1、金属铸锻焊技术lca鲥ngFo唱ingwelding 20n年9月板料冲压成形过程中回弹预测及控制的研究进展刘桂花。冯再新1。贾青云2，于晓东1(1中北大学材料科学与工程学院；2中北大学化工与环境学院山西太原030051)摘要：近年来人们对金属板料成形中的回弹进行了深入的研究，高精度的回弹预测及控制是目前重要研究课题。本文总结了对板料冲压过程中回弹预测的研究现状以及其控制方面的发展，指出了今后的研究方向。关键词：板料冲压成形；回弹的预测；模具补偿中图分类号：11G3863 文献标识码：A 文章编号：10013814(2叭1)17-oll4一04Ik鼢rch Pmgre豁佃Prediction
2、and Control of Springback in SheetStamping Fornling Proce髂LIU Guihml，FENG蹦xinl，J认Qingyun2，YU Xiaodon91(1co如伊矿M抛，涮&如we a甜西画，lee一增，2cD如鲈矿仇疗妇nfd e聊的册wmbr以U砌e堆砂旷吼讥口死毋嘲03005l，Ci，曲Ab瞳憎ct：T1le sp血gback in sheet me诅l f0脚1ing is researched rectIy，the higb precision fbr the pfedic60n觚dcon仃Dl of sp咖曲ack is the
3、 most iInp0纰t辄bject at呻esentThe p咒dicdsta_tIls孤d c伽劬l of spm崾rback in the sheetstmlpiIlg fo咖illg proce路is smmdzed蛐d its fllture stIldy directi伽is poillted outK匆啊砌s：sheet唧ingforging；sp血gblc predic6；die compens痂n板料冲压成形是一个非常复杂的过程，包括接触碰撞、摩擦磨损、弹塑性大变形以及大位移大转动等，故在成形过程中会产生很多缺陷，如拉裂、起皱及回弹等，其中回弹问题最为复杂。回弹是冲压件在成
4、型后弯曲角度和弯曲半径产生复原的现象，由材料的内应力分布不均导致变形不均匀引起的。目前，回弹已是板料冲压成形中的一种普遍现象，也是工业生产中的一个实际问题，它的存在会影响冲压件的形状尺寸精度和表面质量，也会对零件的尺寸精度和生产效率造成很大的影响。因此，对回弹的预测和控制已成为学术界一直关注的热点问题。早期已有很多学者采用理论和试验相结合的方法对回弹进行预测和控制。但在实际使用中，由理论分析得到的模型和经验公式会受到试验条件、试验数据的处理方法和经验公式的应用条件等多方面因素的影响，故使其应用范围受到了很大的限制，而且采用试验法研究回弹规律的成本相当高。目前随着有限元数值模拟技术的引入，为解决
5、回弹问题提供了有利的条件。国内外许多学者已经对回弹问题进行了深入的研究。涵盖了从弯曲成形到复杂拉延成收稿日期：201l_0114作者简介：刘桂花(1985一)。女，山西朔州人，硕士研究生，主要研究方向：精密塑性成形与改性技术；电话：13934547524；Bmail：liuyu-678126com形、从理沦分析到数值模拟、从可弹预测到回弹控制等诸多方面1】。本文从解析法、有限元模拟、实验法三个方面综述了近年来对板料冲压成形过程中回弹的预测方法。从工艺控制和模具型面补偿两个方面分析了目前回弹控制的发展方向。1板料冲压成形回弹预测方法在板料成形中不可避免地会产生回弹现象当回弹量超过误差允许的范围时
