差厚拼焊板汽车覆盖件回弹的研究

    拼焊板的冲压成形过程是一个复杂的力学作用过程，是一个大位移、大转动、大变形的过程，所以在实际生产中常常反复进行成形试验，多次修改工艺参数或修改模具结构，避免出现拉裂、起皱和回弹等失效形式，进而提高成形质量。

    中通道是重要的汽车覆盖件，是典型的大尺寸U型件。回弹是U型件成形的主要缺陷，严重影响零件的尺寸精度，从而影响后续的装配。因此，对拼焊板回弹问题的研究具有重要意义，对以后类似U型件具有一定的指导意义。

    目前，对拼焊板的研究主要集中在焊缝偏移、破裂和起皱方面，对回弹的研究不是很多。本文以差厚拼焊板中通道为研究对象，然后利用数值模拟方法对冲压成形过程进行模拟，而后对切边冲孔后的结果进行回弹模拟，并通过修改工艺参数来优化成形质量，最后采用布置拉延筋、控制板厚比和调整压边力的大小来控制拼焊板的回弹。

1 有限元模型的建立

1.1 工艺性分析

    中通道是典型的大尺寸U型覆盖件，图1为该冲压件的三维零件图，选用拼焊板材料编号为日本牌号：SP781－390BQ/SP781－440BQ，外形尺寸为1596mm×515mm，最大拉延深度为366mm。从图中可以看出，该冲压件的外形尺寸大，拉延深度大，截面呈非对称U形，上顶面高度不一致，底面两侧形状复杂，截面高度变化大。

图1 中通道的三维零件图

1.2 拉延模模型的建立

    中通道零件要求上表面平滑，所以差厚侧朝向凸模和压边圈，即设置阶梯形凸模和压边圈来补偿厚度差。采用Dynaform软件进行冲压模拟，成形过程采用动态显示算法，回弹过程采用静态隐式算法。图2为该拼焊板拉延模模型，在焊缝建模时，薄板和厚板采用刚性连接，用线代表焊缝位置。

图2 拼焊板拉延模模型

1.3 有限元模型参数的设置

    该冲压件板料的薄板材料牌号为SP781－390BQ冷轧钢板，厚板材料牌号为SP781－440BQ冷轧钢板。拼焊板材料力学性能参数见表1，其他参数设置如下：冲压速度为2000mm·s－1，摩擦系数为0.125，其余参数按缺省设置。

表1 拼焊板的材料力学性能参数

1.4 初步模拟结果分析

    经过Dynaform模拟计算后，得到初步的成形极限图，如图3所示。从图中可以看出，成形结果较差，圆角过渡区已出现破裂，板料边缘存在拉伸不足，焊缝部位明显起皱，上顶面出现大面积拉伸不足。

图3 初步模拟结果

    由后处理成形极限图结果可知，由于焊缝偏移，使得拼焊板的冲压成形质量下降，尤其是在零件上顶面厚板向薄板过渡处，有明显的大范围、大幅度的起皱出现。这是由于厚板的硬化指数及厚向异性系数的数值比薄板侧数值大，在板料流动时的阻力也相对较大，板料变形相对充分；薄板侧板料显然没有充分拉延，尤其是薄板高低顶面过渡区和低顶面区，由于拉延阻力过小，流入凹模的板料过多，造成材料在这些区域积聚，形成板料增厚和起皱，因此，需要通过调整压边力、合理布置拉延筋及修改拉延筋参数等来控制板料的流动，来提高成形质量。图4为板料边界运动图。从图4可以看出，薄板的材料流动速度明显比厚侧快，由于流动速度不均匀，造成拼焊板成形质量下降。

图4 板料距离

2 回弹的研究

    板料回弹主要是在冲压结束后成形载荷被去除，零件的弹性变形开始恢复导致其外形尺寸发生改变。在实际生产中，必须采取有效的工艺措施对回弹进行控制，采用CAE数值模拟技术可提前预测和控制板料的回弹，进而指导实际冲压成形生产。

    中通道由于其表面结构复杂，成形后板料内部的应力分布极为不均匀，引起回弹的主要应力集中在零件侧壁上，如图5所示。

图5 后处理显示的回弹量

2.1 拉延筋对回弹的影响

    为了控制回弹量，可以在工件的工艺补充面上添加拉延筋。拉延筋的作用如下：(1)可适当增大压料面与凹模间隙，模具的表面精度可适当降低，减少模具抛光打磨时间，节约成本，提高效率；(2)对冲压变形不充分区域，布置拉延筋可有效提高板料塑性变形程度以及硬化程度，能有效减小变形不充分区域，提高制件刚度；(3)对一些因板料流动速度过快造成起皱缺陷的部位，增加拉延筋可有效减小、甚至消除制件的起皱或波纹缺陷；(4)可增加进料阻力，减小板料外形尺寸，提高材料利用率，并可有效降低对设备吨位的要求。

