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CAE回彈補(bǔ)償技術(shù)在CS95高強(qiáng)度鋼梁類模具開發(fā)中的應(yīng)用
陳俊，曾兵華，江明潔
摘要：本文結(jié)合高強(qiáng)度鋼艙邊梁后段的成形工藝難點(diǎn)和回彈較大的特點(diǎn)，利用CAE分析技術(shù)對其進(jìn)行全工序分析和回彈分析，對其成形缺陷和回彈趨勢進(jìn)行了有效的預(yù)測。同時(shí)對回彈產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，制定合理的回彈補(bǔ)償方案，并運(yùn)用CAE反向回彈補(bǔ)償技術(shù)對模具型面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后CAE驗(yàn)證回彈均在要求的+-0.5mm之內(nèi)；將回彈補(bǔ)償后的模具型面進(jìn)行加工，經(jīng)該模具生產(chǎn)的樣件的尺寸精度滿足要求且樣件的合格率達(dá)92.46%，為高強(qiáng)度鋼梁類零件的CAE回彈補(bǔ)償提供了一定的參考。
關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度鋼；艙邊梁后段；回彈分析；回彈補(bǔ)償
The application of CAE springback compensation technology on CS95 high strength steel beam mold development
Abstract: In this paper, the forming process and springback analysis of the side beam rear section on the high strength steel are studied by means of CAE analysis technology. The forming defects and springback trend are predicted effectively, and the reasonable springback compensation scheme is formulated based on springback. The die surface is compensated by using CAE inverse springback compensation technology. The value of springback is within the requirements. The precision of sample produced by mold after the compensation of springback meets the requirement and the qualification rate of sample is 92.46%. It provides a certain reference for CAE springback compensation of high strength steel beam parts.
Key words: high strength steel; rear section of the side beam; springback analysis; springback compensation
隨著人類經(jīng)濟(jì)水平的提高，人類所面臨的環(huán)境和能源危機(jī)問題也日益加重，再加上人類對優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的追求，使制造業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，汽車行業(yè)也如此［1］。近年來汽車行業(yè)的發(fā)展非常迅速，為了解決以上難題，各種各樣的新型制造技術(shù)、新工藝層出不窮，其中最有效的新技術(shù)是以先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板和先進(jìn)的制造技術(shù)相結(jié)合的汽車輕量化技術(shù)。
汽車輕量化技術(shù)不僅僅是單純的從減輕汽車的重量方面來考慮，它是在保證各種汽車安全性能的前提下通過應(yīng)用輕質(zhì)材料或特殊材料與優(yōu)化汽車車體結(jié)構(gòu)相結(jié)合來降低汽車自重的一種方法[2]。當(dāng)前汽車輕量化技術(shù)主要通過汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕質(zhì)材料的應(yīng)用和采用高強(qiáng)度鋼板的制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在以上的幾種實(shí)現(xiàn)途徑中，重新設(shè)計(jì)車體結(jié)構(gòu)花費(fèi)的成本較高且車體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化空間較??；輕質(zhì)材料的應(yīng)用比例越來越高，但由于材料自身存在缺陷很難在短期內(nèi)得到大規(guī)模的應(yīng)用；與這兩種技術(shù)相比，高強(qiáng)度鋼板的制造技術(shù)的應(yīng)用前景更為廣闊[3]。
