基于正交試驗(yàn)的高強(qiáng)鋼板U形件回彈分析研究

徐濤 胡小偉 吳磊 徐將 郝洪艷

（南京工程學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 南京 210013）

回彈在板料沖壓成形過程中普遍存在,尤其在彎曲和拉深成形過程中更為顯著?；貜椀拇嬖跁?huì)大大降低制件的表面精度、影響后續(xù)的裝配、增加試修模以及成形后校形的工作量，延長(zhǎng)了制件開發(fā)周期，因此，對(duì)回彈的研究有著重要意義[1]。傳統(tǒng)的解決回彈問題的方法通常是“試錯(cuò)法”，這種方法不僅耗費(fèi)了大量的財(cái)力、時(shí)間和物力，而且只能針對(duì)簡(jiǎn)單形狀和傳統(tǒng)材料的覆蓋件，過于依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技能，導(dǎo)致模具開發(fā)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著模具工業(yè)的發(fā)展[2]。隨著有限元分析理論的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，板料沖壓成形過程的CAE分析技術(shù)越來越成熟并在沖壓工藝分析與模具設(shè)計(jì)中的指導(dǎo)作用日益增強(qiáng)。因此，為解決傳統(tǒng)模式下彎曲回彈缺陷，本文采用Dynaform模擬軟件對(duì)高強(qiáng)鋼板的U形彎曲成形與卸載回彈過程進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬，并通過正交試驗(yàn)研究其幾何、工藝參數(shù)對(duì)回彈的影響。由模擬結(jié)果分析出各因素對(duì)回彈變形量影響的變化趨勢(shì)，并進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 U形件數(shù)值模擬分析

1.1 分析模型建立

U形件的彎曲基本模型如圖1所示，材料為DP500，規(guī)格選取230mm×40mm×1mm。DP500鋼板的主要性能指標(biāo)見表1，其應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3，成形所需壓邊力的大小如圖4所示，最大值為54.3275kN。根據(jù)U形件彎曲時(shí)回彈的特點(diǎn)，采用如圖2所示的特征角φ（工件底平面與側(cè)壁間的夾角）來定量地評(píng)價(jià)回彈變形量。

表1 DP500鋼板的主要性能指標(biāo)

1.2 模擬分析方法的確定

U形件彎曲回彈模擬分析包括成形模擬分析和回彈模擬分析兩個(gè)過程，而模擬分析算法一般包括靜力隱式和動(dòng)力顯示兩種算法。

靜力隱式算法需要構(gòu)造和求解大型稀疏剛度矩陣，存儲(chǔ)量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，求解速度慢，有時(shí)會(huì)存在不收斂的現(xiàn)象，但求解計(jì)算精度較高。動(dòng)力顯示算法則無需建立平衡迭代方程，即不需求解非線性方程組，亦不存在解的收斂性問題，效率高，適于求解各種復(fù)雜成形問題。但是對(duì)于求解準(zhǔn)靜態(tài)彎曲成形類問題，阻尼殘差、慣性效應(yīng)等動(dòng)力顯示算法固有的特點(diǎn)就轉(zhuǎn)變?yōu)槿秉c(diǎn)，導(dǎo)致計(jì)算回彈時(shí)效率低，反而限制了回彈模擬精度的提高[3]。

綜上所述，解決彎曲回彈分析時(shí)可采用動(dòng)靜聯(lián)合算法求解回彈問題，采用動(dòng)力顯示算法求解成形過程，然后將其結(jié)果作為靜力隱式算法的輸入進(jìn)行回彈計(jì)算。U形件網(wǎng)格模型、工具網(wǎng)格模型如圖5、圖6所示。

2 U形彎曲回彈模擬影響因素分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用正交表安排試驗(yàn)確定如下試驗(yàn)指標(biāo)和設(shè)計(jì)變量。

（1）試驗(yàn)指標(biāo)

選定工件的回彈變形量為考察指標(biāo)。

（2）設(shè)計(jì)變量

影響板料回彈的因素有很多[4]，本文選取影響U形件彎曲回彈變形量大小的主要因素為：凸模半徑Rp、凹模半徑Rd、模具間隙c、壓邊力F、摩擦系數(shù)μ。

（3）確定影響彎曲回彈指標(biāo)的因子及水平

將凸模半徑Rp、凹模半徑Rd、模具間隙c、壓邊力F、摩擦系數(shù)μ五個(gè)因素簡(jiǎn)稱為因子A、B、C、D、E，并假設(shè)各因子之間不存在交互作用。在各因子的取值范圍內(nèi)，每個(gè)因子均勻地取4個(gè)水平，如表2所示。

