深筋通過驅動塊在滑槽內運動。在壓邊圈向下運動的行程尚存在一個筋高時，隨著壓邊圈的繼續下行，活動拉深筋通過凸模對接柱的支撐作用開始逐步成形，模具如圖13所示。

(a)模具閉合狀態 (b)模具閉合前狀態1.接柱 2.墊塊 3.驅動塊 4.活動拉深筋 5.凹模 6.壓邊圈上板 7.壓邊圈 8.氣頂桿 9.凸模圖13 活動拉延筋工作示意圖Fig.13 Schematic diagram of the movable drawbeads

根據活動拉深筋過拉深工作原理，設置的S梁拉延模型如圖14所示。

圖14 活動拉深筋過拉深拉延模型Fig.14 The drawing model of movable drawbeads overstretching

由成形筋加活動筋過拉深方案得到的特征點回彈量和對稱軸偏轉量隨截面變化的趨勢如圖15和圖16所示。W1、N1對應的截面繞對稱軸偏轉量最大差值由成形筋加變壓邊力下的9.115 mm減小到3.817 mm，W2、N2對應的截面間對稱軸偏轉量最大差值由成形筋加變壓邊力下的7.301 mm減小到2.910 mm，說明成形筋加活動筋過拉深工藝對S梁扭曲回彈的改善效果更優。

圖15 活動拉深筋過拉深加成形筋方案下特征點Z向回彈量沿截面分布圖Fig.15 The Z-direction springback distribution of characteristic points along 8 sections under movable drawbeads overstretching and forming bead

圖16 活動拉深筋過拉深加成形筋方案下Δdi沿截面變化趨勢Fig.16 The Δdi distribution along sections under movable drawbeads overstretching and forming bead

為更好地評價零件截面的整體扭曲程度，令η為Δd的標準差，ηAi、ηBi、ηCi分別為三種工藝方法Δd的標準差，其中,A、B、C分別表示原始、變壓邊力加成形筋、活動拉深筋過拉深加成形筋三種工藝方法；i=1、2，分別表示側壁和法蘭的截面對稱軸。標準差η能體現各截面對稱軸偏轉量的差異程度，即零件的扭曲程度。

3.3.3不同工藝方案的改善效果對比及評價

通過計算可得三種工藝方案下側壁和法蘭上特征點的η值，如表3所示。

表3 三種工藝下的η值

由表3可以看出,成形筋加活動拉深筋過拉深方案對S梁扭曲回彈的改善最有效。可能的原因是：拉延初期變壓邊力工藝提供的壓邊力促進了材料的流動，但在拉延后期逐漸增大的壓邊力不能保證材料的充分變形；而成形筋加活動拉深筋過拉深方案在拉延初期就提供了足夠的壓邊力，在拉延后期活動拉深筋過拉深為主型面的成形提供了漸增式的拉延阻力，使材料流動更均勻，板料變形更充分，更大程度上減小了扭曲回彈。

企業現場采用成形筋加活動拉深筋過拉深工藝制造的S梁拉延件如圖17所示。依據本文模擬選取的特征截面制造的S梁專用檢具如18所示。

圖17 S梁拉延零件Fig.17 S beam drawing part

圖18 S梁檢具Fig.18 Measuring tools for sections of S beam

4 結論

(1)S梁的扭曲回彈與零件的幾何造型密切相關。零件各個截面的回彈量不一致，拐角造型對零件整體的扭曲回彈影響最大。

(2)拐角處的內外側壁和法蘭部分塑性變形的應力場變化趨勢相反，此為S梁發生扭曲回彈的重要因素。

(3)成形筋可有效改善拐角造型的非線性。

(4)與變壓邊力方案比較，活動拉深筋過拉深工藝方案對高強鋼S梁扭曲回彈缺陷控制更有效。