高強(qiáng)度鋼板在汽車輕量化技術(shù)中的應(yīng)用主要是通過采用較薄的高強(qiáng)度鋼板來替代較厚的低碳鋼板，從而達(dá)到減輕重量的目的[4]。在力學(xué)性能方面，高強(qiáng)度鋼和普通低碳鋼存在較大的差異，因其較高的強(qiáng)度和較低的塑性使其在相同的工藝條件下比普通的鋼板更易破裂且回彈較大，難以保證產(chǎn)品的尺寸和形狀精度[5]。其回彈產(chǎn)生的原因主要有以下幾個(gè)：
（1）板料的成形不夠，成形結(jié)束時(shí)制件的某些區(qū)域還處于彈性變形階段，彈性變形恢復(fù)導(dǎo)致產(chǎn)生回彈。
（2）板料在成形過程中，產(chǎn)生塑性變形的同時(shí)伴隨著彈性變形的產(chǎn)生，在板料成形結(jié)束后隨著彈性變形的消失同樣會(huì)產(chǎn)生回彈。
（3）板料在成形結(jié)束時(shí)內(nèi)表面處于受壓的應(yīng)力狀態(tài)，外表面處于受拉的應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)外力卸載后由于制件內(nèi)、外表面存在的壓差而產(chǎn)生回彈。
近年來板料成形CAE分析技術(shù)飛速發(fā)展,不僅有助于高強(qiáng)度鋼板的設(shè)計(jì)優(yōu)化和模具的開發(fā)，還能準(zhǔn)確有效的進(jìn)行板料的成形性分析和回彈分析預(yù)測。采用可靠的材料參數(shù)來進(jìn)行合理的CAE分析，預(yù)測的回彈趨勢和實(shí)際的檢測結(jié)果基本一致。因此根據(jù)CAE分析結(jié)果，在前期的設(shè)計(jì)階段制定合理的回彈補(bǔ)償方案和在后期開展回彈補(bǔ)償，能更好地開發(fā)高強(qiáng)度鋼模具，同時(shí)也能縮短模具的開發(fā)周期和減少模具的整改次數(shù)。
本文以艙邊梁后段零件為例，從產(chǎn)品的沖壓工藝設(shè)計(jì)方面入手，結(jié)合CAE分析及回彈補(bǔ)償技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段完成型面的回彈補(bǔ)償工作。并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行效果驗(yàn)證，積累了高強(qiáng)度鋼板梁類零件回彈問題解決方法的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為解決此類問題提供了很好的參考作用。
2、零件的工藝性及有限元分析
圖1為長安CS95車型的艙邊梁后段零件，所用材料為B340-590DP，具體材料參數(shù)如表1所示，零件的厚度為2.2mm；該零件為重要的汽車車體結(jié)構(gòu)件，主要作用是承載、防止車體變形和吸收沖擊能量等。由圖可以看出，該零件呈“S”型，底面為曲面，很容易產(chǎn)生扭曲變形；兩側(cè)壁的間距是中間大兩端小，且拉延深度為145mm，通常情況下成形較為困難，中間位置很容易開裂、兩端位置很容易起皺，采用常規(guī)的成形方式難以控制零件側(cè)壁的質(zhì)量和零件的扭曲變形，故采用拉延成形方式；此外由表1可知，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度較大，故通常情況下零件的回彈也較大。為了控制零件的回彈和扭曲變形，必須在設(shè)計(jì)工藝型面時(shí)考慮利用CAE軟件對零件進(jìn)行回彈補(bǔ)償，且往往需要迭代多次才能達(dá)到較為理想的結(jié)果，加上零件較厚，需要在后工序增加整形工序來校正零件。因此根據(jù)零件自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝性，再結(jié)合實(shí)際的生產(chǎn)情況，可將零件的沖壓工藝過程進(jìn)行如下排布：工序一，拉延；工序二，切邊+沖孔；工序三，側(cè)整形；工序四，切邊+沖孔+側(cè)切邊+側(cè)沖孔。
圖1 艙邊梁后段零件
表1 B340-590DP鋼的材料參數(shù)
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屈服強(qiáng)度/MPa
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抗拉強(qiáng)度/MPa
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n值
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r值
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0°
