基于位移回弹补偿原理的汽车加强板回弹补偿研究

宋 灏，毕大森，李 超，关 啸

(1.天津理工大学，材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津 300384；3.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384；4.天津汽车模具股份有限公司，天津 300308)



基于位移回弹补偿原理的汽车加强板回弹补偿研究

宋 灏1,2，毕大森1,3，李 超4，关 啸4

(1.天津理工大学，材料科学与工程学院，天津 300384；2.天津市光电显示材料与器件重点实验室，天津 300384；3.天津市精密级进模具成型技术工程中心，天津 300384；4.天津汽车模具股份有限公司，天津 300308)

回弹问题一直是汽车覆盖件冲压成形中的一大难题，而回弹补偿是控制回弹量的一种有效途径。本文以某汽车加强板为例，进行全工序仿真模拟和回弹分析，利用位移回弹补偿原理对拉延型面和整形型面进行回弹补偿，并将回弹补偿后的工艺数模再次进行回弹分析，验证回弹补偿结果是否满足设计产品的精度要求，为控制汽车高强板的回弹提供依据。

高强板；回弹补偿；位移

0 前言

近年来，出于安全性、经济性和环保性的考虑，车身轻量化逐渐成为汽车工业发展的趋势之一，高强度钢板越来越广泛的应用在汽车车身制造中[1]。然而，较普通钢板而言，高强板较低的断面收缩率以及较高的屈服强度，使得生产中容易产生回弹、破裂等成形缺陷[2]。尤其是回弹问题，在相同条件下，高强板比普通钢板的回弹更为严重。如何有效的控制高强板的回弹，成为冲压成形领域的一大难点[3]。

传统的模具设计补偿方法是在模具车间现场试模实施，再通过人工手动修模得以实现，修改模具型面的次数较多，增加了模具的试模次数，模具的设计和制造周期长[4]。采用CAD软件手工修改模具型面，整个修改过程不仅费时耗力，而且修改后的模型曲面质量也不好[5]。

本文利用位移回弹补偿原理，通过Autoform软件对某汽车加强板进行全工序模拟，分析各工序的回弹仿真结果，运用ThinkDesign软件中的GSM(Global Shape Modeling)功能对拉延型面和整形型面进行回弹补偿，将回弹补偿后的工艺数模再次运用Autoform进行回弹仿真分析，验证回弹补偿结果是否满足设计产品的精度要求。

1 位移回弹补偿原理

1.1 位移回弹补偿流程

位移回弹补偿的模具设计方法就是利用有限元数值模拟计算回弹，然后在预估有回弹的区域作出反方向的补偿值，使零件成形后的反弹正好与补偿值抵消，从而得到合格产品。具体流程如图1所示。

图1 位移回弹补偿流程图Fig.1 Flow chart of displacement springback compensation

1.2 几何补偿算法[6]

在板料的有限元分析中，可以将成形零件离散成有限个单元，假设理想零件形状R是由n个节点构成的单元集合R3，回弹形状为S，即

R={ri︱r∈R3，1≤i≤n}

(1)

S={si︱s∈R3，1≤i≤n}

(2)

对于节点i，回弹后形状由ri变成si，补偿后形状C为

C=R+α(S-R)≈ci=ri+α(si-ri)

(3)

式中，α为补偿因子。

对补偿后的工艺数模重新进行全工序模拟和回弹模拟，直到找到合适的补偿因子，当满足形状偏差ε时，回弹补偿过程结束。

‖St-R‖max<ε

(4)

2 汽车加强板的全工序数值模拟与回弹补偿

2.1 加强板的工艺数模及相关参数

汽车加强板的工艺数模如图2所示，材质为高强钢SSAB_Docol_600DP，厚度为1.8 mm，其材料性能参数见表1。

图2 零件工艺数模Fig.2 The part mathematical model

屈服强度σs/MPa抗拉强度σb/MPa弹性模量E泊松比γ硬化指数n厚向各性系数r435967582E+05030148102

2.2 Autoform全工序冲压及回弹结果分析

此零件的冲压工艺共有3个工序，分别是OP10拉延、OP20修边冲孔和OP30翻边整形。由于此零件是对称件，为了便于计算，板料取一半加对称进行计算。图3所示为拉延后零件的成形极限图，可以看出零件拉延结果比较理想，可以继续进行后序和回弹的模拟。