6、。这不仅会对零件的几何形状精度产生影响。也会对零件后续的装配产生影响。只有对回弹变形做出准确的预测，才能为后续回弹的控制提供正确的指南。现在常用解析法、实验法和有限元数值模拟等方法来预测回弹量。11解析法回弹分析理论解析法主要针对典型的成形工艺或零件进行适当的力学模型简化，用解析法、数值方法或增量法获得解答。以研究板料成形过程中回弹现象的本质圆。很多学者已经基于不同的材料模型和不同塑性弯曲(如V形弯曲、拉伸弯曲、U形弯曲等)的回弹基本理论进行了不同程度的研究。李玉强等【3】总结了目前工业中常用的材料模型及各自的应用范围。现在常采用的材料模型是能反映板料特性的Hill各向异性屈服准则和体现材料实
7、现加载特性包申格效应的随动强化或Mms多屈服面强114 H0t Woddng TecllIlolo影20ll，V0140，No17万方数据上半月出版 casllngForgingwe“93金属铸锻焊技术化的材料模型。理论分析模型具有计算简便、计算量小及计算时问少等优点但由j：其在理论分析中采用了较多的简化和假设会给计算结果带来了一定的误差因此解析法对大型复杂冲压件的回弹问题依旧无法处理。12有限元数值模拟方法目前常用的板料冲压成形CAE数值模拟软件有：D”afo册、Pamstamp、Lsd”a、Autofo硼等。随着计算机模拟技术的快速发展有限元分析计算板料成形的精度也有了很大的提高。同弹预测
8、的精度不仅与回弹过程模拟方法的选择有关，也受到成形过程的模拟精度的影响。总体来说影响回弹预测精度的主要因素有以下几个方面：(1)本构模型材料的本构关系是否能够真实地反映材料的力学特性很大程度上决定了有限元模拟的精度，故要想获得可靠的模拟精度，就需要精确的材料模型。史艳莉等【41总结了近60年来各向异性屈服准则及材料模型的发展情况。由于板料冲压过程中的变形较为复杂故在推导这些模型时。考虑的因素不同建立的模型不同，计算精度也不近相同，适用范围也各不相同。zen窟D恤ielIe等介绍了一种通过Mroz多屈服面硬化模型改进而成的各向异性材料硬化模型该模型主要应用于那些具有较快硬化特性的材料如先进高强度
9、钢回弹的模拟。T2等8基于kmai帆和Chaboche非线性运动理论建立r一个包中格效应的混合强化模型目前这个材料的模型已经被运用于有限元ABAOUS软件中 现在数值模拟中通常都采用弹塑性材料模型。(2)单元类型用于板料冲压成形数值模拟的单元类型一般有三类：基于薄膜理念的膜单元、基于板壳理论的壳单元及基于连续介质理论的实体壳睢元。薄膜单元只考虑了沿厚度方向均匀分布且平行于中性面的应力，忽略弯矩、扭矩和横向剪切，无法实现回弹、起皱等现象的模拟：而采用壳单元分析冲压成形问题，计算时问太长特别是对于处理复杂零件像车身覆盖件这类零件的成形问题时计算效率过于低下。近年来实体壳单元已成为研究的重点，它不需
10、要计算转动自由度。可以采用全j维的本构关系计算厚度方向的应力、应变预测精度很高。臧顺来等研针对国内外学者只考虑积分点个数和单元尺寸。很少考虑模拟时问对模拟精度影响的现象，综合考虑回弹预测精度和模拟时间，采用减缩积分的壳单元s4R对拉弯回弹进行模拟得、_单元尺寸对应的接触角度为160，积分点个数为7时能够在较短的模拟时间内得到比较高的预测精度。周欢等”基于非线性有限元软件MSCMarc对某汽车门框复杂截面型材的二维拉弯同弹进行了数值模拟研究证明对于复杂截面型材的托弯回弹模拟，采JH实体壳单元模型得到的半径回弹预测值更准确。(3)接触问题冲联成形系统一般由板料、压边圈、凸模和凹模等几部分组成在该系
