板料成形回弹特征及其控制技术

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板料成形回弹特征及其控制技术 前言
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6 i; m% B% E; ^0 l1 C! x* O回弹是板材冲压成形过程的主要缺陷之一．严重影响着威形件的威形质量和尺寸精度，是实际工艺中很难有效克服的成形缺陷之一，它不仅降低了产品质量和生产效率．还制约了自动化装配生产线的实施，是我国汽车制造工业中亟待解决的关键性问题。
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从理论上说，板材冲压成形过程可以被看作是板材经过塑性变形变为想要获得的形状的过程。然而实际上．板料尺寸．材料特性和环境条件使冲压成形过程的预测性和可重复性变得困难。以韧性金属板材为主的冲压成形件从模具上取出后，必然产生一定量的回弹。回弹是板材冲压成形的3种主要缺陷(起皱．破裂和回弹)中最难控制的一种，因为它涉及到对回弹量的准确预示．不同的材料和尺寸的零件其回弹规律大不相同，单凭经验和工艺过程类比是很难进行准确的回弹补偿的．这就使得一个模具设计的周期变长．因此在板材冲压成形中回弹变形是使模具设计明显变复杂的一个基本参数。在大多数板材冲压成形中．强烈的非线性变形过程致使板料产生很大的弹性应变能．在模具与板料动态接触过程中存在于板料中的这种弹性应变能会随着接触压力的消除而自动释放掉，回弹的驱动力一般是朝着板料原始形状变形。因此，冲压成形中的最终产品形状不但依赖于凹模形状．而且依赖于成形后存储在板料中的弹性应变能。弹性应变能与许多诸如材料特性．接触载荷等参数有关，因此在成形过程中预测回弹变得很复杂．这也就给那些必须精确评估回弹量的设计者提出了很重要的问题。
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  k, e! o7 s3 S近40年来，有许多研究人员一直在对回弹行为进行着研究．并提出了很多解决方法和计算机仿真算法．发表了大量相关论文。就有限元仿真方法而言．在众多仿真算法模拟应用中，采用显式算法模拟成形过程．用隐式算法模拟回弹过程的方法最多；其次是冲压成形和卸载回弹过程都采用隐式算法。而G．Y-L．等学者提出一种新算法，冲压成形和回弹过程全部采用显式算法。U．Abdelsalam等学者还提出了采用一步成形算法模拟冲压成形过程，再用隐式算法计算卸载回弹过程．并应用该算法模拟了3个复杂冲压件的卸载回弹过程．这种算法的模拟精度虽然不高．但计算速度很快．可以为模具在设计阶段提供一个定性的参考方案。T-C．Hsu等学者采用隐式TL(Total Lagrangian)算法，引入Hill--次方屈服函数模拟了轴对称问题的冲压成形和回弹过程。M．Kawka等学者采用静态显式有限元(实际上也是隐式算法)算法软件ITAS3D模拟了轿车顶盖和轮毂的多阶段成形过程，以及卸载回弹和切边回弹过程．并与试验结果进行了比较。

以上这些对于回弹的研究只限于理论方面．其与实际试验的对比验证还鲜有涉及。对于如何补偿所产生的回弹及所谓的回弹控制在试验方面的验证尤其对于新型的高强度材料研究甚少。本文将从这方面着手进行回弹控制的研究。事实上．克服回弹缺陷的方法有很多。一是要在工艺条件允许的前提下，设法将回弹控制在尽可能小的范围内；二是如果实在回弹量很大且难以控制(如轻量化的高强钢板成形回弹问题)．就必须借助于计算机仿真和试验相结合的办法，通过回弹补偿技术重新构造加工型面，以确保加工精度。此外，温控成形技术也是有效抑制甚至消除回弹的有效方法之一。本文主要介绍减小回弹的控制技术。

2回弹控制技术
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为了避免回弹补偿带来的冲压模面设计的困难，对于许多成形问题，首先希望利用回弹的控制技术来尽可能地消除回弹。在本文中，首先分门别类地介绍回弹特性和控制方法。

所有由弯曲产生变形的金属板材成形过程的表征是，由弹塑性材料特性引起的板材厚度方向不均匀的位移分布而导致回弹现象的产生。当某一冲压件成形完毕．即在成形步骤的结尾．板材体积内存在着残余应力．这些残余应力与工具的接触力相平衡。当工具被释放．就是把成形件从模具上卸下时．板材将寻找新的平衡位置．局部残余应力被释放，导致成形件的最终尺寸与预期值存在一定的偏差，即回弹现象的产生。也就是说．回弹主要是由于弯曲部位外侧(拉伸)和内侧(收缩)的应力差而引起的。因此。为了减少弯曲变形的回弹。可以考虑给弯曲部位施加外力以消除应力差。但是．因产品形状和模具结构等而采取的方法有所不同。图1a给出板材拉伸卸载的应力应变曲线．图1b给出板材弯曲后的卸载回弹特征。

为了减小弯曲变形产生的回弹，应该在工艺条件允许的前提下，尽可能选择屈服应力小的材料。高强度钢板的屈服应力明显高于普通金属板材，这类材料的回弹量往往很大。成形板材的厚度对弯曲回弹影响也很大，通常，板越厚，回弹量越小。此外，工具角部的弯曲半径对回弹影响也不可忽视，弯曲半径越小，成形卸载后的回弹量越小。因此。，在板材可成形性允许条件下，应尽可能减小模角半径。
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下面针对不同的回弹机制，介绍几种抑制回弹的具体方法和策略。