表2 影響彎曲回彈的因子及水平

根據(jù)因素及水平劃分，采用五因素四水平的正交試驗(yàn)矩陣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采用正交表L16(45)，并且按照表3設(shè)置的參數(shù)作模擬試驗(yàn)同時(shí)取得考核指標(biāo)影響變化規(guī)律，得到相應(yīng)得正交表。

在表3中考察了五因素四水平對(duì)U形件彎曲回彈變形量的影響，其全部不同的試驗(yàn)條件共有45個(gè)，根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，現(xiàn)在安排16次試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱苏业綆缀?、工藝參?shù)對(duì)彎曲回彈變形量影響的主次順序和變化規(guī)律。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表3中16組試驗(yàn)方案進(jìn)行成形模擬及回彈分析，得出正交試驗(yàn)回彈極差分析表和方差分析表如表4、表5所示。最終所得各因素對(duì)U形件彎曲回彈變形量的影響效應(yīng)曲線見圖7。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通常來說，“極差”代表著各因素不同水平下試驗(yàn)指標(biāo)均值的最大值和最小值之差。由于各因素的水平改變會(huì)造成對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響的不同，極差越大，說明該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響就越大，所以極差最大的列即為因素的水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最大的因素，也就是最主要因素[5]。由此，由表4、表5分析得出：

（1）影響U形件成形回彈的因素主次順序?yàn)锳＞B＞C＞D＞E,也即凸模圓角＞凹模圓角＞模具間隙＞壓邊力＞摩擦系數(shù)。

（2）最優(yōu)組合為A1B1C2D3E3，即：凸模圓角為2mm，凹模圓角為3mm，模具間隙為 1.3mm，壓邊力為 50kN，摩擦系數(shù)為 0.14。

（3）從極差數(shù)值大小及方差分析表可以得出凸模圓角、凹模圓角為影響回彈變形量大小的主要因素。

由圖5分析可得

表3 L16(45)實(shí)驗(yàn)表及彎曲回彈變形量大小

表4 極差分析表

表5 方差分析表

（1）回彈變形量受凸模圓角影響最大，隨凸模圓角增大而增大。這是因?yàn)橥鼓A角越大，在料厚一定的情況下，則相對(duì)彎曲半徑越大，彎曲變形程度越小，板料中性層兩側(cè)的純彈性變形區(qū)越大，總變形內(nèi)彈性變形量比重也越大，因而回彈變形量越大。

（2）回彈變形量隨著凹模圓角、模具間隙的增大而增大，但凹模圓角對(duì)回彈影響大于模具間隙。

（3）隨著壓邊力的增大回彈變形量減小。當(dāng)壓邊力增大到一定數(shù)值時(shí)，回彈將減小至接近零。因此，選擇適當(dāng)?shù)膲哼吜缀蹩梢韵貜棥?/p>

（4）摩擦系數(shù)對(duì)回彈的影響很小，可忽略。

3 模擬分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述分析結(jié)果的有效性，進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證。設(shè)置模擬分析最優(yōu)組合參數(shù)為凸模圓角Rp=2mm，凹模圓角Rd=3mm，模具間隙c=1.3mm，壓邊力 F=50kN，摩擦系數(shù)=0.14，分析得出 θ=0.323°，顯然，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，此回彈變形量為最小值，說明正交分析結(jié)果是正確的。

4 結(jié)束語

利用Dynaform軟件對(duì)高強(qiáng)鋼板U形件的回彈模擬進(jìn)行了分析，基于正交試驗(yàn)分析了凸模圓角、凹模圓角、模具間隙、壓邊力及摩擦系數(shù)對(duì)回彈變形量影響的主次順序及影響規(guī)律，得出了最優(yōu)工藝參數(shù)組合，通過模擬驗(yàn)證了分析結(jié)果的有效性。

［1］李延平,李東波,盧秉恒.板料沖壓成形回彈補(bǔ)償修正方法及其驗(yàn)證[J].汽車工程,2005,4(27):486-491.

［2］柯旭貴,張榮清.沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012,9.

［3］朱陽春,吳向東,萬敏,等.超高強(qiáng)鋼板V形彎曲回彈影響因素有限元分析[J].鍛壓技術(shù),2012,5(37):31-34.

［4］彭廣威,彭真.冷軋鋼板U形彎曲回彈模擬和實(shí)驗(yàn)研究[J].熱加工工藝,2012,15(41):95-98.

［5］徐雅冬.U形件彎曲回彈預(yù)測(cè)及優(yōu)化方法的研究[D].天津理工大學(xué),2008.

［6］何光春.基于數(shù)值模擬的類U形件回彈預(yù)測(cè)研究[D].重慶大學(xué),2006.