徐 涛 胡小伟 吴 磊 徐 将 郝洪艳
（南京工程学院材料工程学院，江苏 南京 210013）
【摘 要】回弹是影响高强钢板制件冲压成形精度的重要因素。本文以典型U形件为研究对象、板料三维成形分析软件Dynaform为平台，基于正交试验研究了凸模半径、凹模半径、模具间隙、压边力、摩擦系数等因素对回弹变形量的影响。探讨了各因素对回弹变形量影响的主次顺序及影响规律，并得出最优的方案组合。最后对分析结果进行了模拟验证，为实际应用提供了理论依据。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 回弹；高强钢板；U形件；正交试验
基金项目：南京工程学院大学生科技创新项目（N20140215）。
作者简介：徐涛（1993—），男，江苏人，学生，材料成型及控制工程专业。
郝洪艳（1976—），女，辽宁抚顺人，副教授，从事CAD/CAM、模具设计与制造等方面的教学与研究。
回弹在板料冲压成形过程中普遍存在,尤其在弯曲和拉深成形过程中更为显著。回弹的存在会大大降低制件的表面精度、影响后续的装配、增加试修模以及成形后校形的工作量，延长了制件开发周期，因此，对回弹的研究有着重要意义[1]。传统的解决回弹问题的方法通常是“试错法”，这种方法不仅耗费了大量的财力、时间和物力，而且只能针对简单形状和传统材料的覆盖件，过于依赖操作人员的经验和技能，导致模具开发周期长，严重制约着模具工业的发展[2]。随着有限元分析理论的完善和计算机技术的高速发展，板料冲压成形过程的CAE分析技术越来越成熟并在冲压工艺分析与模具设计中的指导作用日益增强。因此，为解决传统模式下弯曲回弹缺陷，本文采用Dynaform 模拟软件对高强钢板的U形弯曲成形与卸载回弹过程进行了有限元数值模拟，并通过正交试验研究其几何、工艺参数对回弹的影响。由模拟结果分析出各因素对回弹变形量影响的变化趋势，并进行仿真预测，用于指导生产。
1 U形件数值模拟分析
1.1 分析模型建立
U形件的弯曲基本模型如图1所示，材料为DP500，规格选取230mm×40mm×1mm。DP500钢板的主要性能指标见表1，其应力应变曲线见图3，成形所需压边力的大小如图4所示，最大值为54.3275kN。根据U形件弯曲时回弹的特点，采用如图2所示的特征角?准（工件底平面与侧壁间的夹角）来定量地评价回弹变形量。
1.2 模拟分析方法的确定
U形件弯曲回弹模拟分析包括成形模拟分析和回弹模拟分析两个过程，而模拟分析算法一般包括静力隐式和动力显示两种算法。
静力隐式算法需要构造和求解大型稀疏刚度矩阵，存储量大，计算时间长，求解速度慢，有时会存在不收敛的现象，但求解计算精度较高。动力显示算法则无需建立平衡迭代方程，即不需求解非线性方程组，亦不存在解的收敛性问题，效率高，适于求解各种复杂成形问题。但是对于求解准静态弯曲成形类问题，阻尼残差、惯性效应等动力显示算法固有的特点就转变为缺点，导致计算回弹时效率低，反而限制了回弹模拟精度的提高[3]。
综上所述，解决弯曲回弹分析时可采用动静联合算法求解回弹问题，采用动力显示算法求解成形过程，然后将其结果作为静力隐式算法的输入进行回弹计算。U形件网格模型、工具网格模型如图5、图6所示。
2 U形弯曲回弹模拟影响因素分析
2.1 正交试验设计
利用正交表安排试验确定如下试验指标和设计变量。
（１）试验指标
选定工件的回弹变形量为考察指标。
（２）设计变量
影响板料回弹的因素有很多[4]，本文选取影响U形件弯曲回弹变形量大小的主要因素为：凸模半径Rp、凹模半径Rd、模具间隙c、压边力F、摩擦系数μ。
（３）确定影响弯曲回弹指标的因子及水平
