板料冲压成形作为一种重要的金属塑性加工方法，广泛应用于航空、汽车、家电、日用品等工业领域。但板料冲压成形易产生拉裂、变薄、起皱、回弹等缺陷，其中回弹一直是影响和制约板料冲压件精度的重要因素，如何有效地进行回弹补偿与控制是近年来一个重要研究内容。由于冲压件的最后形状与回弹密切相关，模具几何参数、材料性能参数等都会对回弹产生很大影响，因此对回弹进行有效预测和控制是提高冲压件精度的关键。
研究表明，回弹模拟精度既受成形过程模拟计算精度的制约，又与回弹过程的模拟方法有关。Wang C T研究指出，显/隐式相结合的方法是处理板料成形回弹问题的有效方法。徐伟力等、张阳等研究认为涂抹速度不宜超过1m·s-1，在模具圆角处布置5个单元，壳单元厚向取7个积分点为最佳值；Lee S W等指出，相对于接触阻尼参数、罚参数或虚拟冲压速度等参数，单元尺寸对回弹的影响是最大的。回弹是卸载后板料内应力的再分配，是整个成形过程的累积效应。
本文以某汽车车门玻璃导轨件为研究对象，通过对各工序成形后分别做卸载计算，将前一道工序的回弹计算结果作为下一道工序的输入，以减少各工序回弹计算误差，从而提高回弹模拟精度；并针对该零件成形后所产生的回弹，采用节点对称补偿的方法，有效地减小了回弹量，使零件的误差处在合理的范围内，证明了该方法的有效性。
1 回弹机理介绍
金属板材在冲压成形过程中不可避免地产生卸载回弹和切边回弹现象。板料在外力作用下发生某一种弹塑性变形时，其变形一般是由弹性变形和塑性变形两部分组成。当作用在板料上的外载荷去掉以后，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，这种现象称之为卸载回弹。切边回弹是一个复杂的三维应力释放过程，包括切边处理、变形场量信息映射和不平衡残余内应力卸载等3部分。
板料冲压成形过程中回弹缺陷的控制方法主要可分为两类：一类是通过修正模具型面或模具结构使冲压件过正成形，利用回弹规律使其卸载后的形状与塑性期望值相符合或相近，如图1所示；另一类是拟定合理的成形工艺参数(压边力、摩擦系数等)，以改变板料成形时的应力状态，从而抑制回弹的发生。基本上所有回弹都可以综合这两种控制方法达到减小的效果，因本文中零件的成形工艺参数已优化确定，所以采用模具表面几何补偿的方法达到减小回弹的目的。
图1 模具修正补偿方法示意图
2 回弹分析建模及回弹补偿工艺方案
2.1 回弹分析建模
某汽车车门玻璃导轨结构件如图2所示，材料为DX53D镀锌钢板，要求大批量生产。该导轨结构件用于汽车的电动玻璃升降器，在实际装配使用时，左右车门各需一件，且两件呈左右对称结构。零件整体呈一弧形，弧形型面必须与车门玻璃弧度保持一致，该型面精度要求在±0.3mm以内，因此必须严格保证成形质量和控制回弹。
图2 汽车车门玻璃导轨结构件
板料为DX53D镀锌钢板，厚度为1.2mm，选用36#三参数Barlat材料模型。三参数Barlat材料模型用于在平面应力状态下的各向异性弹塑性材料，既考虑了材料的厚向异性对屈服面的影响，也考虑了板料平面内的各向异性对屈服面的影响，因此，该模型更能反映各向异性对冲压成形的影响。事实上，该模型是针对薄金属成形分析(包括冲压成形)而提出的，使用该材料模型不论厚向异性系数r的高低，都能够获得可靠常用材料信息。材料的力学性能参数从Dynaform软件材料库中获得，如表1所示。材料的真实应力应变曲线如图3所示。
表1 材料参数
该导轨结构件形状较复杂，需要冲孔、压弯、拉深、修边、整形、翻边、铆孔、切断等工序来进行冲压成形。工件的回弹分析模型建立在板料成形模拟的基础上，本文将成形模拟生成的Dynain结果文件导入Dynaform，对板料参数、计算方案、网格自适应和隐式参数等进行设置。
本文中的回弹分析采用多步隐式分析方法，单元公式为Full Integrated Shell Element(16)薄壳单元公式、初始时间步长设置为0.001。由于工件非常复杂，每个时间步长所允许的刚度重构次数(MAXREF)设置为1000，避免有限元方程尚未达到平衡状态就已经终止计算，收敛准则等参数采用默认值。回弹分析为静态分析，需取3个约束点以消除板料6个方向的运动，此3个约束点应选在板料变形量较小的位置，但不能选择冲压件边界附近的节点，如图4所示。该选择方法更贴合实际情况，模拟更准确。
图3 DX53D镀锌板应力－应变曲线
