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汽车冲压件回弹补偿及其预测
徐四光,赵坤明,TenyLaiiker,
摘要:为了减轻汽车重量和提高燃油经济性,越來越多的汽车冲压件采用铝合金和高强钢來制造。这样的材料在成形接触时不仅降低了可成形性,而且存在尺寸质量问题。在模具开发、制造、调试中主要的挑战是回弹预测的准确性和补偿的有效性。本文讨论了影响回弹准确性的因素。其中包括:材料模型的影响、选择元素的大小和接触算法。对一些汽车铝合金和高强钢冲压件的回弹补偿和测量数据进行了比较,实例表明:回弹的趋势和幅度与预测的数据一致。回弹对最终产品的影响可以通过工艺控制和模面补偿來得到减小或消除。工艺控制的方法涉及到发现回弹的起因,并通过工艺调整消除它们。模面的儿何补偿是一种消除回弹影响的直接方式。对于产品上较小部分的回弹,全局比例回弹补偿方式通常是局限的。用一种新的方法对大的回弹和扭曲进行了讨论,其中考虑了变形和回弹历史的影响。该补偿是通过求解非线性方程的系统迭代地实现。生产中模具加工成补偿后的模面,这表明该模具的补偿是一种有效的方法,以减少回弹引起的儿何偏差。
1前言
随着铝合金和高强钢(HHS)在汽车工业大量应用(以满足燃油经济性和安全要求),提出了一个具有挑战性的问题:板料成形数值模拟。也就是准确的预测回弹和补偿,低杨氏模量的铝和高屈服强度的高强钢在成形后往往会造成较大的回弹,导致己成型部分尺寸偏差不同于设计时的形状。回弹也是影响覆盖件表面质量的主要因素。提高回弹预测精度是许多研究者和软件开发的焦点。这一领域的最新进展己使回弹分析更快更可靠。回弹分析已变成汽车行业的CAE工程师在板料成形分析时的常规流程。本文将简要回顾一些影响回弹分析精度的因素。将通过讨论一个汽车面板模面回弹补偿实例来说明回弹的减少和校正方式。该实例说明:计算机仿真有很多方法可以解决回弹问题,來满足零件尺寸公差要求,减少模具调试次数。
2回弹预测
回弹是一个塑性恢复过程,它发生在塑性变形的端部(其可造成局部方向塑性变形)。除了对产品儿何形状的影响,回弹模式和规模主要取决于冲压后产品面上的应力水平和分布。因此成形模拟是一个重要的影响因素对于回弹模拟质量。然而成形模拟由许多因素决定。其中包括有限元制定和建模,工具和面接触、板材模型、摩擦模型和解决方案算法。汽车冲压件具有复杂的儿何形状,板料和工具之间的接触是至关重要的,以避免在数值模拟时人工穿透和不正确的接触力[1]。正确的接触要求:
*接触的工具网格无间隙、重叠和重复的实体,相应工具网格半径(在90度的弯曲半径至少
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8个单元)
*适当的初始板料单元尺寸和自适应精度(最少4个单元在一个半径周围)。如果可能话,好的一致性的网格应该增加接触的平滑度和面的光顺性。
*通过足够的积分点数在板材厚度方向上,以充分捕捉弯曲应力(在变薄的区域最少7个积分点,在增厚区域增加积分点)
*适当的仿真速度和其他数值参数)
作为一个例子,图1和表1示出了高强钢部分的回弹预测。它表明,具有自适应网格的仿真低估了回弹量,而一致性的网格可以改善回弹预测值2mm,这种情况下很显著。

