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高强度钢板多工序冲压回弹补偿策略研究
随着国家相关标准对安全性、节能环保的要求越来越高,人们对汽车安全性和低油耗的愈发重视,高强度钢板(HSS)甚至超高强度钢板(AHSS)的大量应用已成为提升汽车结构安全性和轻量化的重要方法。相对于低碳钢板,高强度钢板的力学性能特点是屈服强度和抗拉强度高,延伸率低,进而导致高强度钢板零件冲压成形回弹控制尤其困难。在这个背景下,仅凭借工程师的经验已经不足以提供可靠和准确的高强度钢板回弹控制方案,基于高精度CAE(计算机辅助工程)数值模拟在试模前进行回弹预测和控制方案验证已成为行业技术发展的客观要求。其中,基于CAE数值模拟开展高强度钢板冲压回弹预测和补偿是控制回弹最为有效和普遍使用的方式之一。本文研究了影响多工序冲压回弹分析精度的关键因素,回弹分析和补偿的基本原则,以及补偿策略的选择。

影响高强度钢板多工序冲压回弹分析精度的关键因素

在高强度钢板的冲压回弹数值模拟过程中,影响分析精度的因素很多,相关的论文均有所总结。对于多工序冲压回弹分析而言,前工序的设定对后工序的计算结果有着较大影响,有必要强调的两个主要因素:材料本构模型及参数和成形力设定。
在多工序成形过程中,材料往往承受拉伸-压缩的循环载荷,同一个区域在前工序中承受“拉伸”载荷,在后工序中则受到“压缩”载荷。由于包辛格效应的影响,金属材料承受循环载荷加载后,屈服强度会发生变化。因此,高强度钢板多工序冲压回弹有必要优先选择考虑包辛格效应的材料本构模型,而不是等向强化的材料模型。本文建议应用吉田-上森材料模型(YU模型),它考虑了弹性模量随塑性应变的变化而变化和包辛格效应的影响,其计算精度的准确性已在业界得到了高度认可。
在成形力设定方面,压力机吨位的上限决定了模具在成形过程中所能提供的最大载荷。如果压力机吨位不足,则钣金几何特征在冲压过程中不可能得到充分成形,并且钣金在成形过程中的残余应力也有所区别。当某工序的成形力改变时,该工序的仿真计算结果输出映射至后工序的应力、应变皆有不同,零件的最终回弹分析精度也将受到较大影响,有必要在仿真过程中按实际使用的压力机吨位设定成形力上限。

高强度钢板多工序冲压回弹补偿

回弹补偿是指完成冲压回弹分析或试模检测回弹量后,将钣金零件的回弹量反向补偿到原始数模面上,重构新的模具数模,从而达到回弹控制的目的。之前回弹补偿的工作需要工程师在CAD软件中手动调整模具原始数模,工作量大且对工程师经验要求较高。现在以JSTAMP/NV为代表的冲压CAE软件已发布了自动回弹补偿的功能,只需设定补偿目标要求,由软件自动生成迭代补偿数模面。以JSTAMP软件为例,其集成了两种主要的回弹补偿方法,即回弹位移补偿和回弹形状差分补偿。前者基于Karafillis和Boyce两位学者于1996年提出的SF(Spring Forward)方法,通过施加与成形后内力方向相反的力,来计算模具型面的补偿,特点是补偿快,不足是不适用于多次迭代,且对于部分特征复杂的模具型面补偿效果不佳。后者是基于Wagoner等学者于2004年提出的DA(Displacement Adjustment)方法,通过给模具型面施加一个与回弹方向相反的位移对模具型面进行补偿,该方法还可用于基于试模扫描数据的补偿。基于两种方法的特征,本文建议第一轮补偿可采用回弹位移补偿法,后续的补偿则均采用回弹形状差分补偿,如图1所示。

回弹补偿的流程如图2所示。首先,因为回弹补偿是模拟解决冲压回弹缺陷的办法,在此之前,零件的成形性缺陷(破裂和褶皱)需予以解决,否则回弹分析补偿的计算对于模具研发没有意义。其次,回弹分析完成后,有必要确认回弹分析结果的合理性,包括:有无结果异常或网格畸变的单元,回弹是否收敛,结果是否稳定可靠(如:回弹分析约束点的选择)等等。同时,在这个环节中还需要确认回弹量检测的方法,即零件回弹分析后的网格与目标形状数据的对齐方式,对齐方式对回弹量数值的检测结果影响很大,如图3所示。对齐方式的选择需要考虑后续回弹补偿数模的质量,一般建议优先考虑关键区域,同时务必保证每轮的回弹补偿都按照相同的对齐方式进行,以保证回弹量检测标准统一。再次,回弹补偿策略是指在哪些工序进行回弹补偿,以及回弹量在各工序的补偿量。补偿策略一般可分为三种,包括:全部补偿到某一个工序数模(如:拉延模);全部工序进行补偿,将各自的回弹补偿至自身数模,每工序均补偿至目标形状;以及部分工序模具进行补偿。补偿策略的选择对于模具制造补偿调试的效果和周期影响很大,有必要整体考虑,在试模前基于CAE数值仿真对比各补偿策略的优劣。

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