《Auto Form原理技巧與戰(zhàn)例實(shí)用手冊》
—— 基于Auto For m的回彈補(bǔ)償設(shè)置流程

文/ 宋桂軍，郭海廷，涂小文·上海大眾汽車有限公司李杰·上海翼銳汽車科技有限公司

《Auto Form原理技巧與戰(zhàn)例實(shí)用手冊》
—— 基于Auto For m的回彈補(bǔ)償設(shè)置流程

文/ 宋桂軍，郭海廷，涂小文·上海大眾汽車有限公司李杰·上海翼銳汽車科技有限公司

展望21世紀(jì)，隨著汽車、航空航天工業(yè)的迅速興起，大型制造企業(yè)市場競爭日趨激烈，對沖壓件的快速設(shè)計(jì)和制造也提出了更高的要求。僅僅依靠工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來制造沖壓產(chǎn)品的方式顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)需求了。如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的產(chǎn)品開發(fā)是贏得這場競爭的關(guān)鍵。沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)是解決這一問題的主要手段，它將定性的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量的模擬，基于沖壓成形理論，把廣泛應(yīng)用的訣竅和經(jīng)驗(yàn)融入到CAE數(shù)字化仿真中，方便地求解工藝及模具設(shè)計(jì)涉及的復(fù)雜板料成形問題，準(zhǔn)確地預(yù)測沖壓成形結(jié)果，很多制造企業(yè)已經(jīng)將同步工程作為產(chǎn)品開發(fā)制造的重要環(huán)節(jié)。

目前世界各大汽車公司對板料沖壓成形模擬的投入都相當(dāng)重視，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家在主要汽車覆蓋件開發(fā)過程中全部都要經(jīng)過仿真分析。在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)、一汽集團(tuán)、上海大眾、上海寶鋼和上海交大汽車工程研究所等單位，開展了汽車覆蓋件沖壓成形動(dòng)態(tài)仿真的工業(yè)應(yīng)用探索，先后完成了紅旗轎車、Santana系列轎車等若干覆蓋件的沖壓仿真分析與試驗(yàn)分析，開展了汽車板成形性能等方面的研究。二汽、長安汽車公司都采用了計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、優(yōu)化沖壓工藝、零件沖壓成形性能等方面的研究工作。

常用板料成形模擬軟件有：Auto Form、Dyna Form、Dyna-3D、Marc、Pam-Stamp、Ansys、Abauqs、Robust、Mar等。其中，Auto Form軟件以計(jì)算速度快，容易操作等優(yōu)點(diǎn)在汽車行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)大型汽車企業(yè)也相續(xù)引進(jìn)Auto Form軟件來優(yōu)化工藝方案或者進(jìn)行復(fù)雜的模面設(shè)計(jì)。然而，軟件的合理性固然重要，但是能正確合理地使用這個(gè)工具更為重要，用戶必須熟悉軟件的功能原理才能使軟件效果達(dá)到最優(yōu)。以Auto Form軟件為平臺(tái)的應(yīng)用手冊不勝枚舉，但目前為止，完整地從基礎(chǔ)到高級(jí)應(yīng)用的書籍還非常少。絕大部分書籍都是側(cè)重于軟件的基礎(chǔ)介紹或某些功能模塊的論述操作，并未注重與沖壓工藝本身的結(jié)合，僅能作為軟件操作說明書使用。對汽車企業(yè)專業(yè)模具設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)人員來說，這類著作不免有些欠缺專業(yè)理論的指導(dǎo)和可借鑒的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

因此，對專門從事沖壓相關(guān)的工程人員來說急需專業(yè)的CAE分析指導(dǎo)書籍，《Auto Form原理技巧與戰(zhàn)例實(shí)用手冊》由一組長期從事汽車車身覆蓋件的CAE分析的專業(yè)人員編寫。由淺入深的介紹了Auto Form軟件的基本操作及沖壓成形模擬最新的方法原理。更重要的是，該書作者長期工作在汽車覆蓋件制造第一線，具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對沖壓成形中的各個(gè)難點(diǎn)問題有獨(dú)特的解決方法與經(jīng)驗(yàn)。本書的閱讀對象可以是從事沖壓加工，模具設(shè)計(jì)的專業(yè)人員以及準(zhǔn)備進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的初級(jí)學(xué)員，還可以作為高校研究板料沖壓原理和工藝可制造型分析的老師和學(xué)生的指導(dǎo)書。

