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摘要：回弹是冲压成形最常见的缺陷，一直是影响冲压模具和产品质量的重要因素。随着航空航天、汽车和家电等工业的发展，对薄板壳类零件成形精度的要求越来越高。回弹是在模具卸载过程中，成形零件内部残余应力释放的结果，在板料冲压成形中普遍存在，而且不同材料、不同形状的冲压件的回弹现象差别很大，目前还没有非常成熟的方法解决回弹问题。回弹现象会改变零件的形状和尺寸，从而在装配过程中出现问题，确保模具质量和寿命，因此进一步加强对其的研究非常有必要。基于此本文分析了补偿回弹的冲压件模具设计方法。
关键词：补偿回弹；冲压件；模具；设计方法
1、分析意义
近年来针对板料成形的数值模拟方法发展非常迅速，成型缺陷的预测如起皱、拉裂已经比较成熟，其精度能达到90%以上；但在回弹分析方面，其预测精度仍然很低，只有不到75%的预测精度。可以看出，回弹问题已经成为板料冲压成形领域的难点及重点问题。板料在成形过程中都会产生回弹问题，尤其是在弯曲或者浅拉延的时候回弹现象更为明显，这对零件的尺寸精度和设计生产成本产生影响。成形零件的回弹现象其实是整个成形过程中应力的叠加效应，而且板料冲压成形与模具的设计形状、材料选择等许多参数有关，因此板料冲压成形的回弹问题需要大量深入的研究。因此分析回弹变形的机理，利用数值模拟技术对回弹变形进行准确预测，并在此基础上寻求减小回弹、提高零件形状尺寸精度的回弹控制方法已经成为板料成形领域的又一研究重点，而且这些研究对于提高零件制造精度、保障装配质量、减少新产品研发成本有着重要意义。
2、补偿回弹
回弹研究的最终目的是完全消除回弹对冲压件的形状及尺寸造成的偏差。目前常用的回弹控制方法有两种。一是通过在冲压成形过程中改变生产环境、增加工序或调整工艺参数的方法增大成形件的塑性变形比例，避免成形件的弹性变形造成的回弹，这种方法称之工艺控制法。二是在设计模具时考虑回弹的缺陷，预先修改模具的型面，在模具卸载后成形件的形状正好符合设计要求，这种方法称之为回弹补偿法。实际生产中将工艺控制法和回弹补偿法结合应用已经被证明对回弹的控制有很好的效果。
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补偿回弹的最大优势在于不用改变模具的型面，但无论是控制压边力、拉延筋力还是其他措施都增加生产成本，而且无论板料的塑性变形再多，还是无法完全消除回弹，这也受板料破裂的限制。回弹补偿的方法需要对模具型面做出多次的调整，但这种方法有可能实现完美的补偿回弹，避免了过度拉延可能造成的破裂缺陷，而且在生产过程中也有利于成本控制。
3、补偿回弹的冲压件模具设计方法
3.1、基于数值模拟补偿回弹的循环位移补偿法
“循环位移补偿”的模具设计方法就是利用有限元数值模拟计算回弹量来修正模具型面，其步骤是:从初定的模具型面的结点位移反向减去模拟计算的相应结点回弹量，得到用于补偿回弹的模具型面。金属板料首先用试探模具(对于第一次循环，试探模具形状和工件相同)成形，计算成形回弹后的工件形状。此工件与目标工件比较，如果存在的形状误差超出容许值，就从模具形状中减去形状误差，得到新的模具型面。在下一循环中，金属板料将用这一新的试探模具型面成形。如果成形工件的形状与目标工件误差仍超出容许值，将再次从试探模具型面反向减去这一循环的形状误差，得到更新的模具型面，进入下一循环，直到成形的工件形状满足要求。
具体计算过程为:首先按目标工件形状建立凸凹模型面，应用软件ANSYS/LS-DYNA动态显式模拟簿板成形;把成形前板料的单元结点坐标及成形分析得到的冲压件成形后的结点位移分别存入数据文件sheet.dat和form.dat，把数据文件form.dat和数据文件sheet.dat相加可得到目标工件的结点坐标数据文件part.dat;把动态显式模拟得到的、保存有几何形状和应力的成形工件用静态隐式进行卸载过程模拟，得到的结点回弹位移存入数据文件springback.dat，把part.dat和spring-back.dat的相应结点位移坐标数据相加，得到成形回弹后的工件形状结点坐标，存入数据文件new-part.dat;比较文件part.dat和newpart.dat，即可得出试冲工件与目标工件的型面误差;如果试冲工件与目标工件的型面误差较大，将从newpart.dat按一定比例减去springback.dat，得到考虑回弹后应成形的工件形状文件newform.dat。
为建立新的冲压模具形状，在三维CAD软件UG中利用newform.dat中工件坐标点云生成有实际板厚的片体，拾取片体的部分表面通过偏移生成模具型面。把得到的新模具型面数据文件以IGES格式存储转入到分析软件ANSYS/LS-DYNA中，进行新的成形———回弹———误差分析过程。
3.2、差厚拼焊板回弹仿真分析
回弹预测是板料数值模拟的最后一步，前面成形模拟的计算误差都将累积并影响回弹的分析。因此回弹预测的精度不仅与回弹分析本身有关，而且非常依赖成形过程仿真结果的准确性。
对于差厚拼焊板的模具而言，如果按照产品型面设计模具，由于板料的一侧平面会出现厚度阶梯，这种厚度阶梯在冲压成形过程会造成薄侧板料无法很好贴合模具型面，对差厚拼焊板的拉延成形造成影响。因此差厚拼焊板的模具型面也需要加工出具有阶梯的型面，在型面上形成一个与板料厚度阶梯相同的阶梯，从而实现模具与板料的完全贴合。
除了模具阶梯，模具阶梯曲线的位置也需要优化设计。一般模具的阶梯曲线与板料的焊缝线基本相同，但是冲压成形过程中，差厚拼焊板的板料由于焊接部分的热影响区以及焊缝两侧板材的厚度和强度不同，焊缝在成形过程中会产生移动，一般在拉伸区域焊缝会向抵抗变形较强的一侧偏移，而在挤压区域焊缝向抵抗变形较弱的方向偏移，这种现象称之为焊缝漂移现象。这一现象导致当厚侧板料向薄侧板料流动（焊缝线向薄侧漂移）时会磨损模具并出现成形问题，这就要求在模具设计时模具的阶梯位置与差厚拼焊板板料的焊缝线位置要有一定空余距离。一般考虑到板料成形焊缝线位置的预测精度，以及焊缝和周围热影响区的材料刚度，模具阶梯曲线与板料焊缝线的距离可以设置的比较大而不对成形结果造成较大的影响，在板料焊缝线的位置的基础上偏移一个比焊缝漂移距离的最大值还要稍大的数值得到模具阶梯曲线的位置。
总之，如果板料成形回弹预测准确，并且采用数值迭代方法完成补偿过程将大大节约模具开发资金和缩短新产品研发周期，因此进一步加强对其的研究非常有必要。
参考文献：
[1]韩方方.板材成形回弹补偿与模具型面设计方法的研究[D].沈阳工业大学，2009.
[2]李晓达.基于板材冲压成形回弹预示的模具补偿方法的研究[D].吉林大学，2005.
[3]安康.车身高强度钢板冲压回弹仿真与控制研究[D].武汉理工大学，2010.
论文作者:冯祥高
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/1
标签：板料论文; 模具论文; 工件论文; 形状论文; 结点论文; 阶梯论文; 方法论文; 《防护工程》2017年第14期论文;