11、统中由各部件组成的接触体系中主要包括以下几个接触对：板料与凸模之间的接触；扳料与凹模之间的接触：板料与压边罔之间的接触。板料的冲压成形上要是靠作用于板料的法向接触力和切向摩擦力来完成的，故在冲压成形有限元模拟计算中，摩擦力模型以及大小对板料成形和回弹模拟有很大影响目前一般采用库仑摩擦模型。13实验法目前国内外已经对板料冲压成形过程巾的回弹进行了很多实验方面的研究。PerATldersEggensen等”针对目前有五种不同的硬化模型：各向同性模型(IH)，混合各向同性硬化模型(MH)A玎nsnong-Frederick硬化模型(AF)Gen乎wagoner硬化模型(Gw)，Yoshida-uem
12、ori硬化模型(Yu)分别对DP600、DP600HF、Dx56、220IF四种材料进行i点弯曲实验(实验结构示意图如图1)比较得出Yu模型适合所有的材料Gw模型居其次，IH模型可以预测出在所有的情况下的最大误差值。而MH和AF模型却不能直接测出。郜付群等利用GeomagicQual坶三维检测软件进行回弹检测，避免了专用检具的弊端，可以快速而准确地实现回弹检测且对于不同冲压件的回弹检测具有通用性。张德海等】提出了一种非接触式i维光学测量板料同弹罔l用_j点衙环弯曲试验的实喻装置”FigI ne cxp嘶lTIem device used for thMcjrcular bding te神热加工
13、工艺2011年第40卷第17期 115万方数据金属铸锻焊技术gcastingForgingwelding 2011年9月的方法。该方法能精确获得钣金件与模具各点的差值，并作为零件的回弹量，为修模时的几何补偿提供参考依据。实验法虽然花费代价比较高，但具有以下几个优点：可以校验理论解析法和数值模拟法预测回弹的准确性；可以直接获得实际零件在真实或相似载荷作用和工艺条件下板料回弹前后的实用数据。整理后可成为经验公式或图表，可以供生产或设计参考；可以针对某种具体材料和工艺条件建立起用于回弹的预测和控制的经验模型。为后续回弹的控制提供重要的依据。这三种预测回弹量方法虽各有优缺点但均可独立地反映不同冲压条件
14、下回弹的主要影响因素和规律。通过对其进行两两结合，既可以获得用于回弹预测和控制的经验模型和经验公式，还可检验仿真方法的合理性为准确预测回弹量提供了重要的依据也为后续回弹控制和补偿提供了依据。2板料冲压成形过程中的回弹控制及补偿技术目前板料冲压成形过程中回弹缺陷的控制方法主要分为两类：一是成形工艺控制方法，通过设计合理的成形工艺改变板料成形时的应力状态。或使板料充分坦性变形，来抑制回弹变形的发生；二是模具结构修正法。利用回弹规律，通过修正模具型面或模具结构，使冲压件卸载后的形状与期望值相符或相近。21成形工艺控制方法成形工艺控制法是通过控制成形过程的工艺条件来获得最小回弹的方法，如调节冲压工艺参
15、数(压边力、润滑条件、毛坯形状等)以及模具匹配调试(拉深筋修整、工艺补充面修整等)。早在1993年ScllIIlockelD就研究了不同压边力设置对“帽形截面”件成形质量的影响，指出在成形接近结束时增大压边力有助于减小回弹变形。虽然采用变压边力控制不需要对模具结构进行修改和增加模具数量，但要想准确控制回弹的压边力仍比较困难。苏春建【嘲建立了帽形件弯曲智能化控制系统，通过控制压边力。实现了对弯曲回弹的精确控制，从而实现了帽形件弯曲成形的智能化控制。近几年常通过研究不同工艺参数对板料回弹影响的程度来得到使板料回弹量最小的最优工艺参数。来有效地减小冲压件的回弹量。随着拉延筋技术的发展，利用拉延筋控制
