基于DynaForm的轎車加強梁回彈控制模擬分析

張 勇，安鵬芳，王 希

（四川科技職業學院 中德學院，四川 成都 611732）

鈑金零件沖壓成形技術在汽車制造、航空航天等領域應用非常廣泛。利用高強度鋼板進行沖壓成形，實現汽車輕量化，也是十分常見的工藝。但是，高強度鋼板在成形后不僅容易產生開裂和起皺等外觀質量缺陷，同時也容易產生回彈，導致零件成形后的尺寸與設計尺寸存在較大差異。所以，回彈量控制就成了汽車覆蓋件沖壓成形過程中不可回避的重要問題[1]。

根據汽車零部件的形狀、尺寸和裝配精度來看，汽車裝配件的回彈量一般控制在2 mm以內，一旦超過所允許的公差范圍，就會造成可見的外觀質量缺陷。通過加熱沖壓成形、變壓力沖壓成形、模具補償和工藝參數優化可以有效控制零件的回彈。但由于前3種方法工藝復雜，實施難度大，所以采用DynaForm等CAE分析軟件，進行有限元模擬來預測和控制沖壓成形過程中產生的回彈問題。

由于板料厚度、摩擦系數、壓邊力大小和拉延筋布置方式都是引起零件回彈的因素[2]。因此，本文中轎車加強梁零件的回彈分析和控制，采用Dynaform5.9軟件，先進行零件成形分析，然后進行回彈量分析，最后進行參數優化，最終達到提高優品率，縮短制造周期，降低生產成本的目的。

1 沖壓成形工藝分析

加強梁3D模型如圖1所示。材料為DC01，最大長度1 100 mm，最大寬度92 mm，最大高度差47 mm，厚度t=1 mm，非對稱形狀，整體呈現弧形，有形狀各異的大、小內孔10個，材料性能參數見表1。要求成形后材料減薄率低于20%，增厚率低于10%，回彈量小于1.2 mm，表面沒有劃痕、波浪、凸點、凹點、拉傷、毛刺、麻點、開裂及起皺等質量缺陷。從相對彎曲半徑r/t來看，r較大，t較薄，拉延后容易回彈。

表1 加強梁材料性能參數

圖1 加強梁3D模型

2 拉延成形計算與結果分析

2.1 拉延成形模型與參數設置

加強梁為復雜三維曲面零件，本文采用UGNX建立模型，通過專用數據轉換IGES格式將模型從UGNX到出，并轉入DynaForm中。在DynaForm中利用前處理功能對零件進行網格劃分和適當的工藝補充設計。由于網格劃分越密集，零件模型描述越準確，分析結果精度越高，穩定性也越好[3]。所以，該零件采用自適應網格劃分，最大網格尺寸為10 mm，最小網格尺寸為0.5 mm。工藝補充中邊界光順半徑取3 000 mm，補充面主截面線半徑取5 mm，拔模斜度取1.5°。工藝補充面設計結果如圖2所示。

圖2 工藝補充面設計

本零件的沖壓成形過程需要設置重力加載、拉延成形、修邊和回彈4個模擬工步。拉延成形過程中，凹模與壓邊圈首先貼合并壓緊坯料，然后整體向下運動，與凸模配合完成零件的拉延成形[4]。拉延成形中的，沖壓速度取3 000 mm/s壓邊力取150 kN，凸、凹模間隙取1.2 mm，摩擦系數取0.1。定位后的各成形工具如圖3所示。

圖3 各成形工具定位設置

2.2 拉延成形結果分析

從零件的成形極限圖可以看出拉延成形后的起皺和開裂情況[5]。成形極限圖如圖4所示。A區為開裂趨勢區域，B區為起皺趨勢區域。A區域位于零件底部，半徑較小，承受徑向應力較大，材料流動困難，故容易開裂。B區域位于凹模口部，承受徑向和切向應力，產生徑向拉伸變形和切向壓縮變形，且切向變形大于徑向變形，故容易起皺，但由于位于零件之外，屬于工藝補充部分，在成形后被切除，所以不會對零件質量造成影響。