本書系統(tǒng)的闡述Auto Form在沖壓成形、液壓成形、熱成形等多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范例，涵蓋了從沖壓件開發(fā)、成本計(jì)算、工藝開發(fā)、模具制造到零件生產(chǎn)的整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)流程中各個(gè)重要專題；創(chuàng)造性地提出了基于Auto Form的板材加工件工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化、料片展開及排樣、回彈分析及型面補(bǔ)償計(jì)算、零件穩(wěn)健性分析與優(yōu)化以及模具表面防護(hù)等諸多方面的實(shí)際應(yīng)用方法、原理和技巧；涉及沖壓成形中多個(gè)難點(diǎn)問題解決，如切邊線精確展開、科學(xué)的模具成本計(jì)算和可靠的模具型面回彈補(bǔ)償?shù)?。這些成果反映了當(dāng)前沖壓成形數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用的最新研究進(jìn)展。

本文對沖壓成形中最普遍的讀者最關(guān)心的難點(diǎn)問題——回彈分析與補(bǔ)償計(jì)算進(jìn)行闡述，該模塊概述了回彈補(bǔ)償基本原則和補(bǔ)償策略、詳細(xì)介紹了基于Auto Form的回彈補(bǔ)償設(shè)置流程。

回彈分析及補(bǔ)償應(yīng)用背景

回彈現(xiàn)象是汽車白車身沖壓成形不可避免的問題。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對沖壓件的精度要求越來越高，特別是高強(qiáng)度鋼、鋁合金板材的大量使用，回彈問題顯得更加突出，成為汽車工業(yè)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。通過對沖壓成形數(shù)值模擬，可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)并提出問題、了解回彈分布、獲得回彈補(bǔ)償，對減小回彈具有重要指導(dǎo)意義。本文結(jié)合Auto Form軟件介紹了回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的流程、規(guī)律以及經(jīng)驗(yàn)。

成功回彈計(jì)算與補(bǔ)償?shù)?個(gè)原則

一個(gè)成功的回彈補(bǔ)償很大程度上依賴于前期準(zhǔn)備，要取得一個(gè)較小的回彈偏差值，需要輸入精確的數(shù)據(jù)模型和工藝過程條件。結(jié)合Auto Form軟件特點(diǎn)和實(shí)際的工程應(yīng)用，總結(jié)出成功回彈計(jì)算與補(bǔ)償?shù)?個(gè)基本原則，以獲得正確的回彈模擬結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)。5個(gè)基本原則包括：

⑴要保證合理的模具工藝規(guī)劃和正確合理的模擬結(jié)果。

⑵按照校核模擬設(shè)置（Final對應(yīng)validation）要求設(shè)定參數(shù)。

⑶合理的回彈評(píng)估。

⑷保持工序過程的穩(wěn)健性。

⑸按照補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償。

回彈補(bǔ)償策略

根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，共總結(jié)出了3個(gè)回彈補(bǔ)償策略，即補(bǔ)償所有模具、僅補(bǔ)償拉延模具和對各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償。3個(gè)補(bǔ)償策略均按照圖1的全工序模擬過程進(jìn)行介紹，OP20～OP50全工序模擬的模具模型按照零件模型（圖1中綠色形狀）進(jìn)行制作。

圖1 全工序模擬過程

圖2 零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況

圖3 OP20拉延模放大

⑴補(bǔ)償策略一：補(bǔ)償所有模具?；貜椦a(bǔ)償基于最后的工序，基于OP50的回彈結(jié)果對所有的模具進(jìn)行同樣的補(bǔ)償。該補(bǔ)償策略是大多數(shù)零件模具的補(bǔ)償方式，到最后一序工作結(jié)束后，零件回彈到零件的形狀。

⑵補(bǔ)償策略二：僅補(bǔ)償拉延模具?；貜椦a(bǔ)償基于最后的工序，即用OP50的回彈結(jié)果僅對OP20拉延的模具進(jìn)行補(bǔ)償，其他工序均不補(bǔ)償。該補(bǔ)償策略是在OP20拉延回彈后和OP50整形回彈后相比較回彈量相接近，這樣按照OP50之后的回彈補(bǔ)償OP20的模具，OP20拉延完成經(jīng)回彈就達(dá)到產(chǎn)品的形狀。

