基于液壓成形的高強鋼回彈分析研究

廖 勇

（東風柳州汽車有限公司， 廣西 柳州 545000）

0 引言

由于燃料資源短缺、廢氣排放較大，因此車身朝著輕量化趨勢發(fā)展， 由高強度鋼制造的車身部件不僅具有更高碰撞性能，有助于提高乘客安全性，同時還能降低車身重量，減少排放。但高強鋼的使用給實際工程帶來了一系列零件成形性差、回彈嚴重問題。因此液壓成形工藝是實現(xiàn)輕量化的重要途徑[1]。

近年來， 液壓成形影響材料成形性能的研究取得較大進展[2，3]。 魏國玲[4]等人采用液壓成形對T 型管展開模擬分析；王帥[5]等人針對橢球形件總結(jié)壓邊力和液壓力在充液拉深成形中的成形性能規(guī)律。與此相反，國內(nèi)外對液壓成形零件回彈性能研究較少， 特別是板材液壓拉深成形回彈研究。李偉[6]對管材充液成形的回彈影響因素進行了比較。 因此，為準確預測和消除板材液壓成形回彈，掌握回彈規(guī)律， 本文以高強鋼板液壓成形大梁加強板展開討論，對比不同成形工藝下的回彈情況，比較壓邊力、液壓力對薄板液壓成形回彈影響。

1 液壓成形概述

圖1 主動式（液壓作用板料上表面）Fig.1 Active hydroforming（Fluid pressure is applied on top of blank）

液壓成形以液體為傳力介質(zhì)填充模具型腔， 代替剛體模具完成零件沖壓，實現(xiàn)管材或板材零件成形，板材液壓成形分為主動式和被動式[7]。 主動式液壓成形通過作用于板料上表面的液壓力將其緊壓于凹模型腔內(nèi)壁，得到與凹模內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同的零件形狀，如圖1 所示；被動式液壓成形通過存儲于液體型腔內(nèi)的液體在壓邊圈將板料緊壓于液體型腔且凸模向下貼合過程中對板料下表面形成液壓反作用力，得到與凸模形狀相同的零件，如圖2 所示。這種液體代替模具的成形方式，減小了材料摩擦，增大塑性流動，降低了零件減薄率，有效防止材料起皺與拉裂。

圖2 被動式（液壓作用板料下表面）Fig.2 Passive hydroforming（Fluid pressure is applied on bottom of blank）

2 零件材料與尺寸

圖3 為本文選用的大梁加強板， 板料尺寸為（1070×180）mm。采用材料為1.2mm 厚的DP590鋼進行拉延與修邊，表1與圖4 為DP590 鋼的力學性能參數(shù)與應力應變曲線。

圖3 零件數(shù)模Fig.3 Digital model of part

表1 DP590 鋼的力學性能參數(shù)Tab.1 Mechanical properties for DP590 steel

圖4 DP590 鋼的應力應變曲線Fig.4 The stress-strain curve for DP590 steel

3 有限元建模

在Dynaform 中采用被動式液壓成形對零件進行拉延仿真，恒定液壓力作用于板料下方，根據(jù)表2 完成參數(shù)設(shè)置， 待拉延結(jié)束即對零件修邊， 比較修邊后的回彈結(jié)果，圖5 為有限元仿真模型。

表2 工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters

圖5 有限元模型Fig.5 Finite element model

4 仿真結(jié)果

由于零件各部分曲率不規(guī)則， 因此選取不同截面對比回彈，如圖6 所示，采用的截面1 與截面2 距零件中央425mm，同時在每條截面線上以5mm 間距為單位按Y 軸方向從左至右選取回彈測量點。

圖6 截面位置圖Fig.6 Position diagram of sections

4.1 成形方式對回彈的影響

板料在壓邊力均為40T， 液壓力為10Mpa 的條件下進行液壓成形和傳統(tǒng)沖壓成形， 圖7 為零件數(shù)模與兩成形方式下的截面輪廓線，由圖可知，液壓成形在兩截面處的回彈輪廓線都比傳統(tǒng)沖壓成形更接近零件數(shù)模， 即相同條件下液壓成形產(chǎn)生回彈更小。

圖7 不同成形方式在各截面處的回彈輪廓線Fig.7 Springback contour lines of different forming methods at various sections（a）section 1（b）section 2

如圖8 所示， 兩截面處各點回彈在任一成形方式下呈先減后增趨勢，兩側(cè)回彈較大，且液壓成形下的兩側(cè)壁回彈基本一致。 對傳統(tǒng)沖壓而言，截面1 右側(cè)點20 回彈最大，截面2 左側(cè)點1 處回彈最大，而液壓成形下的相應測量點處回彈分別降低了46.1%和48.8%。 相較于截面1，截面2 處各點回彈都大，且兩成形方式在截面2 處的回彈差異更明顯。