将凸模半径Rp、凹模半径Rd、模具间隙c、压边力F、摩擦系数μ五个因素简称为因子A、B、C、 D、E，并假设各因子之间不存在交互作用。在各因子的取值范围内，每个因子均匀地取4个水平，如表2所示。
根据因素及水平划分，采用五因素四水平的正交试验矩阵设计实验，采用正交表L16(45)，并且按照表3设置的参数作模拟试验同时取得考核指标影响变化规律，得到相应得正交表。
在表3中考察了五因素四水平对U形件弯曲回弹变形量的影响，其全部不同的试验条件共有45个，根据正交试验设计，现在安排16次试验，试验目的是为了找到几何、工艺参数对弯曲回弹变形量影响的主次顺序和变化规律。
2.2 正交试验结果
对表3中16组试验方案进行成形模拟及回弹分析，得出正交试验回弹极差分析表和方差分析表如表4、表5所示。最终所得各因素对U形件弯曲回弹变形量的影响效应曲线见图7。
2.3 实验结果分析
通常来说，“极差”代表着各因素不同水平下试验指标均值的最大值和最小值之差。由于各因素的水平改变会造成对试验指标的影响的不同，极差越大，说明该列因素的数值在试验范围内的变化，对试验指标的影响就越大，所以极差最大的列即为因素的水平对试验指标影响最大的因素，也就是最主要因素[5]。由此，由表4、表5分析得出：
（1）影响U形件成形回弹的因素主次顺序为A>B>C>D>E,也即凸模圆角>凹模圆角>模具间隙>压边力>摩擦系数。
（2）最优组合为A1B1C2D3E3，即：凸模圆角为2mm，凹模圆角为3mm，模具间隙为 1.3mm，压边力为50kN，摩擦系数为0.14。
（3）从极差数值大小及方差分析表可以得出凸模圆角、凹模圆角为影响回弹变形量大小的主要因素。
由图5分析可得
（１）回弹变形量受凸模圆角影响最大，随凸模圆角增大而增大。这是因为凸模圆角越大，在料厚一定的情况下，则相对弯曲半径越大，弯曲变形程度越小，板料中性层两侧的纯弹性变形区越大，总变形内弹性变形量比重也越大，因而回弹变形量越大。
（2）回弹变形量随着凹模圆角、模具间隙的增大而增大，但凹模圆角对回弹影响大于模具间隙。
（3）随着压边力的增大回弹变形量减小。当压边力增大到一定数值时，回弹将减小至接近零。因此，选择适当的压边力几乎可以消除回弹。
（4）摩擦系数对回弹的影响很小，可忽略。
3 模拟分析验证
为了验证上述分析结果的有效性，进行模拟分析验证。设置模拟分析最优组合参数为凸模圆角Rp=2mm，凹模圆角Rd=3mm，模具间隙c=1.3mm，压边力F=50kN，摩擦系数=0.14，分析得出θ=0.323°，显然，与实验数据对比，此回弹变形量为最小值，说明正交分析结果是正确的。
4 结束语
利用 Dynaform 软件对高强钢板U形件的回弹模拟进行了分析，基于正交试验分析了凸模圆角、凹模圆角、模具间隙、压边力及摩擦系数对回弹变形量影响的主次顺序及影响规律，得出了最优工艺参数组合，通过模拟验证了分析结果的有效性。
教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献
［１］李延平,李东波,卢秉恒．板料冲压成形回弹补偿修正方法及其验证[J]．汽车工程,2005,4(27):486-491.
［２］柯旭贵,张荣清.冲压工艺与模具设计[M]．北京:机械工业出版社,2012,9.
［３］朱阳春,吴向东,万敏,等．超高强钢板Ｖ形弯曲回弹影响因素有限元分析[J]．锻压技术,2012,5(37):31-34.
［４］彭广威,彭真.冷轧钢板U 形弯曲回弹模拟和实验研究[J].热加工工艺,2012,15(41):95-98.
［５］徐雅冬．U形件弯曲回弹预测及优化方法的研究[D]．天津理工大学,2008.
［６］何光春．基于数值模拟的类U形件回弹预测研究[D]．重庆大学,2006.
［责任编辑：汤静］