单反相机镁合金外壳拉深成形回弹分析及补偿

文／高孝书·宁夏职业技术学院 王旭东·宁夏镁业有限公司

拉深回弹控制的研究一直是热点和难点。刘铭心等基于正交试验对座椅撑板冲压成形进行了回弹研究及优化；苟春梅等利用AutoForm 建立汽车后地板零件冲压成形的全流程的有限元模型，研究了冲压成形的工艺参数优化和回弹补偿问题；熊文韬等针对汽车覆盖件拉深成形过程中存在的回弹缺陷，以有限元分析软件Dynaform 为平台，对某汽车顶板进行了回弹分析与补偿的研究。但是，现有研究大多将拉深的工艺参数优化和回弹补偿分开，很少将二者结合来控制拉深件的回弹。

镁合金密排六方晶体结构塑韧性差，在拉深成形过程中回弹量过大的缺陷会严重降低拉深件的成形精度。本文针对镁合金板材拉深过程中回弹量大及成形精度不高的问题，以某单反数码相机镁合金外壳为研究对象，利用Dynaform 软件建立拉深成形有限元模型，通过AutoForm 西格玛模块优化工艺参数，采用回弹补偿法对拉深模具结构进行补偿修正，并在Dynaform 软件中验证该方法的有效性。

有限元模型构建

利用UG NX 软件设计单反数码相机外壳三维模型，导入Dynaform 软件中创建有限元分析模型，如图1 所示。拉深工序采用倒装的单动拉深成形工艺，拉深工具包括凹模、凸模、压边圈、切变线和冲孔线。

数值模拟分析

试验材料选用1.0mm 厚商用AZ31B 镁合金板材，在有限元软件中建立对应材料模型，设置初始压边力F=9.8kN，拉深速度v=1.2mm/s，凸凹模间隙Z=1.1mm，板材温度Tb=250℃，凸模温度Tp=100℃。成形极限图(FLD)如图2 所示，经有限元模拟计算，板材没有发生明显的开裂或起皱缺陷。

拉深后的回弹情况如图3 所示，回弹主要分布在工件右侧边缘区域，最大回弹量为2.311mm，超过了1.2mm 的产品回弹极限，拉深件回弹缺陷比较严重。如果不能将回弹量控制在合理范围内，实际生产的拉深件将无法保证装配精度，对后续工序也将产生不利的影响。

回弹优化

回弹优化机理

目前优化回弹缺陷的方法主要有两种：一是通过工艺参数寻找最优方案，改变板料成形时的应变状态以降低回弹量；二是采用修正拉深模具结构的方法进行回弹补偿，通过拉深件发生过正向成形，使得拉深力卸载后的形状符合期望形状。

将以上两种优化方法相结合的回弹优化流程，如图4 所示。

工艺参数优化

影响拉深成形回弹的因素主要包括材料参数和工艺参数。当拉深件选材确定后，工艺参数成为影响回弹的主要因素。根据前期单因素拉深试验数据，选取对镁合金板材拉深成形回弹影响最大的两个工艺参数进行回弹分析。本文选取压边力F 和板材温度Tb进行回弹有限元计算，其工艺参数的设计变量情况见表1。

表1 工艺参数优化分析试验的设计变量

借助AutoForm 西格玛优化模块，以最小回弹量为优化目标，进行25 组有限元模拟试验，得到的模拟结果见图5。由图5 可知，第19 组模拟试验的回弹量为1.343mm，是回弹最小的试验组，即最优参数组，该组的压边力F 为17.7kN、板材温度Tb为276.5℃。由于工艺参数优化后的最小回弹量1.343mm 仍然大于1.2mm 的产品回弹极限，因此只通过工艺参数优化难以彻底解决回弹问题。

回弹补偿

采用工艺参数优化的方法只能尽量减小拉深件的回弹量，无法进一步解决回弹在成形精度方面的不利影响，需采用回弹补偿的方法来抵消回弹缺陷。

利用Dynaform 软件对拉深工序的模具结构进行回弹补偿与修正，从而扩大拉深件过正向成形比例。在有限元计算中，回弹补偿循环迭代3 次后的回弹分布如图6 所示，A、B 两个区域的最大回弹量分别为0.892mm 和0.801mm，均小于1.2mm 的产品回弹极限。因此，在拉深力卸载后，成形的拉深件满足尺寸公差要求，其形状尺寸符合产品的期望值。

结论

本文以最小回弹量为优化目标，通过AutoForm西格玛模块优化工艺参数，工艺参数优化中得到最优组的压边力F 为17.7kN、板材温度Tb为276.5℃，工艺参数优化后的最优组回弹量为1.343mm。

在此基础上对拉深模具结构进行回弹补偿，当回弹补偿循环迭代3 次后，拉深件的最大回弹量从2.311mm 降至0.892mm，满足尺寸公差要求。试验结果表明，工艺参数优化和回弹补偿相结合的方法能够有效地解决拉深件回弹问题，缩短试模修模时间，降低产品开发成本。