16、回弹精度也成了一个重要的研究方向。黄健梓【13】提出了一种变截面拉延筋的新工艺，能显著降低冲压件的回弹量为控制和解决回弹问题提供了一种新方法。但由于在实际生产过程中。压边力、模具圆角、摩擦状态等因素的改变空间相对较少，故目前运用最多的还是型面补偿法。22模具结构修正法早期的模具回弹补偿方法主是要以解析法、回弹理论预测为基础。只适用于简单的模具设计。随着有限元数值模拟技术的发展。目前已经将CAE仿真技术与快速模具制造结合起来实现模具的优化设计。付刚f1 4】运用dyIla向衄软件对U型件的拉延成形过程和回弹情况进行了仿真分析研究。实现了汽车覆盖件双排座后围的拉延模具的型面补偿。陈炜等【15l以工
17、业螺旋叶片为研究对象提出了一种有限元数值模拟技术进行模具型面回弹补偿设计的方法，实现了基于圆弹补偿的模具型面”CADCAECAD”双向集成设计。也有学者针从模面几何修正的回弹补偿方向的进行了研究，阳湘安等16】综合分析了当前的模面几何补偿方法的应用特点、精度和效率，指出以转动为主导回弹的情况下，法向补偿具有较高的精度，但运行计算时间较长；如果在回弹存在大平移的情况下。选择连线方向补偿则精度较高，算法也简单；而z向反向补偿法虽然具有算法简单、计算效率高的优点，却不能很好地对模面进行修正。因此对于大型复杂工件的回弹补偿要综合考虑这三种方法，才能得出最佳的补偿方向。模拟过程中回弹仿真精度无法保证的问
18、题目前常采用模具实验迭代修正方法进行模具优化设计。实现回弹的有效控制。一些学者进行了相应的研究。龚志辉等【17l提出了一种模具补偿的新方法仿真误差补偿模型在仿真误差补偿模型的基础上通过CAE迭代计算获得模具的补偿型面。可以大幅度地提高成形精度。付泽民等嗍在位移修正法(D舢旧、平滑的位移修正法(SDW)和成形传递函数法(D，rFM)的基础上，提出一种基于傅里叶结合小波变换的离线闭环控制迭代算法。进行折弯凸模型面修正。Lin曲eekR A等119】将位移调整法(DA)和前弹法(SF)都应用到一个拉弯成形的分析模型中，迭代位移调整法能成形出更好的工件形状，这个分析模型可以作为工业过程中的指南。116
19、 Hot Worl【ing TecllIlOIo科201l，V0140，NO17万方数据上半月出版 castingFo唱ing、el抽g金属铸锻焊技术3结束语回弹的预测和控制一直以来都是板料冲压成形过程中的一个难点近年来对其研究及应用都得到了很大的发展也产生了很多研究成果。目前随着以高强度钢板、激光拼焊板、铝镁合金板为代表的新材料的广泛应用，新问题不断出现。今后需要从以下几个方面对其进行深入研究：(1)板料冲压过程中回弹的数值模拟技术还不是很成熟，模拟精度还不够高，有待对其算法和建模方法进一步的改善。(2)目前，虽然对回弹的预测和控制已受到高度重视。但回弹模拟及控制补偿技术依然是一个薄弱环节，
20、有待进一步研究。(3)要想有效地控制回弹仅靠数值模拟的方法还不够还需要与合理的试验、正确的理论分析和大量的工业应用验证相结合。参考文献：【l】 邹修敏 板料回弹相理及控嗣【耵 科学时代，2010，(15)：97-98【2】 付刚基于回弹分析的模具型面补偿法嘲苏州：江苏大学20lO13】 李玉强，王勇，董剑安覆盖件冲压CAE分析材料模型的工程应用与发展忉模具技术，2009，(4)：50一54【4】 史艳莉，吴建平各项异性屈服准则的发展及应用【J】锻压技术，2006，(1)：99-103【5】Zg&Inicne，)(ia z A Mod诟ed m舰model蚤盯sprin咖ckpfcdicti【J
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