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【摘 要】汽车车身冲压零件的回弹直接关系到零件的质量好坏。本文结合哈飞汽车公司1020A货车中的研制，对其中的立柱外板成型过程中的回弹，首先进行试验研究，并概述了薄板冲压回弹的产生机理，有限元数值模拟技术的相关基本理论，分析了影响回弹数值的主要因素。然后开展了对零件成型过程的回弹的仿真模拟，通过对模拟结果的分析，对利用此工艺模型进行模具加工后生产的冲压零件进行测量，并对测量数据和仿真模拟结果进行对比分析，为合理补偿回弹提供了有效途径，本文对以后开发的新车型的冲压件克服回弹提高产品质量有重要意义。
【关键词】冲压成型;回弹;有限元模拟
1.研究项目的意义
冲压成形是一种重要的金属成形工艺，具有生产效率高、零件一致性好及批量生产成本低的诸多优点，广泛用于汽车、航空、家电、包装等工业领域。因此，板材成形技术的高低，直接影响汽车的制造成本、质量和新产品的开发周期。为了适应汽车市场越来越激烈的竟争，面对顾客对汽车质量、性能越来越高的要求，汽车界提出3R战略，即缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车质量，这就对汽车车身冲压零件的模具开发提出了更高的要求。
冲压仿真模拟技术的应用具有以下的特点：
(1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。
(2)提供了虚拟虚拟制造环境，通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。
(3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化，提高产品质量。
(4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。
2.板料成型模拟的基本原理简介
2.1板材成形过程模拟的模型建立
板材成形过程有这样几个特点：(1)板材成形通常是一个大变形、大应变的问题，需要跟踪工件几何形状变化的历史来分析。(2)模具表面和材料表面的接触条件比较复杂，成型过程中，材料的流动是非稳态的，在模拟过程中，必须不断的自动修改边界条件。(3)在板料成形过程中还常常伴有拉伸失稳(局部变薄)和压缩失稳(皱曲)的现象。
建立有限元分析模型任务之一是选择有限单元的类型，划分有限元网格。有限单元类型选择原则是确保所选单元类型对板料变形描述的准确性和变形梯度的准确描述。
2.2板材成形数值模拟的算法
当前板材成形数值模拟采用的算法主要分为显式法和隐式法两类。
2.2.1显式算法
显式算法包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。该算法需要的内存也比隐式算法要少。数值计算过程可以很容易地进行并计算，程序编制也相对简单。另外，它也有一些不利方面：显式算法要求质量矩阵为对角矩阵，而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能发挥，因而往往采用减缩积分方法，这样容易激发沙漏模式，影响应力和应变的计算精度。
2.2.2隐式算法
静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中，在每一增量步內都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大，但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加，计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分，对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时，在分叉点处刚度矩阵出现奇异。
3.回弹数值模拟及影响因素分析
3.1材料回弹的力学模型
板料在外载荷作用下发生任何一种塑性变形时，其变形都是由塑性变形和弹性变形两部分组成。当作用板料上的外载荷卸掉之后，塑性变形区的材料保存残余变形而使零件变形。但是，由于弹性变形区材料的弹性恢复以及塑性变形区材料弹性变形部分的弹性恢复，使其形状、尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，这种现象称之为回弹。这就是生产中回弹现象的内因。
3.2回弹的影响因素分析