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45°
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90°
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646
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0.188
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0.93
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0.9
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1
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2.2 全工序成形和回彈分析
CAE回彈補(bǔ)償技術(shù)的前提是要先對零件的回彈趨勢和回彈量進(jìn)行預(yù)測，即利用CAE模擬軟件對零件進(jìn)行全工序成形及回彈分析，確保零件成形狀態(tài)良好，在工藝設(shè)計(jì)階段對可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行預(yù)測并消除，為回彈補(bǔ)償提供較為可靠的依據(jù)[7]。
該零件采用AutoForm軟件來進(jìn)行CAE數(shù)模模擬分析，拉延工序的有限元分析模型如圖2所示，板料料厚為2.2mm，摩擦系數(shù)為0.15，壓邊力為120T；為了使拉延之后的零件能夠更好地貼合后工序模具，拉延要考慮縮放比例；考慮要進(jìn)行回彈分析和后續(xù)的回彈補(bǔ)償，所以采用AutoForm軟件最精密的模擬參數(shù)設(shè)置模式-FV最終驗(yàn)證模式，同時(shí)網(wǎng)格模型為EPS-11彈塑性殼單元。
圖2 拉延工序的有限元分析模型
零件的重力加載情況如圖3所示，在零件的重力加載階段，板料只受到重力的影響，該階段要求板料無明顯的上凸和下塌等附加變形，避免板料在壓邊圈閉合過程中由于材料的流動(dòng)不均勻而造成零件的起皺或開裂，由圖3可知板料在此過程中較為平整，無附加變形。
圖3 零件的重力加載情況
在板料的沖壓成形過程中，需要利用壓邊圈來控制板料的流動(dòng)，從而使板料能夠均勻地流動(dòng)來防止板料的起皺，所以壓邊圈的閉合過程不能有起皺翹曲等現(xiàn)象，壓邊圈的壓邊力為120T，壓邊圈閉合過程中板料的變形情況如圖4所示，由圖知板料在此過程中無起皺翹曲現(xiàn)象產(chǎn)生。
圖4 壓邊圈閉合時(shí)板料的變形情況
經(jīng)多次反復(fù)模擬分析得到了拉延工序零件如圖5所示，由圖可以看出，零件的成形較為充分，無起皺和開裂現(xiàn)象且成形過程板料流動(dòng)情況較為均勻。
圖5 拉延成形后的零件
經(jīng)過后續(xù)的切邊沖孔和整形工序之后，得到最終的零件如圖6所示，由圖可知，切邊沖孔和整形工序后的零件不皺不裂，這是進(jìn)行零件回彈分析的基礎(chǔ)。
圖6 最終的零件
零件的全工序分析通過后，對零件進(jìn)行回彈分析。首先對零件進(jìn)行自由回彈分析來判斷零件的回彈趨勢，零件從第一工序到第四工序的回彈結(jié)果如圖7所示。由圖可知，零件各工序的回彈趨勢比較一致；在OP10拉延成形后，零件有幾個(gè)局部區(qū)域的回彈較大，主要集中在零件的兩端和側(cè)壁位置；經(jīng)過OP20切邊之后由于應(yīng)力釋放使側(cè)壁的回彈值有所上升，其它位置的回彈變化不大；零件在OP30整形后側(cè)壁的回彈值有減少趨勢，但兩端的回彈值增加，特別是零件前端的法蘭部分；零件在OP40進(jìn)行局部的切邊和沖孔，該工序?qū)儆诹慵膽?yīng)力釋放過程，回彈值變化不大。
圖7 零件各工序的回彈
回彈補(bǔ)償原理[8]：利用有限元數(shù)值模擬計(jì)算回彈，然后在預(yù)估有回彈的區(qū)域作出反方向的補(bǔ)償值，使零件成形后的反彈正好與補(bǔ)償值抵消，從而得到合格產(chǎn)品。
由以上零件的全工序成形分析結(jié)果可知，零件成形狀態(tài)比較穩(wěn)定，沒有起皺和開裂現(xiàn)象；由零件的回彈分析結(jié)果可知，零件的回彈主要產(chǎn)生于前三工序，故初步設(shè)定三種補(bǔ)償方案。
方案一：只補(bǔ)償拉延工序；
方案二：只補(bǔ)償?shù)谌ば?，即整形工序?/span>
方案三：補(bǔ)償前三工序。
下面將根據(jù)這三種補(bǔ)償方案來進(jìn)行回彈補(bǔ)償，最后選擇一種較為合理的補(bǔ)償方案，回彈補(bǔ)償選擇最終驗(yàn)證-FV模式進(jìn)行計(jì)算，選擇EPS彈塑性殼單元，最大單元角度為22.5°，最大料片網(wǎng)格細(xì)化等級為6，采用運(yùn)動(dòng)硬化模型的材料和求解器，模具網(wǎng)格保證在90°R角至少有8個(gè)單元。