图3 拉延成形极限图Fig.3 The forming limit diagram after drawing

图4所示为零件修边后与产品比较得到的自由回弹云图，图中黑色圆圈标注位置回弹现象较为严重， 最大回弹量达到1.42 mm，超过了±0.7 mm的零件型面公差要求。图5所示为零件翻边整形后与产品比较得到的自由回弹云图，图中黑色圆圈标注位置的回弹现象较为严重，此回弹主要是由整形造成的。

图4 修边后回弹云图Fig.4 Spring-back contours after trimming

图5 翻边整形后回弹云图Fig.5 Spring-back contours after flanging and forming

2.3 运用ThinkDesign进行回弹补偿并验证补偿结果

首先根据修边后的回弹仿真结果在拉延型面上进行回弹补偿，将Autoform中的回弹前后的网格用.af的格式输出，导入到ThinkDesign软件中，计算出回弹前后网格节点对应的距离，运用GSM功能，将原始型面的节点位移反向减去对应节点的回弹量×补偿因子α，取α=1，即按1∶1的比例得到补偿点的位置，然后利用曲面光顺原理将离散的补偿点处理成光顺的补偿面。图6所示为参照修边回弹结果得到的拉延型面补偿云图。将ThingDesign中生成的回弹补偿面导入到Autoform中重新进行全工序和回弹模拟。图7所示仅补偿拉延工序算出的最终回弹结果，从图中可以看出，除黑色圆圈标注区域外，其他区域的回弹量都在零件型面公差要求内。因为标注区域的回弹是由整形造成的，所以需要对整形型面进行回弹补偿。

图6 拉延型面补偿云图Fig.6 Springback compensation contours of the drawing mould

图7 仅补偿拉延序算的最终回弹结果Fig.7 Final springback contours of only compensation drawing operation

根据拉延补偿的回弹仿真结果，取补偿因子α=1，运用ThinkDesign软件对整形型面做回弹补偿，如图8所示为整形型面补偿云图。同样，将ThinkDesign中生成的回弹补偿面导入到Autoform中重新进行全工序和回弹模拟。图9所示为整形补偿后的最终回弹结果，从图中可以看出，整形区域的回弹量得到了很好的控制，而且整个型面的回弹量都在零件型面公差要求内，因此，不需要再次进行回弹补偿处理。最后，将ThinkDesign补偿后生成的型面输出，得到最终的工艺数模。

图8 整形型面补偿云图Fig.8 Springback compensation contours of the forming mould

图9 整形补偿后算出的最终回弹结果Fig.9 Final springback contours after the forming compensation

3 结论

本文以某汽车加强板为例，利用位移回弹补偿原理，通过板料冲压CAE软件Autoform对板料全工序和回弹模拟，对回弹结果进行分析，并结合CAD软件ThinkDesign对拉延型面和整形型面进行补偿，并将回弹补偿后的工艺数模再次进行回弹分析，最后回弹量都控制在零件型面公差之内。采用这种回弹补偿方法，既保证了零件本身曲面的质量，又提高了回弹补偿的准确性，对于缩短模具开发周期和提高产品质量起到一定的作用。

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Research on the springback compensation of automotive reinforcing platebased on displacement springback compensation principle

SONG Hao1,2，BI Da-sen1,3， LI Chao4，GUAN Xiao4

(1.Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2.Key Laboratory of Display Materials &Photoelectric Devices (Tianjin University of Technology), Ministry of Education, Tianjin 300384, China;3.Tianjin Engineering Research Center of Manufacturing Technology For Precise Die & Mold, Tianjin 300384, China;4.TianJin Motor Dies Company Limited, TianJin 300308, China)

Springback is always a difficult problem in automotive panel stamping forming process，and springback compensation is an effective way to control the springback value. This paper takes the automotive reinforcing plate as an example for the whole process simulation and springback analysis，and use the displacement springback compensation principle for springback compensation on drawing surface and forming surface，and then do springback analysis again with the process numerical simulation after springback compensation，to validate if the results meet accuracy requirement of product design，and provide a basis for the control of automotive high strength steel springback.

automotive reinforcing plate；springback compensation；displacement

2014-06-20；

2014-08-19

宋灏(1991-)，男，天津理工大学材料学院硕士研究生。

TG386

A

1001-196X(2015)01-0049-04