回弹的大小与理论参数的选取有很大关系，这些理论参数包括单元类型、单元大小、与凹模圆角处接触的单元与凹模之间的角度、接触与摩擦法则等。同时回弹的大小与许多物理参数的选取也有很大关系，这些物理参数包括压边力、材料特性、摩擦系数及卸载步骤等。所有这些参数使回弹模拟变得很复杂，模拟也很难做到精确。所以应用现有的软件对某一零件进行有限元模拟时，只能是定性的得出结论。
3.2.1摩擦系数的影响
成形模拟中对摩擦系数的模拟只能是近似的模拟。这是由于凸凹模之间的真实接触并不象仿真模拟中假设的那样，所有的面与面都完全接触。实际生产中凸凹模的表面是凸凹不平的，弯曲和平坦的地方摩擦系数都是不一样的，因此很难对摩擦系数进行模拟。另外，也很难通过经验获得摩擦系数，所以在仿真模拟时不同的接触面上都应用相同的摩擦系数，然后再改变摩擦系数的大小。
3.2.2材料性能的影响
当板料取不同材料时，在凸模与板料之间的摩擦系数、凹模与板料之间的摩擦系数、压料板与板料之间的摩擦系数取值相同的情况下，对于冲压生产经常使用的三种材料SPCC，SPCE，SPCE(日本材料标准)，它们的屈服强度依次降低，它们的回弹量也呈减少的趋势．这是由于在相同外载作用下，屈服强度越低的材料越容易产生塑性变形。不同的板料的成形及回弹模拟的结果会完全的不同。
3.2.3板料厚度的影响
对于不同厚度板料，板料厚度越大，回弹角越小。这是因为相同的弯曲角时，厚度大的板料表面应变和应力值较大，发生塑性变形的材料较多，因而回弹量会减少。
3.2.4弯曲圆角半径
在其它条件不变的情况下，改变零件的成型圆角半径，不同的弯曲圆角半径时的回弹结果也不同，圆角半径越大，回弹量也越大。这是因为在弯曲角—定的情况下，弯曲半径越大，变形区长度就越长，因而回弹角也越大。
3.2.5拉延筋的作用
使用拉延筋后，对回弹的拟制作用非常明显，并且随着拉延筋约束作用的增强，回弹量呈减少趋势，这是因为拉延筋有效地阻碍材料向凹模里流动，增大了材料的拉伸效果，特别是在容易产生回弹的弯曲角部，使得角部内面压应力的作用区域向拉应力区转移，回弹显著减少。
【参考文献】
［１］阳晓军.有限元分析技术在板料冲压中的应用.模具工业.1997,(100).
［２］胡平,李运星,柳玉起,连建设.冲压件成形与模具设计数值仿真一体化技术，塑性力学及其应用.北京理工大学出版社.1999.
［３］王立冬,阮雪榆.双金属板拉延的有限元分析.计算力学报.V01.1 5,No.4.
［４］印雄飞,叶又,彭颖红,阮雪榆.板料成形数值模拟中计算时间的控制.模具工业，1999.No.7.
［５］马又鸣,陈大融,潘旭峰,毕攻,乔念东.车身覆盖件成形过程计算机仿真的研究，模具工业.1999.No.4.
【关键词】冲压成型;回弹;有限元模拟
1.研究项目的意义
冲压成形是一种重要的金属成形工艺，具有生产效率高、零件一致性好及批量生产成本低的诸多优点，广泛用于汽车、航空、家电、包装等工业领域。因此，板材成形技术的高低，直接影响汽车的制造成本、质量和新产品的开发周期。为了适应汽车市场越来越激烈的竟争，面对顾客对汽车质量、性能越来越高的要求，汽车界提出3R战略，即缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车质量，这就对汽车车身冲压零件的模具开发提出了更高的要求。
冲压仿真模拟技术的应用具有以下的特点：
(1)通过对工件的可成形工艺性分析，做出工件是否可制造的早期判断；通过对模具方案和冲压方案的模拟分析，及时调整修改模具结构，减少实际试模次数，缩短开发周期。
(2)提供了虚拟虚拟制造环境，通过缺陷预测来制定缺陷预防措施，改进产品设计和模具设计，增强模具结构设计以及冲压方案的可靠性，从而减少生产成本。
(3)通过CAE分析可以择优选择材料，可制造复杂的零件，并对各种成形参数进行优化，提高产品质量。
(4)通过CAE分析应用不仅可以弥补工艺人员在经验和应用工艺资料方面的不足，还可通过虚拟的冲压模拟，提高提高工艺人员的经验。
2.板料成型模拟的基本原理简介
2.1板材成形过程模拟的模型建立
板材成形过程有这样几个特点：(1)板材成形通常是一个大变形、大应变的问题，需要跟踪工件几何形状变化的历史来分析。(2)模具表面和材料表面的接触条件比较复杂，成型过程中，材料的流动是非稳态的，在模拟过程中，必须不断的自动修改边界条件。(3)在板料成形过程中还常常伴有拉伸失稳(局部变薄)和压缩失稳(皱曲)的现象。
建立有限元分析模型任务之一是选择有限单元的类型，划分有限元网格。有限单元类型选择原则是确保所选单元类型对板料变形描述的准确性和变形梯度的准确描述。