方案一：只補(bǔ)償拉延工序，補(bǔ)償區(qū)域如圖8所示，型面劃分為補(bǔ)償區(qū)域、過渡區(qū)域和固定區(qū)域。先嘗試用1作為補(bǔ)償系數(shù)，對比補(bǔ)償?shù)鷥纱蔚慕Y(jié)果如圖9所示，由回彈結(jié)果對比可知，迭代第一次、迭代第二次的回彈結(jié)果相比產(chǎn)品原來的回彈均有所改善，在零件前端區(qū)域和法蘭區(qū)域的回彈值還是比較大，且第二次迭代結(jié)果整體上比第一次的結(jié)果稍差，補(bǔ)償效果不太理想。
圖8 方案一補(bǔ)償區(qū)域
圖9 方案一補(bǔ)償系數(shù)為1的回彈補(bǔ)償結(jié)果
再次嘗試進(jìn)行補(bǔ)償系數(shù)為0.8的補(bǔ)償，其補(bǔ)償后的回彈結(jié)果如圖10所示，由回彈補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果可知，兩次迭代的補(bǔ)償效果均比補(bǔ)償系數(shù)為1的效果好，但是零件的法蘭區(qū)域的回彈還是較大，還需要改善。再嘗試用補(bǔ)償系數(shù)為0.9、1.1和1.2來進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償效果均不如補(bǔ)償系數(shù)為0.8的，所以最終確定選用0.8作為最佳的補(bǔ)償系數(shù)來進(jìn)行其它方案的補(bǔ)償。
圖10 方案一補(bǔ)償系數(shù)為0.8的回彈補(bǔ)償結(jié)果
3.2補(bǔ)償?shù)谌ば?/span>
方案二：補(bǔ)償?shù)谌ば颍ㄕ喂ば颍?，補(bǔ)償系數(shù)為0.8，補(bǔ)償區(qū)域如圖11所示，補(bǔ)償后的回彈結(jié)果如圖12所示，由回彈補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果知僅對整形工序進(jìn)行補(bǔ)償，效果和只補(bǔ)償拉延差不多，法蘭區(qū)域的回彈值減小但側(cè)壁的回彈值增大，法蘭區(qū)域的回彈如圖13所示，所以該補(bǔ)償方案效果也不明顯。
圖11 方案二補(bǔ)償區(qū)域
圖12 方案二補(bǔ)償系數(shù)為0.8的回彈補(bǔ)償結(jié)果
圖13 方案二補(bǔ)償系數(shù)為0.8的側(cè)壁回彈結(jié)果
方案三：補(bǔ)償前三工序，補(bǔ)償系數(shù)為0.8，補(bǔ)償后的回彈結(jié)果如圖14所示，由回彈補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果知，將補(bǔ)償?shù)淮魏?，零件的回彈只有前端小片區(qū)域和法蘭部分較大，其它區(qū)域的回彈均較??；將補(bǔ)償?shù)诙魏?，除了零件前端小片區(qū)域外其它各區(qū)域的回彈均在+-0.5mm之內(nèi)，達(dá)到了回彈補(bǔ)償?shù)睦硐胍?，最終采用該方案迭代兩次的數(shù)據(jù)。
為了保證型面質(zhì)量達(dá)到加工要求，需對回彈補(bǔ)償?shù)男兔孢M(jìn)行A面重構(gòu)后再次驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果和方案三迭代第二次的回彈結(jié)果一致，證明了回彈補(bǔ)償結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖14 方案三補(bǔ)償系數(shù)為0.8的回彈補(bǔ)償結(jié)果
3.4模具的加工、制造及補(bǔ)償效果驗(yàn)證
采用回彈補(bǔ)償后的模具型面進(jìn)行加工、制造，得到如圖15所示的高強(qiáng)度鋼艙邊梁后段模具。
圖15 高強(qiáng)度鋼艙邊梁后段模具
將模具進(jìn)行裝配、調(diào)試后，生產(chǎn)的零件在檢具上檢測狀態(tài)如圖16所示，由圖知該樣件無起皺和開裂現(xiàn)象，幾個(gè)關(guān)鍵部位的尺寸精度檢測均合格，合格率達(dá)92.64%，滿足裝車要求。
圖16 成形樣件關(guān)鍵部位的檢測
4結(jié)論
（1）利用CAE分析技術(shù)可進(jìn)行零件的全工序分析和回彈分析，能夠準(zhǔn)確、有效地對零件的成形缺陷和回彈趨勢進(jìn)行預(yù)測，為后續(xù)的模具型面回彈補(bǔ)償提供理論基礎(chǔ)；
（2）根據(jù)零件的特點(diǎn)和前期CAE分析得出的回彈結(jié)果，制定合理的回彈補(bǔ)償方案，并運(yùn)用CAE反向回彈補(bǔ)償技術(shù)對模具型面進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后CAE驗(yàn)證回彈均在要求的+-0.5mm之內(nèi)，有效的解決高強(qiáng)度鋼板回彈大的問題；
（3）對樣件進(jìn)行檢測，尺寸精度在合格范圍內(nèi)，樣件的合格率達(dá)92.64%，驗(yàn)證了CAE回彈補(bǔ)償技術(shù)的準(zhǔn)確性，為CAE回彈補(bǔ)償技術(shù)在高強(qiáng)度鋼梁類零件上的應(yīng)用提供一定的參考。
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