基于DynaForm的轿车加强梁回弹控制模拟分析

张 勇，安鹏芳，王 希

（四川科技职业学院 中德学院，四川 成都 611732）

钣金零件冲压成形技术在汽车制造、航空航天等领域应用非常广泛。利用高强度钢板进行冲压成形，实现汽车轻量化，也是十分常见的工艺。但是，高强度钢板在成形后不仅容易产生开裂和起皱等外观质量缺陷，同时也容易产生回弹，导致零件成形后的尺寸与设计尺寸存在较大差异。所以，回弹量控制就成了汽车覆盖件冲压成形过程中不可回避的重要问题[1]。

根据汽车零部件的形状、尺寸和装配精度来看，汽车装配件的回弹量一般控制在2 mm以内，一旦超过所允许的公差范围，就会造成可见的外观质量缺陷。通过加热冲压成形、变压力冲压成形、模具补偿和工艺参数优化可以有效控制零件的回弹。但由于前3种方法工艺复杂，实施难度大，所以采用DynaForm等CAE分析软件，进行有限元模拟来预测和控制冲压成形过程中产生的回弹问题。

由于板料厚度、摩擦系数、压边力大小和拉延筋布置方式都是引起零件回弹的因素[2]。因此，本文中轿车加强梁零件的回弹分析和控制，采用Dynaform5.9软件，先进行零件成形分析，然后进行回弹量分析，最后进行参数优化，最终达到提高优品率，缩短制造周期，降低生产成本的目的。

1 冲压成形工艺分析

加强梁3D模型如图1所示。材料为DC01，最大长度1 100 mm，最大宽度92 mm，最大高度差47 mm，厚度t=1 mm，非对称形状，整体呈现弧形，有形状各异的大、小内孔10个，材料性能参数见表1。要求成形后材料减薄率低于20%，增厚率低于10%，回弹量小于1.2 mm，表面没有划痕、波浪、凸点、凹点、拉伤、毛刺、麻点、开裂及起皱等质量缺陷。从相对弯曲半径r/t来看，r较大，t较薄，拉延后容易回弹。

表1 加强梁材料性能参数

图1 加强梁3D模型

2 拉延成形计算与结果分析

2.1 拉延成形模型与参数设置

加强梁为复杂三维曲面零件，本文采用UGNX建立模型，通过专用数据转换IGES格式将模型从UGNX到出，并转入DynaForm中。在DynaForm中利用前处理功能对零件进行网格划分和适当的工艺补充设计。由于网格划分越密集，零件模型描述越准确，分析结果精度越高，稳定性也越好[3]。所以，该零件采用自适应网格划分，最大网格尺寸为10 mm，最小网格尺寸为0.5 mm。工艺补充中边界光顺半径取3 000 mm，补充面主截面线半径取5 mm，拔模斜度取1.5°。工艺补充面设计结果如图2所示。

图2 工艺补充面设计

本零件的冲压成形过程需要设置重力加载、拉延成形、修边和回弹4个模拟工步。拉延成形过程中，凹模与压边圈首先贴合并压紧坯料，然后整体向下运动，与凸模配合完成零件的拉延成形[4]。拉延成形中的，冲压速度取3 000 mm/s压边力取150 kN，凸、凹模间隙取1.2 mm，摩擦系数取0.1。定位后的各成形工具如图3所示。

图3 各成形工具定位设置

2.2 拉延成形结果分析

从零件的成形极限图可以看出拉延成形后的起皱和开裂情况[5]。成形极限图如图4所示。A区为开裂趋势区域，B区为起皱趋势区域。A区域位于零件底部，半径较小，承受径向应力较大，材料流动困难，故容易开裂。B区域位于凹模口部，承受径向和切向应力，产生径向拉伸变形和切向压缩变形，且切向变形大于径向变形，故容易起皱，但由于位于零件之外，属于工艺补充部分，在成形后被切除，所以不会对零件质量造成影响。