点位置
测量值
(mm)
LS-DYNA
PAM2G
自适应单元格
均匀单元格
均匀单元格
1
10
7
9
10
2
5
2
3
3
3
5
3
4
4
Point
/Point
Point2
3
图1强化的高强钢车身结构
板材和工具之间的正确的接触是应力计算的根本基础,为了改善接触的平滑度,CAD工具表面可直接用于计算接触代替工具网格[6]。然而,这需要更长的计算时间和比正常模面工程质量要求高得多的CAD曲面。在模具设计阶段,创建这样高品质的表面需要更多的工作和时间。另一种方法,重新构造一个仅基于工具网格模型的接触表面以创建一个更好的接触进行运算,对一个简单的表面进行变换比重新重建一个完美的CAD表面用的功夫少的多。
在有限元分析中使用的材料型号的材料响应在塑性变形是特征化的。屈服函数决定屈服轨迹的形状,同时硬化规则决定屈服面的变化。由于不同材料在塑性变形过程中的行为不同,己提出大量的硬化法则和屈服函数试图捕捉材料的各向异性、运动学硬化效应、以及微观组织演变效果的细节
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[7-12]o同时提高模型的回弹预测,材料参数的确定涉及到使用专门设计的设备对大量模型进行广泛的测试和数据处理。到现在为止,还没有统一的工业试验标准以及用于钢和铝生产商提供这些材料参数到最终用户的要求。因此,传统的Hill屈服准则和拉伸试验直接得到的现实硬化曲线仍然被广泛用于钢和铝的成形和回弹分析。在这种情况下,CAE工程师的技能和知识是得到可靠的成形和回弹的结果的关键。
为了捕捉模拟中一切可能的回弹模式,尤其是扭曲,一个完整的模型应考虑代替对称部位中的一半模型。用相当于拉延筋力的约束來代替真实拉延筋,來反映由于弯曲和矫直材料产生的硬化效应,得到强化的效果。对于柔性部件(主体封闭零件),观察到在回弹分析中重力是捕捉零件下垂和诱导回弹的一个重要因素。在隐式回弹分析中,通常使用位移收敛准则。然而,收敛公差的选择通常基于应用工程师的经验。可以发现除了位移收敛测试,残余应力也应视为收敛测试标准。回弹计算后分布的残余应力低表明,己经正确释放不平衡应力和应用的约束机制已经足够。否则回弹计算结果应重新评估。3回弹减少及补偿
回弹发生拉伸、修剪和翻边工序后,零件中有不平衡的残余应力存在。回弹的影响导致零件的几何尺寸与设计尺寸有偏差。因此,在补偿后的拉伸零件可能不适合后期修边工序,也可能不适合后期翻边工序,导致最终成品零件可能不能满足产品的标称形状。在过去,回弹补偿是在手动完成的基础上进行尝试和试错。由于缺乏准确的回弹预测,该过程花费了很长一段时间。这可能会妨碍整车项目的进度。最近改善的回弹预测方法使得回弹补偿能够应用在整车开发的模具设计阶段。
有两种方法來解决回弹问题。一个是力学系回弹还原(MBSR)和基于其他儿何回弹补偿(GBSC)[1]。对于每一个特定部分,所述MBSR方法是不同的基础上产品的儿何形状、工艺补充面的开发及模具开发的过程。通常使用的方法包括添加合适的产品特性(添加标定、加强卷边、偏移等)來稳定零件的形状、改变模具工艺、以平衡压边力、变形的方式和工程中二维关键区域一定程度的塑性应变,以减少弯曲和扭曲回弹(通过增加拉伸筋和不同的弯曲半径)。
图2示出拉延筋对高强钢汽车部件回弹的效果。该零件没有拉裂和皱纹,因此沿所述部件的侧面无需添加拉延筋。然而在修边部分相对标称形状偏离20毫米并且发生严重的扭曲。在添加拉延筋后,特别是在沿侧边的扭转位置,扭转回弹消失,并且修边部位的最大偏差在1毫米内。
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黑色:标称模面
红色:补充后模面与拉延筋
蓝色:无拉延筋的补偿后模面
对于一些铝,冲压成形不仅可以提高可成形性,而且显著减少退火过程的回弹。图3所示为有或无退火情况下的回弹分布,其最初设计为钢。铝在退火后,回弹可减小到类似于钢制发动机罩的大小,因此相同的发动机罩内板可用铝來制造。
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图3退火对回弹的影响
该GBSC是标称模具的儿何形状的变形,使得在成形工序之后零件的回弹补偿后形状同设计形状相匹配。儿何补偿可以对整个模面或局部重点区域模面进行补偿。GBSC的普遍做法通常包括:1)基于该模面的标称模面进行成形和回弹计算,2)用选定的全局缩放因子修改模面,其中基于线性扩展的回弹位移矢量的模面补偿,3)基于所述补偿模面的成型和回弹计算。4)第3步回弹补偿后的形状和标称零件形状进行比较。如果不满足尺寸公差,将需要从第1步迭代到第4步。对于具有相对较小弹性变形恢复量的零件,全局缩放补偿方法可以多次迭代后补偿模面。经补偿的模面通常可以形成满足尺寸公差要求的部件。

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距离标称模面值
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・
行李箱
oAfterCompensation
•BeforeCompensation
・

1i015
测量点
图4b依据标称形状补偿前和补充后的儿何偏差
图4a和4b示出了铝行李箱盖内板基于全局缩放方法模具补偿技术的基准问题#1的应用方法。进行对全局范围因子五次迭代调整后,某些局部区域的补偿仍不能满足公差的要求。需要对这些区域的拐角处进行额外的手动补偿。图4b示出了CMM检查前和补偿后的部分结果。结果表明,大多数回弹在整流罩区域被补偿(点1-7),而水下降区域(分10-18)。
随着模面的变化回弹模式和大小非线性地变化。对于大的回弹或扭曲的问题,上述的线性缩放方法未必能满意地补偿模面,即使经过多次迭代以。为了更有效地进行模面补偿,下面的函数可以定义为:
屮(T,F,M)=ABS(P-T-S)
其中,P是名义形状,T表示工具表面和S回弹向量。F的形成条件向量(润滑条件,压边力,拉延筋阻力,压边圈行程等),而M是材料性能矢量参数。等同于找到了以下问题的模面补偿的解决方案:
min{屮(T,F,M)}
如果假定材料特性和成形条件在成形过程中不变,上述最小化问题成为找到非线性方程组的在以下系统的解决方案。
8屮/aT=0
找到一个对于这种高度非线性方程系统的解决方案并不简单。它包括制定适当的模面变化、仿真流程自动设置、自动多迭代成型和处理回弹结果的方法。最近LSTC软件技术公司釆用了类似的方法(虽然他们还没有公布技术细节),开发了基于LS-DYNA的模面补偿模块。用LS-DYNA模面补偿模块对儿个模面补偿实例应用己经证明,与线性补偿方法和弹赞接触方法相比,这个方法是更有效的。图5示出在图中所示的高强钢零件的补偿结果。。经过使用LS-DYNA模面模块补偿后,对得出的最大偏差3次迭代后,产生的模面在标称形状(修边后)。
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依据标称模面补回弹补偿后形状
标称模面形—补偿后模面形状
-DYNA模面补偿模块剖面的非线性补偿结果
4总结
模面补偿的关键是对回弹预测的准确性。为了获得可靠的回弹预测,要注意所讨论的因素。虽然对于大多数汽车冲压件,目前的回弹预测只能达到70-80%的准确度。基于有限元分析的模面补偿技术可以显著减少回弹导致儿何偏差,并有助于提高汽车行业铝和高强钢的应用。
致谢
笔者感谢Vagish霍斯科泰先生在回弹分析上为本文做出的贡献。我们还要感谢对本文的讨论和建议的所有模具工程分析部的同事。
引用
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