圖4 成形極限圖

通過零件厚度分布圖可以觀察到板料不同區域變薄、增厚的情況。板料厚度分布情況如圖5所示。零件要求拉延成形后減薄率低于20%，增厚率低于10%，即零件最薄為0.8 mm，最厚為1.1 mm。通過處理分析可以看出，本次模擬實驗的最薄厚度為0.803 mm，最大厚度為1.095 mm。其他參數指標也達到要求，因此，該工藝方案成形結果符合零件成形要求，可以作為進一步分析其回彈量的基礎和依據。

圖5 零件厚度分布云圖

3 回彈計算與結果分析

3.1 回彈計算模型與參數設置

為保證分析結果的準確性，沖壓成形后的中間工序零件，需要通過切邊工序，切除邊緣部分的起皺余料，才能進行回彈分析。在切邊工序中需要注意的是切邊工具應該定位在沖壓成形工具之外，否則無法進行正常計算。修邊工具定位如圖6所示。

圖6 修邊工具定位

回彈分析邊界條件設置關系到回彈分析結果是否準確、真實。節點約束位置，即檢測時的裝夾位置，主要用來限制剛體的位移，確保模擬結果回彈量與實際回彈量保持一致。在設置時主要滿足以下要求：（1）3點不能在同一直線上；（2）不要靠近零件邊緣；（3）不要選擇變形較大的區域；（4）相互間應該相距一定距離[6]。節點約束位置如圖7所示。

圖7 節點約束位置

3.2 回彈計算結果分析

由于回彈分析采用多步隱式算法，所以在DynaForm后處理器里會有5幀文件。從第1幀和第5幀的對比中可以看出，A區域和B區域的回彈現象明顯，且B區域向凸耳處延伸的趨勢顯著。回彈區域如圖8所示。因此，在B區域通過凸耳作橫向截面線，觀察其回彈效果。橫向第1幀與第5幀角度數值如圖9、圖10所示，回彈前后數值對比見表2。

表2 橫向回彈量對比

圖8 回彈區域

圖9 橫向第1幀截面線

圖10 橫向第5幀截面線

4 參數優化與回彈控制

為了更好地控制沖壓成形后的回彈量，滿足工藝要求，在凹模和壓邊圈的適當位置添加凹槽和加強筋，用以控制材料的流入，使之充分成形。

在模具結構上引入凹槽和加強筋后，再次對零件進行重力加載、拉延成形分析、修邊和回彈分析。從成形極限圖可以看出，工件沒有出現破裂缺陷，也不在起皺區域內。

進入后處理器，在相同位置作截面線，觀察優化后的回彈效果。第1幀和第5幀的角度數值如圖11、圖12所示，回彈前后數值對比見表3。

表3 優化后回彈量對比

圖11 橫向第1幀截面線（優化后）

圖12 橫向第5幀截面線（優化后）

通過優化前后兩次的數值模擬分析，可以看出，在凹模和壓邊圈加上凹槽和加強筋后，外側兩處，即1、4位置的回彈角度分別降低了0.656°和0.836°，相對減少了57.29%和69.61%，回彈現象得到了有效控制。優化后回彈量相對減少量見表4。

表4 優化后回彈相對減少量

在拉延工序的凹模和壓邊圈加上凹槽和加強筋，對模具結構進行優化設計，再經過拉延成型、切邊等工序后，得到實際成形零件如圖13所示。通過檢測發現，零件表面質量較好，最小厚度為0.883 mm，最大厚度為1.103 mm，最大回彈量為1.032 mm，在零件區域沒有起皺和破裂缺陷，最大厚度出現在工藝補充區域，通過切邊工序將其切除后，并不影響零件厚度。零件最終成形質量與仿真分析結果一致，驗證了正交試驗和仿真分析的準確性。

圖13 實際成形零件圖

5 結論

（1）以轎車加強梁為載體進行回彈量分析和優化，最終發現采用高強度鋼作為汽車覆蓋件，在獲得高性能的同時，存在著較大的回彈現象，且控制難度較大。

（2）通過分析優化前后的回彈量數值，發現了模具結構對回彈量的影響規律，在模具的凹模和壓邊圈加上凹槽和加強筋，能有效降低高強度鋼在沖壓成形中產生的回彈現象。

（3）通過工藝參數和模具結構的優化，有效地控制了零件的回彈現象，驗證了優化方案的合理性，試驗結果與生產結果的一致性。采用DynaForm軟件進行優化設計，能有效地提高零件精度，縮短模具制造周期，降低企業生產成本。