图4 定义的约束点
2.2 回弹结果分析
图5为该导轨结构件切边后的回弹分布图。Z轴负向为工件的冲压方向，定义沿Z轴正向的回弹量为正值，反之为负值，由图可知，工件在A、B两端有轻微向上翘曲现象，回弹量在0.3mm公差范围内；工件在中间段C处回弹量较大。因为该工件为尺寸较大的拉深弯曲件，较易产生弯曲回弹，故分别沿X、Y轴对工件剖切(图5)，通过对比回弹前后的截面，更直观地观测工件的回弹情况。图6为截面Ⅰ－Ⅰ处的回弹示意图，由图可知，工件在该截面的回弹量较小，约为0.17mm，小于0.3mm，不影响装配精度。图7为截面Ⅱ－Ⅱ处的回弹示意图，由图可知，截面的右半部分有明显的回弹现象，最大值发生在端点f处，f经切边卸载后移动到f＇，回弹量约为0.67mm，大于0.3mm，不满足零件的成形精度要求。故只需对中间段C处进行模具补偿，即可使该处回弹量减小，满足精度要求。
图5 切边后回弹分布图
图6 截面Ⅰ－Ⅰ处的回弹示意图
图7 截面Ⅱ－Ⅱ处的回弹示意图
图8和图9分别是工件回弹前和回弹后的应力分布图。由图8可知，工件的上、下表面在成形过程中均受拉应力，且中间段C处上表面受到的拉应力最大。由图9可知，切边卸载后，工件仍受拉应力作用，对比卸载前的应力分布图可知，中间段应力减少量最大，导致工件C处上表面收缩，下表面伸长，使表面严重向上翘曲，产生了较大回弹。
图8 回弹卸载前上表面
(a)和下表面 (b)的应力分布图
图9 回弹卸载后上表面
(a)和下表面 (b)的应力分布图
2.3 回弹补偿工艺方案
基于前文中回弹卸载后结构件与理想结构件的对比分析，确定采用图10的模具补偿方案。运用Dynaform软件对该导轨结构件进行级进冲压成形数值模拟，确定出结构件最优的冲压工艺方案，获取回弹仿真分析结果，然后与理想结构件进行对比分析，判断零件是否满足精度要求，如果零件误差超出了公差范围则要对模具补偿。然后利用新生成的曲面进行再模拟及回弹仿真分析，验证模具补偿是否正确，直至获得公差范围内的回弹量。
图10 回弹补偿解决方案流程图
导轨结构件回弹量可以通过结构设计和成形工艺进行控制，但是该件最大回弹量较小(＜1mm)，难以从成形工艺上减小，确定采用模具补偿减小回弹量。模具补偿确定采用节点对称的方法，即补偿后的节点与回弹后的节点关于回弹前的节点对称。如图11所示，1、1＇、1″分别为回弹前、回弹后和补偿后的节点位置。由于该零件中间段回弹量最大，两端回弹量均在0.3mm以下，所以本文仅针对模具中间段C处型面进行了几何补偿。
图11 补偿方案示意图
3 回弹结果分析与对比
图12为模具补偿后得到的零件图。将补偿后得到的工件和理想工件进行对比分析，在回弹严重的A端、B端和中间段C处，抽取了图12中所示的7个节点进行了回弹量测量。由图可知，经过模具补偿后，A端和B端回弹量小于0.3mm，C处回弹量由0.67mm下降到0.127mm，工件的成形精度得到了明显的提高，满足了精度要求。
图12 模具补偿后的零件图
图13为模具补偿后截面Ⅲ－Ⅲ的回弹示意图，由图可知，模具补偿后工件在截面Ⅲ－Ⅲ处的回弹量较小。为观察截面Ⅲ－Ⅲ在模具补偿前后的回弹量变化情况，沿补偿截面选取16个参考节点(图13)，对其补偿前后的回弹量进行测量，结果如图14所示。可以看出：回弹量从节点16到节点1回弹角度不断增大，回弹量呈逐渐递增趋势，模具补偿前截面Ⅲ－Ⅲ边缘处(图13中点1位置)的回弹量最大，约为0.67mm；模具补偿后工件的回弹量均在0.2mm以下，且变化较平稳，工件的成形精度较补偿前得到明显提高。
图13 补偿后截面Ⅲ－Ⅲ处的回弹示意图
图14 节点相对位移曲线
4 结论
(1)回弹分析采用静力隐式算法，计算精度高，能够准确地模拟结构件的回弹量。
(2)板料在经过卸载、切边后产生了较严重的回弹现象，在板料的边缘处回弹量较大，最大值达到0.67mm。
(3)采用节点对称的方法对模具进行补偿，使零件误差由0.67mm下降到0.3mm，回弹量减少了近60%，满足了零件的精度要求，验证了此回弹补偿方法的可行性。
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本文标题：汽车车门玻璃导轨件冲压成形回弹补偿研究
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