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1 引言 

板料沖壓成形后存在回彈，回彈是沖壓生產(chǎn)中的主要缺陷之一。合理地設(shè)計模具是減小回彈的有效方法。傳統(tǒng)的任意三維型面的成形，在補(bǔ)償回彈變形時一般仍采用"試錯法"(trial-and-errox)。這種方法需要操作者有很高的技能和豐富的經(jīng)驗，并且成功與否伴有一定的偶然性。對復(fù)雜的鋁車身覆蓋件，在模具試制階段僅為補(bǔ)償回彈的修模時間就需半年多，所以，傳統(tǒng)的"試錯法"耗費(fèi)了大量的財力和時間。 

隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的提高，使有限元數(shù)值模擬技術(shù)成功地應(yīng)用到薄板成形領(lǐng)域，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測沖壓件成形中的各種缺陷。如果板料成形回彈預(yù)測準(zhǔn)確，并巨采用數(shù)值迭代方法完成補(bǔ)償過程的時間少于現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)中采用的"試錯法"，那么采用數(shù)值模擬方法將大人節(jié)約模具開發(fā)資金和縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期。 

本文提出基于數(shù)值模擬迭代過程的"循環(huán)位移補(bǔ)償"設(shè)計模具方法，并將其應(yīng)用于一小型鋁合金三維板料成形的模具補(bǔ)償過程;通過多次循環(huán)計算得出合理的模具形狀，最終獲得形狀精度高的工件。 

2 基于數(shù)值模擬補(bǔ)償回彈的循環(huán)位移補(bǔ)償法 

"循環(huán)位移補(bǔ)償"的模具設(shè)計力法就是利用有限元數(shù)值模擬計算回彈量來修正模具型面，其步驟是:從初定的模具型面的結(jié)點(diǎn)位移反向減去模擬計算的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)回彈量，得到用于補(bǔ)償回彈的模具型面。金屬板料首先用試探模具(對于第一次循環(huán)，試探模具形狀和工件相同)成形，計算成形回彈后的工件形狀。此工件與目標(biāo)工件比較，如果存在的形狀誤差超出容許值，就從模具形狀中減去形狀誤差，得到新的模具型面。在下一循環(huán)中，金屬板料將用這一新的試探模具型面成形。如果成形工件的形狀與目標(biāo)工件誤差仍超出容許值，將再次從試探模具型面反向減去這一循環(huán)的形狀誤差，得到更新的模具型面，進(jìn)人下一循環(huán)，直到成形的工件形狀滿足要求。 

具體計算過程為:首先按目標(biāo)工件形狀建立凸凹模型面，應(yīng)用軟件ANSYS/LS-DYNA動態(tài)顯式模擬簿板成形;把成形前板料的單元結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及成形分析得到的沖壓件成形后的結(jié)點(diǎn)位移分別存人數(shù)據(jù)文件、heel. dat和form. dal，把數(shù)據(jù)文件Loan. dat和數(shù)據(jù)文件sheet. dal相加可得到目標(biāo)工件的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件part. dal;把動態(tài)顯式模擬得到的、保存有兒何形狀和應(yīng)力的成形工件用靜態(tài)隱式進(jìn)行卸載過程模擬，得到的結(jié)點(diǎn)回彈位移存入數(shù)據(jù)文件springback. dat，把part. dat和springback. dal的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)位移坐標(biāo)數(shù)據(jù)相加，得到成形回彈后的工件形狀結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，存人數(shù)據(jù)文件newpart. dal;比較文件part. dat和newpart. dat，即可得出試沖工件與目標(biāo)工件的型面誤差;如果試沖工件與目標(biāo)工件的型面誤差較大，將從newpart. dat按一定比例減去springback. dat，得到考慮回彈后應(yīng)成形的工件形狀文件newform.dat。 

為建立新的沖壓模具形狀，在三維CAD軟件UG中利用newform.dat中工件坐標(biāo)點(diǎn)云生成有實(shí)際板厚的片體，拾取片體的部分表面通過偏移生成模具型面。把得到的新模具型面數(shù)據(jù)文件以IGES格式存儲轉(zhuǎn)人到分析軟件ANSYS/LS-DYNA中，進(jìn)行新的成形-回彈-誤差分析過程。下面就這種基于回彈預(yù)測的模具型面設(shè)計的過程和效果給出一個算例。 

3 數(shù)值模擬補(bǔ)償回彈的模具型面設(shè)計算例 

3.1 有限元模型 

模擬的沖壓工件如圖1所示，具有以下特點(diǎn):(1)工件曲率小，成形時塑性變形不充分，回彈較大;(2)工件尺寸小(坯料尺寸100 mm*80mm) ,可縮短數(shù)值模擬計算過程迭代時間，便于在配置低的微機(jī)上短時間內(nèi)完成;(3)金屬板料成形時，在壓邊區(qū)域不會出現(xiàn)褶皺，可避免分析褶皺問題;(4)YZ截面呈U型，沖壓件底部平面與壓料面曲率相同，側(cè)壁部分與XY平面有一定夾角。