2．1局部压缩减小回弹方法

. k- ^' f  h) S" y如图2，利用压缩工艺在弯曲部位压缩板料外侧(将板料在该部位压缩到大约使厚度减小5％-30％)，且不让弯曲内侧变化。这种"局部压缩"的工艺策略是利用了弯曲部位压缩板料外侧减薄导致板料局部强度降低的有利因素。

a部分(外侧弯曲尺)不可与弯曲内侧的弯曲尺同心，由于外侧与内侧的弯曲半径不同心且有所稍稍偏移，有利于外侧部分压缩板料减薄。如果偏移过大，会发生不该产生的变形(如图2c)。

2.2一道工序分2段弯曲方法

1 T; H, @% ]/ i$ A" Y4 l如图3，将一次拉延弯曲成形分成2段弯曲成形．以此消除回弹。第一段弯曲采用大间隙(板厚1．15-1．3倍)加工。由于间隙大．板料倾斜，模具的弯曲半径也大．使板料大致弯曲。第二阶段的弯曲是将第一段弯曲的大弯曲半径尺整形到小弯曲半径厂。第一阶段变形的间隙要从最初的小间隙开始调整，根据控制回弹的效果而逐步放大。
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预测在第二阶段弯曲变形时．由于采用小间隙容易产生。拉毛现象"(模具磨损而导致制件拉毛)．为了消除"制件拉毛"，模具的凹模有时需要采用表面硬化处理。

2．3 内侧圆角尺硬化方法
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如图4，从弯曲部位的内侧进行压缩，以消除回弹。在板材U形弯曲时，由于有两侧对称弯曲，采用这种方法效果比较好。L形弯曲时一般面部分的材料压料力变弱．有时会产生尺寸变差。从形状判断，弯曲部位压力弱。对于既要保证强度又要具有弹性的成形件产品不适用。

- i0 r6 q0 j3 g另外，还可以变化S（圆角尺处的厚度变化量)的尺寸来调整回弹量。往往由于压缩圆角尺使得翼面长度而稍微变化．对于翼面高度容差小的产品．有时需要展开长度的补偿。

图4 内侧圆角R硬化方法

2．4 硬化加工法

, W5 z, W1 r1 W5 J8 S如图5．使弯曲工具的侧壁翘曲．在钢板上留下硬化筋(TYPEA-C)的痕迹。

硬化筋要用在非变薄面上，注意打痕。由于硬化筋会划伤产品，因此要根据产品注意选择。这种回弹抑制方法对于越厚的板材效果越好。

2．5变整体拉延成形为部分弯曲成形的回弹控制方法
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# H1 q6 F: l. J) A- ?4 v5 G7 P如图6．把整体拉延成形(设整体拉延深度为90 mm)的A部(设为60 mm)采用弯曲成形，消除板外侧和内侧的应力差，剩余30 mm凹模的B部．再通过拉延成形以减少回弹。这种方法对于二维形状简单的产品有效．对于三维形状的复杂产品有时会产生不合格的效果，要注意选择产品。

2．6消除残余应力方法
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如图7，拉延成形时在工具的表面增加局部的凸包形状《圆形凸包)．在后道工序时再消除增加的形状，使材料内的残留应力平衡发生变化，以消除除回弹。

2．7加强筋冻结形状方法
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如图8，不改变原产品功能的前提下．改变产品形状，增加加强筋．可以控制和改善回弹。

2．8 负回弹方法

9 h2 x$ T" N% w- e: E  y1 K. f5 u如图9．在加工工具表面时．设法使板料产生负向回弹。上模返回后，制件回弹，通过负回弹和回弹而达到要求的产品形状。

2．9淬火，回火抑制回弹方法

如图10．对板料的弯曲部位进行局部的淬火和回火处理，降低屈服点，进而达到消除回弹之目的。
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1 ]4 u9 f; B  |" U: J6 ?: I; I: a. i- s2．10 冻结形状技术

如图11a，板料弯曲变形没有达到正确的曲率，外侧产生拉应力变平回弹．在边缘里面部位产生皱纹，这是由于弧长a和弧长6(如图11b)之la--J的长度差而造成的。如图11b，由于弧长6比弧长a更短，进而产生堆料(边缘部)产生皱纹；弧长a产生拉应力而变平。为了消除这种现象．可以考虑设法消除弧长a和弧长b的长度差．如图11c．追加使弧长一致的形状筋是比较有效的。
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" O( ?, h; H; L) {+ d2．11焊接工序配合消除回弹技术

如图12，利用焊接工序消除回弹影响，首先要求焊接工序指定出点焊顺序，目的是保证有回弹或者回弹量大的部位先焊。此外，在焊接工序中要追加强制夹紧及克服回弹的强制加强板。
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上述回弹控制的成形加工方法基本上能够处理相对简单覆盖件回弹模面设计问题。但是对于复杂成形覆盖件，特别是新型轻量化板材如高强钢板，屈服极限远远高于普通金属板材。由于回弹与翘曲量很大，常规的回弹制技术往往难于消除回弹以及回弹带来的制造误差。基于回弹仿真和试验相结合的回弹加工型面的补偿技术将是未来从根本上解决回弹控制和加工精度问题的重要途径。