运用模拟技术在弹性回弹的方法

小月牙

适合于深冲压加工的金属材料是板材变形加工中最常用的材料。在遇到问题时，人们清楚的知道如何解决，而弹性回弹也是人们能够掌握的一个问题。但这些普通的钢材必须退出现代化的高强度板材应用领域。因为新型材料在变形加工中有着很大的困难，多年来人们掌握的关于弹性回弹的经验在新材料的变形加工中毫无用处。高强度和超高强度的钢材或者铝合金材料在轻结构设计中起着重要的作用。但是比普通深冲压钢材更大的弹性回弹使人们很难确定它的用途。变形加工模拟和材料性能的预测因此变的非常困难。在高强度钢材的变形加工中，随着相变的出现材料晶格结构也发生了变化。这种现象在大多数金属材料模型中还没有出现过。
计算弹性回弹
  _: ], a3 N0 Z6 K0 S1 K  m0 `传统板材裂纹和褶皱失效理论是根据人们对板材延伸变化观察得出的。当弹性回弹发挥“作用”时，传统的失效预测模型已经无能为力了。此时起到关键作用的是应力，也就是说要有很高的精度等级。

图1 利用弹性回弹模拟软件模拟的汽车C立柱

1 ]8 {- i/ X2 K- Q2 y  _在模具的设计制造过程中，弹性回弹是依靠设计软件来进行补偿的。其目的是尽可能的从模具中选出符合技术要求的工件（图1）。在计算机软件的帮助下可以大大的减少模具试验调试的次数。而通常情况下，变形加工模具的试验调试时间都非常紧迫，是模具生产过程中最后的阶段。在模具设计中，有许多不确定的因素，而每一套模具又都是一个复杂的综合机械部件，一个共同作用的整体。许多工作是同时平行进行的，出现的冲突和矛盾自然而然的影响着供货期和制造费用。

图2 深冲压工艺示意图：模具（蓝色），压板（红色），冲头（绿色）

图3 深冲压变形加工时的作用面：压板作用面（红色），凸模作用面（绿色），收缩流动面（黄色）和工件（蓝色）

开始时利用模拟技术对模具零部件进行模拟，以保证模具制造的可靠性。在这一过程中应首先检验弹性回弹问题，保证从几何尺寸到形状能完全补偿弹性回弹。然后才能开始考虑补偿的措施。为了能贯彻这些补偿措施，Autoform软件系统在模具内部定义了三个不同的区域（图2）。在第一个区域中，弹性回弹被完全补偿平衡。在这个区域内，每个作用面，也就是模具的每个使板材变形的表面，都与模拟的结果进行匹配，其形状相当于产品工件加上变形补偿的区域。不变化的是第二个区域，它的典型特点是模具压紧后保持不变。第三个区域是板件设计中凸起部分所在的区域，是上述两个区域之间的过渡区域，即冲压工件凸起、凹陷的区域。在Autoform软件中生成这三个区域之后，软件系统会自动的进行区域选择（图3）。工人可以随时进行手动操作，以便把自己的想法加入到三个区域之中。计算机软件会自动分析、确定最终产品进行弹性回弹补偿的位置和数值。补偿量的方向与弹性回弹的方向相反。完成补偿量调整的模具作为下一次模拟的基础。通常情况下，经过2~3次这样的补偿和模拟之后就可以得到符合图纸要求的零件了，工件中残剩的弹性回弹量已在公差允许的范围之内了。
公差范围内的参数模拟
经过上述弹性回弹的补偿模拟，得到的是变形加工参数不变时的一个模拟计算结果。但是在大批量生产过程中，许多变形加工的工作参数是变化的。典型的偏差和误差往往与材料的特性有关，例如板厚、强度或者板材轧制方向所引起的变形加工性能。其他的一些影响因素还包括：摩擦、板材的压紧力、板材的定位精度等，也都对弹性回弹有一定的影响。若要使模拟计算更加接近实际，从而提供更具说服力的模拟结论，则需要在规定的公差极限范围内使用大量变量参数进行弹性回弹的补偿模拟，也就是对实践的“模拟”。

图4 冲压模具内三个区域的定义，以便补偿工件的几何形状滤清器

- u; M8 e' w; T* iAutoform-Sigma弹性回弹补偿模拟软件能自动的提供弹性回弹发生范围内的统计评价结果，对变形加工的稳定性进行评价（图4）。根据这些统计评价结果确定影响弹性回弹的主要因素是偏差。从而可以在变形加工模具制造过程的早期对冲压生产能力做出预测。变形加工参数的匹配可以在生产过程参数赋值时进行，也可以在冲压工艺方案的制定中进行，甚至在修改零部件时进行。Autoform-sigma模拟分析系统提供的不是绝对准确的最终产品，相反，它提供的是大批量生产时的最佳配制。
/ g" W( ]1 w$ u% |/ p. G4 M现代化的变形加工材料，有缺陷的材料模型和高精度等级等，对板材变形加工领域中先进的模拟软件提出了很高的要求。同时，模拟软件研发企业也在这个环境中不断成长，研发出了满足实践应用要求的板材加工弹性回弹模拟软件，为生产实践提供了更好的解决方案。