圖1 三維零件圖

由于工件形狀對稱，在工件截面A-B(x=0)處和裁面A-C(z=D)處的二維形狀可代表整個三維形狀，如圖2和圖3所示，且有限元模型取整體的1/4，如圖4所示。

單元類型為BT殼單元，板料單元尺寸為1.0mm * 1. 0 mm,板厚方向積分點(diǎn)數(shù)為5個，圓角處單元數(shù)為7個，應(yīng)用3參數(shù)Barlat屈服準(zhǔn)則.板料選用東北輕合金的鋁板5754 M，其成分及單向拉伸實(shí)驗得到的材料性能參數(shù)見表1及表2。

3. 2循環(huán)計算及結(jié)果

首先，對該沖壓件進(jìn)行成形--回彈的有限元數(shù)值模擬。模具形狀和目標(biāo)工件匹配，完全成形時的沖壓件如圖5所示。沖壓件的回彈預(yù)測結(jié)果如圖6所示，從圖中可以看出，回彈變形很不均勻，工件上D處的回彈變形最大，可達(dá)0.72 mm;翼邊BD和CD回彈較大，回彈量沿BD邊由B點(diǎn)的0.1 mm到D點(diǎn)增大至0. 72 mm, CD邊回彈變形量。

其次，為了減小工件的形狀誤差，根據(jù)回彈計算結(jié)果對模具形狀進(jìn)行了兩次修正，分別在三維建模軟件UG中將回彈變形按50%和70%比例反向施到工件模型的結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)上，得到修正后的工件形狀點(diǎn)云，該點(diǎn)云在UG中被用來生成片體。由于在UG中利用結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)云形成片體時，需要使用剪切面把點(diǎn)云外的多余片體部分剪除掉，在CAD模型中會留有多余的剪切線;同時，在補(bǔ)齊凹模圓角和板料支撐面時，面與面之間的邊線不一定共享，所以為了便于劃分單元網(wǎng)格，有必要把CAD模型中多余的線刪除掉，一般采用Hypermesh處理。但由于本算例CAD模型較簡單，是在ANSYS/LS-DYNA前處理中對CAD模型進(jìn)行處理，再補(bǔ)上板料的模型，就得到了完整的CAD模型。

得到修正后的沖壓件形狀，然后對此工件形狀向上偏移1個板料厚度(模具采用剛性殼單元劃分，單元厚度和板料厚度相同。)得到凸模形狀，并上移1個沖壓行程確定凸模位置;對工件形狀向下偏移1個板料厚度，得到凹模形狀;補(bǔ)齊凹模圓角和板料支撐面，得到模具型面(圖10)，最后以ICES文件記錄，作為下一次成形回彈循環(huán)模擬計算的模具CAD模型。

在建立了CAD模型后，建立有限元模型，進(jìn)行下一次成形-回彈模擬計算。計算表明，本算例僅需要二次循環(huán)、兩次補(bǔ)償修正就使得到的模具型面成形的工件與目標(biāo)工件的誤差非常小。第三次循環(huán)計算得到的工件與目標(biāo)工件及采用的模具型面在A-B, A-C, B-D和C-D截面處的偏差如圖11和圖12所示�？梢钥闯觯�所得工件的形狀尺寸偏差顯著降低，最大偏差處(D點(diǎn))僅為0.1mm所得工件與目標(biāo)工件型面吻合的非常好，如圖13所示。

4實(shí)驗驗證

通過實(shí)驗驗證循環(huán)位移補(bǔ)償法設(shè)計的模具補(bǔ)償回彈的效果。制作兩套模具，分別根據(jù)目標(biāo)工件和反向補(bǔ)償?shù)玫降哪＞咝兔娴臄?shù)模生成的數(shù)控代碼在數(shù)控銑床上加工得到，如圖14所示，由凸模、凹模組成。在兩套模具上各進(jìn)行了8次實(shí)驗，實(shí)驗所得工件如圖15所示。

由于實(shí)驗試件小，若在大噸位液壓機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗，位移控制不準(zhǔn)確，且在成形工件上施加大的校正力，也不會出現(xiàn)預(yù)想的回彈，所以實(shí)驗是在WE-108型材料實(shí)驗機(jī)上進(jìn)行。WE-108型材料實(shí)驗機(jī)的工作臺和活動橫梁無T型安裝槽，凸凹模不能利用模架緊固在上面，所以僅設(shè)計加工了凸凹模。實(shí)驗時，板料依靠模具上事先劃好的線定位，而凸模的定位依靠在本身和板料上劃的線與凹模對正。另外，為了對比采用三坐標(biāo)劃線測量機(jī)測得的工件數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，測量的軌跡應(yīng)和數(shù)值模擬時板料劃分的結(jié)點(diǎn)對應(yīng)。前面零件上C-D截面和B-D截面也是節(jié)點(diǎn)的位置，但由于是零件的邊界，實(shí)際上無法測得準(zhǔn)確值，所以在實(shí)驗前在板料上還劃了便于三坐標(biāo)測量的軌跡線，靠近試件邊界劃線的位置分別離邊界是5個和3個單元格，見圖1中的EF和FG線。

圖11 第三次循環(huán)的工件與目標(biāo)工件在A-B和C-D截面的尺寸偏差

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