圖8 不同成形方式下的各點處回彈Fig.8 Springback at various points under different forming methods（a）section 1（b）section 2

4.2 壓邊力對回彈的影響

板料分別在壓邊力為20T、40T、60T， 液壓力均為10Mpa 的條件下進行液壓成形， 圖9 為各壓邊力下的截面各點處回彈，由圖可知，任一壓邊力下，截面2 上各點回彈都大于截面1 對應點。

根據(jù)截面1 各點回彈情況，點1 至點5 區(qū)間內(nèi)，零件左側(cè)壁回彈在20T 壓邊力下最小， 而40T 與60T 下的回彈基本一致， 且此區(qū)間內(nèi)的三種壓邊力下的回彈差值小于0.5mm，因此該范圍內(nèi)的回彈受壓邊力影響較小。 在點7 至點20 區(qū)間，零件在20T 下的回彈始終最大，其中點12 至點20 內(nèi)， 零件右側(cè)壁回彈隨壓邊力增大而逐漸減小，同時20T 與60T 下的回彈差值最大超過1mm，受壓邊力影響較大。

與截面1 不同，截面2 在點1 至點9 區(qū)間，零件回彈隨壓邊力增大而減小，且在零件左側(cè)壁處產(chǎn)生較大差異；在點10 至點20 內(nèi)，各壓邊力下的回彈差異較小，回彈差值小于0.5mm，其中點10 至點15 范圍，回彈在40T 壓邊力下最小， 而點15 至點20 區(qū)間下的回彈隨壓邊力增大而增大。

圖9 液壓成形在不同壓邊力下的各點處回彈Fig.9 Springback at various points under different blank holder forces with hydroforming（a）section 1（b）section 2

4.3 液壓力對回彈的影響

板料分別在液壓力為10Mpa、15Mpa、20Mpa，壓邊力均為20T 的條件下進行液壓成形，圖10 為各液壓力下的截面各點處回彈。

圖10 液壓成形在不同液壓力下的各點處回彈Fig.10 Springback at various points under different hydraulic pressures with hydroforming（a）section 1（b）section 2

截面1 的右側(cè)回彈大于左側(cè)， 且左右回彈差異在20Mpa 液壓力下最明顯。 點1 至點4 區(qū)間，零件左側(cè)壁回彈隨液壓力的增大而逐漸減小。當測量范圍超過點4 時，回彈呈相反趨勢，此時20Mpa 液壓力下的回彈最大，且遠大于液壓力為10Mpa 和15Mpa 下的回彈，最大回彈差值超過1mm； 同時在該區(qū)間內(nèi)， 點4 至點10 范圍內(nèi)的10Mpa 液壓力下的回彈遠小于另兩種液壓力下的回彈，而點10 以后，10Mpa 下的回彈基本與15Mpa 下的接近。

就截面2 而言，15Mpa 液壓力下的回彈始終小于10Mpa 下的，其中在點10 前的區(qū)間內(nèi)，兩液壓力下的回彈差值最大超過2mm， 而點10 后的回彈大小基本一致，即此兩種液壓力下的零件左側(cè)回彈差異明顯。 點1 至點7 區(qū)間， 零件左側(cè)回彈在液壓力為10Mpa 下最大， 而在15Mpa 液壓力下最小，當測量范圍超過點7 時，20Mpa 液壓力下的回彈遠超過另兩種。

5 結(jié)論

根據(jù)上述對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）與傳統(tǒng)沖壓成形相比，液壓成形工藝能大大降低零件回彈， 零件截面1 與截面2 處最大回彈分別降低了46.1%與48.8%。

（2）在20T、40T、60T 的壓邊力下，截面1 處左側(cè)回彈隨壓邊力的增大而增大，回彈受壓邊力的影響較小，而右側(cè)回彈隨壓邊力的增大逐漸減小且受壓邊力影響較大。截面2 處回彈規(guī)律與之相反。

（3）在10MPa、15MPa、20MPa 的液壓力下，截面1 在點1 至點4 內(nèi)的回彈隨液壓力增大而逐漸減小且受液壓力影響較小， 而剩余區(qū)間內(nèi)的回彈呈相反趨勢， 且受20Mpa 液壓力影響較大。 就截面2 而言，零件回彈未隨液壓力呈一定規(guī)律，左側(cè)回彈受液壓力影響較大，各液壓力間的回彈差異較明顯，而零件右側(cè)回彈受20MPa 液壓力影響較大。

因此，高強鋼板進行液壓成形時，應根據(jù)具體零件選用合理的壓邊力與液壓力。 后續(xù)還需對壓邊力與液壓力間是否存在耦合關(guān)系展開研究。