    根据拉延筋本身的断面形状，可分为矩形筋、半圆形筋、三角形筋和拉深槛。拉延筋形式如图6所示。其中，r1为凹筋圆角半径；r2为凸筋圆角半径；h为拉延筋高度；b为拉延筋宽度，这些参数对拉延筋阻力有重要影响。

图6 拉延筋形式

(a)矩形筋 (b)半圆形筋 (c)三角形筋 (d)拉深槛

图7 拉延筋的布置

    在保证拉延件质量及材料利用率的情况下，拉延筋的高度取1，2，3和4mm进行试验，参数凹筋圆角半径(2mm)、凸筋圆角半径(3mm)、拉延筋宽度(8mm)保持不变。图8为拉延筋高度变化时对应的拼焊板最大回弹量的影响曲线。从图中可以明显看出，随着拉延筋高度的增加，板料的最大回弹量逐渐减小。这是因为增加拉延筋的高度，可增大板料流动的阻力，同时经过拉延筋后，板料的残余应力得到释放，硬化能力得到提高，导致流入凹模内的板料减少，焊缝向厚板侧的移动量减少。可见，通过调整拉延筋的高度，可增大板料的进料阻力，控制拼焊板的回弹。

图8 拉延筋高度对回弹量的影响

2.2 压边力对回弹的影响

    控制回弹的根本原理是增加板料成形时的贴膜性，贴膜性越好，回弹越小。回弹量随压边力的变化曲线如图9所示。

    当压边力很小时，回弹量随着压边力的增加而逐渐增加直至达到最大值；之后，随着压边力的继续增大，回弹量逐渐减小；随着压边力的持续增加，回弹量又逐渐增加。这是因为：当压边力很小时，主要由弹性变形导致变形回弹；随着压边力的继续增加，压边力产生的轴力效应引起总的弹性变形大于塑性变形，应力释放产生的弯矩较大，造成相应的回弹也较大；当压边力增至400kN后，回弹没有明显变化，而且部分区域回弹量略有降低，这是因为在低顶面有部分区域未充分拉延，当增加压边力后，该处板料产生弹性变形，使压料面边缘回弹量降低。随着压边力的进一步增加，板料逐渐由弹性变形转化为塑性变形的量增大。这时压边力越大，造成塑性变形越大，使内外层应力分布不均匀，应力差增大，从而使回弹增大，由于压边力过大，局部区域有破裂危险。

图9 压边力对回弹的影响

2.3 板料厚度比对回弹的影响

    压边力设置为700kN，采用不同的板厚比组合，如表2所示。而后对板料进行拉延分析和回弹模拟，得到不同板厚组合条件下的最大回弹量曲线，所得曲线如图10所示。

图10 板厚比对回弹的影响

表2 拼焊板板厚的厚度组合

    从图10中可以明显看出，薄板侧的最大回弹量明显大于厚板侧，且随着薄板厚度的增加，薄板和厚板的最大回弹量均逐渐减小，但薄板相对于厚板减小的幅度更大。薄板厚度为0.7mm时，薄厚板的最大回弹量都急剧减小。这是由于差厚拼焊板在成形过程中，厚度方向的应力分布存在着不均匀性，且厚板侧的不均匀性小于薄板，导致薄板侧回弹量大于厚板，并伴随着厚板发生塑性变形变迟，随着薄板和厚板厚度趋于一致，薄板和厚板的应力也趋于接近直至最后应力相等。

3 实验验证

    利用Dynaform后处理的板料距离对拼焊板的回弹量进行测量，得到模拟最大回弹量和实际最大回弹量对比结果，见表3。从表中可以看出，模拟最大回弹量和实际最大回弹量基本一致，最大回弹量产生在零件侧壁部分，故符合实际要求。实际生产零件图如图11所示。从图中可以看出，该生产件的成形质量良好，与数值模拟结果吻合，对于以后类似零件的成形回弹具有一定的指导作用。

图11 实际生产零件

表3 模拟最大回弹量和实际最大回弹量对比(mm)

4 结论

    对拼焊板中通道的工艺性进行了分析，通过调整拉延筋深度、调节压边力和选择合适的板厚比，使回弹得到了有效的控制。通过对比实验，选择出最优的工艺参数方案，对冲压件重新进行了模拟和回弹分析，使回弹控制在可接受范围内，成形质量得到明显提高，消除了破裂，减小了起皱趋势。

    (1)通过合理设置拉延筋和选择拉延筋的高度，充分发挥薄板材料的塑性变形能力。在保证拉延件质量及材料利用率情况下，提高拉延筋的高度，可在一定程度上减小回弹。

    (2)通过调整压边力的大小，可改善板料成形时的贴膜性，但要避免压边力过大造成局部开裂。

    (3)随着板厚比的增加(即薄板厚度的增加)，薄板和厚板的回弹量均逐渐减小，当板厚比为0.5时，薄板和厚板的最大回弹量都急剧减小。