图4 成形极限图

通过零件厚度分布图可以观察到板料不同区域变薄、增厚的情况。板料厚度分布情况如图5所示。零件要求拉延成形后减薄率低于20%，增厚率低于10%，即零件最薄为0.8 mm，最厚为1.1 mm。通过处理分析可以看出，本次模拟实验的最薄厚度为0.803 mm，最大厚度为1.095 mm。其他参数指标也达到要求，因此，该工艺方案成形结果符合零件成形要求，可以作为进一步分析其回弹量的基础和依据。

图5 零件厚度分布云图

3 回弹计算与结果分析

3.1 回弹计算模型与参数设置

为保证分析结果的准确性，冲压成形后的中间工序零件，需要通过切边工序，切除边缘部分的起皱余料，才能进行回弹分析。在切边工序中需要注意的是切边工具应该定位在冲压成形工具之外，否则无法进行正常计算。修边工具定位如图6所示。

图6 修边工具定位

回弹分析边界条件设置关系到回弹分析结果是否准确、真实。节点约束位置，即检测时的装夹位置，主要用来限制刚体的位移，确保模拟结果回弹量与实际回弹量保持一致。在设置时主要满足以下要求：（1）3点不能在同一直线上；（2）不要靠近零件边缘；（3）不要选择变形较大的区域；（4）相互间应该相距一定距离[6]。节点约束位置如图7所示。

图7 节点约束位置

3.2 回弹计算结果分析

由于回弹分析采用多步隐式算法，所以在DynaForm后处理器里会有5帧文件。从第1帧和第5帧的对比中可以看出，A区域和B区域的回弹现象明显，且B区域向凸耳处延伸的趋势显著。回弹区域如图8所示。因此，在B区域通过凸耳作横向截面线，观察其回弹效果。横向第1帧与第5帧角度数值如图9、图10所示，回弹前后数值对比见表2。

表2 横向回弹量对比

图8 回弹区域

图9 横向第1帧截面线

图10 横向第5帧截面线

4 参数优化与回弹控制

为了更好地控制冲压成形后的回弹量，满足工艺要求，在凹模和压边圈的适当位置添加凹槽和加强筋，用以控制材料的流入，使之充分成形。

在模具结构上引入凹槽和加强筋后，再次对零件进行重力加载、拉延成形分析、修边和回弹分析。从成形极限图可以看出，工件没有出现破裂缺陷，也不在起皱区域内。

进入后处理器，在相同位置作截面线，观察优化后的回弹效果。第1帧和第5帧的角度数值如图11、图12所示，回弹前后数值对比见表3。

表3 优化后回弹量对比

图11 横向第1帧截面线（优化后）

图12 横向第5帧截面线（优化后）

通过优化前后两次的数值模拟分析，可以看出，在凹模和压边圈加上凹槽和加强筋后，外侧两处，即1、4位置的回弹角度分别降低了0.656°和0.836°，相对减少了57.29%和69.61%，回弹现象得到了有效控制。优化后回弹量相对减少量见表4。

表4 优化后回弹相对减少量

在拉延工序的凹模和压边圈加上凹槽和加强筋，对模具结构进行优化设计，再经过拉延成型、切边等工序后，得到实际成形零件如图13所示。通过检测发现，零件表面质量较好，最小厚度为0.883 mm，最大厚度为1.103 mm，最大回弹量为1.032 mm，在零件区域没有起皱和破裂缺陷，最大厚度出现在工艺补充区域，通过切边工序将其切除后，并不影响零件厚度。零件最终成形质量与仿真分析结果一致，验证了正交试验和仿真分析的准确性。

图13 实际成形零件图

5 结论

（1）以轿车加强梁为载体进行回弹量分析和优化，最终发现采用高强度钢作为汽车覆盖件，在获得高性能的同时，存在着较大的回弹现象，且控制难度较大。

（2）通过分析优化前后的回弹量数值，发现了模具结构对回弹量的影响规律，在模具的凹模和压边圈加上凹槽和加强筋，能有效降低高强度钢在冲压成形中产生的回弹现象。

（3）通过工艺参数和模具结构的优化，有效地控制了零件的回弹现象，验证了优化方案的合理性，试验结果与生产结果的一致性。采用DynaForm软件进行优化设计，能有效地提高零件精度，缩短模具制造周期，降低企业生产成本。