2.2板材成形数值模拟的算法
当前板材成形数值模拟采用的算法主要分为显式法和隐式法两类。
2.2.1显式算法
显式算法包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。该算法需要的内存也比隐式算法要少。数值计算过程可以很容易地进行并计算，程序编制也相对简单。另外，它也有一些不利方面：显式算法要求质量矩阵为对角矩阵，而且只有在单元级计算尽可能少时速度优势才能发挥，因而往往采用减缩积分方法，这样容易激发沙漏模式，影响应力和应变的计算精度。
2.2.2隐式算法
静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中，在每一增量步內都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大，但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加，计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分，对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时，在分叉点处刚度矩阵出现奇异。
3.回弹数值模拟及影响因素分析
3.1材料回弹的力学模型
板料在外载荷作用下发生任何一种塑性变形时，其变形都是由塑性变形和弹性变形两部分组成。当作用板料上的外载荷卸掉之后，塑性变形区的材料保存残余变形而使零件变形。但是，由于弹性变形区材料的弹性恢复以及塑性变形区材料弹性变形部分的弹性恢复，使其形状、尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，这种现象称之为回弹。这就是生产中回弹现象的内因。
3.2回弹的影响因素分析
回弹的大小与理论参数的选取有很大关系，这些理论参数包括单元类型、单元大小、与凹模圆角处接触的单元与凹模之间的角度、接触与摩擦法则等。同时回弹的大小与许多物理参数的选取也有很大关系，这些物理参数包括压边力、材料特性、摩擦系数及卸载步骤等。所有这些参数使回弹模拟变得很复杂，模拟也很难做到精确。所以应用现有的软件对某一零件进行有限元模拟时，只能是定性的得出结论。
3.2.1摩擦系数的影响
成形模拟中对摩擦系数的模拟只能是近似的模拟。这是由于凸凹模之间的真实接触并不象仿真模拟中假设的那样，所有的面与面都完全接触。实际生产中凸凹模的表面是凸凹不平的，弯曲和平坦的地方摩擦系数都是不一样的，因此很难对摩擦系数进行模拟。另外，也很难通过经验获得摩擦系数，所以在仿真模拟时不同的接触面上都应用相同的摩擦系数，然后再改变摩擦系数的大小。
3.2.2材料性能的影响
当板料取不同材料时，在凸模与板料之间的摩擦系数、凹模与板料之间的摩擦系数、压料板与板料之间的摩擦系数取值相同的情况下，对于冲压生产经常使用的三种材料SPCC，SPCE，SPCE(日本材料标准)，它们的屈服强度依次降低，它们的回弹量也呈减少的趋势．这是由于在相同外载作用下，屈服强度越低的材料越容易产生塑性变形。不同的板料的成形及回弹模拟的结果会完全的不同。
3.2.3板料厚度的影响
对于不同厚度板料，板料厚度越大，回弹角越小。这是因为相同的弯曲角时，厚度大的板料表面应变和应力值较大，发生塑性变形的材料较多，因而回弹量会减少。
3.2.4弯曲圆角半径
在其它条件不变的情况下，改变零件的成型圆角半径，不同的弯曲圆角半径时的回弹结果也不同，圆角半径越大，回弹量也越大。这是因为在弯曲角—定的情况下，弯曲半径越大，变形区长度就越长，因而回弹角也越大。
3.2.5拉延筋的作用
使用拉延筋后，对回弹的拟制作用非常明显，并且随着拉延筋约束作用的增强，回弹量呈减少趋势，这是因为拉延筋有效地阻碍材料向凹模里流动，增大了材料的拉伸效果，特别是在容易产生回弹的弯曲角部，使得角部内面压应力的作用区域向拉应力区转移，回弹显著减少。
【参考文献】
［１］阳晓军.有限元分析技术在板料冲压中的应用.模具工业.1997,(100).
［２］胡平,李运星,柳玉起,连建设.冲压件成形与模具设计数值仿真一体化技术，塑性力学及其应用.北京理工大学出版社.1999.
［３］王立冬,阮雪榆.双金属板拉延的有限元分析.计算力学报.V01.1 5,No.4.
［４］印雄飞,叶又,彭颖红,阮雪榆.板料成形数值模拟中计算时间的控制.模具工业，1999.No.7.
［５］马又鸣,陈大融,潘旭峰,毕攻,乔念东.车身覆盖件成形过程计算机仿真的研究，模具工业.1999.No.4.