⑶補(bǔ)償策略三：對各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償。對各個(gè)模具進(jìn)行不同的補(bǔ)償是根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行量身定做（Tailor-made）的補(bǔ)償策略，即用基于OP50的回彈結(jié)果并考慮定位附加變形對OP20拉延的模具進(jìn)行補(bǔ)償，但其他工序按照后工序外形定位補(bǔ)償原則。

1)拉延?？s放。當(dāng)零件完成OP20拉延向后續(xù)定位時(shí)，如果按照實(shí)際考慮零件的傳送、重力和變形時(shí)，零件會(huì)和后續(xù)下模發(fā)生干涉，當(dāng)壓料板和下模閉合時(shí)零件就會(huì)產(chǎn)生附加變形，會(huì)影響回彈分析結(jié)果。圖2顯示的是零件在不同定位狀態(tài)下的干涉與回彈情況。零件如果在傳送和重力的作用下發(fā)生變形，這樣使零件在定位時(shí)產(chǎn)生影響，零件會(huì)產(chǎn)生附加變形，回彈量也加大。在這種情況下，就必須考慮減小或消除這種回彈的相關(guān)措施，采用的措施是將OP20的拉延模型放大。如圖3所示，零件和OP30的下模干涉消除，零件的回彈顯著減小。

圖4 進(jìn)行準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D

2)后工序外形定位補(bǔ)償。后工序外形定位補(bǔ)償是指在OP20拉延工序完成后發(fā)生回彈，如果后工序（大多數(shù)情況是指切邊工序）的型面還是按照零件模型設(shè)計(jì)，這樣零件就會(huì)和后工序的模具形狀不符合，如果OP20拉延工序發(fā)生嚴(yán)重的回彈，零件放置在后續(xù)工序上經(jīng)過壓料板閉合后會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的附加變形。這樣就需要對后工序的模具型面按照OP20回彈的型面進(jìn)行補(bǔ)償，即正補(bǔ)償。因此，后工序外形定位補(bǔ)償?shù)哪康氖潜苊饬慵诤蠊ば驂毫习彘]合時(shí)產(chǎn)生附加變形，主要應(yīng)用在拉延后產(chǎn)生回彈較大的情況。

后工序外形定位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法：首先，拉延模擬后計(jì)算回彈結(jié)果；其次，后工序應(yīng)用Auto Form的回彈補(bǔ)償模塊以拉延模做參考模具進(jìn)行補(bǔ)償因子為-1的補(bǔ)償。

獲得準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牟襟E

進(jìn)行準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)牧鞒虉D，如圖4所示，包括9大步或15小步。本文分精確的回彈模擬和有效的回彈補(bǔ)償兩個(gè)方面分別進(jìn)行介紹。

精確回彈模擬

精確回彈模擬包括第一步至第五步，即：

⑴第一步，獲取正確合理的成形模擬結(jié)果。滿足原則一的要求，使用Auto Form進(jìn)行一個(gè)成形工序的開發(fā)與優(yōu)化。進(jìn)行工序構(gòu)思和拉延模型制作，并考慮優(yōu)化所有工藝參數(shù)和測量檢具的夾持條件。在進(jìn)行回彈之前，零件必須能滿足最終質(zhì)量要求，即無開裂、無起皺、最終合格的料片形狀，所有工序條件（拉延筋位置/切邊操作/斜楔操作）能夠在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)。模擬步驟：

1)模型/工具定義。檢查模具網(wǎng)格在90°的R角上保證至少有8個(gè)單元。

2)料片定義。設(shè)置料片形狀、材料數(shù)據(jù)和軋制方向，并檢查材料性能參數(shù)等。

3)工序過程定義。設(shè)置拉延筋和工序過程，檢查切邊線、沖孔和方向的設(shè)置是否合理，壓邊力是否合理，切邊/沖孔順序是否合理(考慮應(yīng)力釋放順序) ，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干涉檢查(kinematical check)和模具穿透檢查（檢查模具間隙），檢查行程設(shè)置是否合理。

4)模擬結(jié)果評(píng)估。模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)包括成形性（Form ability）開裂分析、厚度分布、起皺檢查(目測)、棱線滑移線和凹模入口R角沖擊線、壓邊圈閉合情況、材料流入量(Draw-in)、壓邊圈壓力分布及模擬收斂性檢查(拉延、成形與翻邊工序應(yīng)小于40個(gè)迭代步)等。

⑵第二步，回彈模擬。按照原則二進(jìn)行回彈模擬的控制參數(shù)設(shè)置，需檢查回彈計(jì)算的收斂行為（Convergence behavior）。一般不用自由約束回彈，應(yīng)采用約束條件下進(jìn)行回彈計(jì)算，約束應(yīng)盡可能的少并與實(shí)際情況相一致。定義參考模型和夾持方案，注意夾持面的選?。ㄉ媳砻?中層面/下表面），夾持點(diǎn)采用映射原始點(diǎn)) 。

⑶第三步，回彈評(píng)估。對夾持方案進(jìn)行分析評(píng)估確認(rèn)是否合理，查夾頭和導(dǎo)向銷的夾持力和作用力（應(yīng)小于30N），以確認(rèn)是否存在附加變形和位置偏移。確認(rèn)參考面的位置是否正確，回彈結(jié)果距離正確的判斷和分析（節(jié)點(diǎn)到參考面的法向）。

⑷第四步，過程穩(wěn)健性分析。定義工序環(huán)境(輸入變量) →根據(jù)不同的輸入變量的變動(dòng)計(jì)算出多個(gè)模擬結(jié)果→評(píng)估分析工序過程的影響和敏感性。注意，工序穩(wěn)健性主要考慮成形性和回彈是否穩(wěn)定。

⑸第五步，工序與過程優(yōu)化。如果全工序模擬過程中，零件的成形性存在開裂、起皺等問題，或者回彈不穩(wěn)定，這就需要進(jìn)行工序優(yōu)化或過程參數(shù)優(yōu)化，如修改工序參數(shù)的設(shè)置、模具造型或零件造型等。

有效的回彈補(bǔ)償

有效的回彈補(bǔ)償包括第六步至第九步。

⑴第六步，確定補(bǔ)償策略。討論分析各工序的回彈特點(diǎn)，按照原則五和回彈補(bǔ)償策略對各個(gè)工序模具進(jìn)行補(bǔ)償。

⑵第七步，補(bǔ)償模具型面。按照確定的模具補(bǔ)償策略和拉延模具的補(bǔ)償原則進(jìn)行指定的曲面迭代回彈與補(bǔ)償計(jì)算，當(dāng)回彈結(jié)果達(dá)到預(yù)定的誤差精度要求時(shí)結(jié)束迭代計(jì)算。在Auto Form中，回彈計(jì)算結(jié)束經(jīng)過第一次補(bǔ)償在計(jì)算回彈后，可以通過Activator進(jìn)入下一次迭代補(bǔ)償，注意補(bǔ)償曲面的拔模負(fù)角。

⑶第八步，輸出補(bǔ)償結(jié)果。輸出補(bǔ)償?shù)木W(wǎng)格，然后將網(wǎng)格輸入CAD軟件系統(tǒng)進(jìn)行曲面重構(gòu)，盡可能保證重構(gòu)的曲面與補(bǔ)償網(wǎng)格一致。

⑷第九步，再次計(jì)算確認(rèn)模擬結(jié)果。在進(jìn)行加工之前，對基于補(bǔ)償?shù)闹貥?gòu)CAD模型再次進(jìn)行模擬計(jì)算驗(yàn)證。驗(yàn)證合格后，提交給模具設(shè)計(jì)和NC編程進(jìn)行模具的制造。到試模時(shí)，進(jìn)一步的跟蹤和驗(yàn)證，檢查試模條件和模擬條件的一致性，必要時(shí)再做調(diào)整。然后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，更新模具補(bǔ)償策略，為后續(xù)的模具回彈補(bǔ)償提供經(jīng)驗(yàn)支持。至此整個(gè)回彈補(bǔ)償?shù)墓ぷ鹘Y(jié)束。

結(jié)束語

本文基于Auto Form的回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的操作，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了回彈分析及補(bǔ)償計(jì)算的5個(gè)原則，這是獲得可信回彈及補(bǔ)償結(jié)果的基本條件。在此基礎(chǔ)上本文介紹了回彈補(bǔ)償?shù)牟呗院瞳@得準(zhǔn)確回彈補(bǔ)償?shù)木唧w步驟，對實(shí)際模具制造和零件生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。