丁華鋒，潘俊杰，晏洋，金先志，李紅兵，胡澤奇，周昌鈺

DP780高強(qiáng)鋼U形彎曲回彈影響因素及優(yōu)化

丁華鋒1,2，潘俊杰1，晏洋2，金先志1，李紅兵1，胡澤奇1，周昌鈺1

（1.湖北文理學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽，441053；2.湖北三環(huán)鍛造有限公司，湖北 襄陽，441700）

研究DP780高強(qiáng)鋼不同參數(shù)對(duì)其U形彎曲回彈的影響。在室溫下對(duì)DP780鋼板材進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲得其應(yīng)力應(yīng)變曲線。采用U形彎曲模具模型，利用ABAQUS有限元仿真軟件對(duì)U形彎曲回彈進(jìn)行分析，研究摩擦因數(shù)、壓邊力、沖壓速度和凹凸模間隙對(duì)U形彎曲回彈的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)以優(yōu)化影響參數(shù)。在較小的摩擦因數(shù)下，回彈是有微小波動(dòng)的，繼續(xù)增大摩擦因數(shù)，回彈呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；回彈隨著壓邊力的增大先增大后減??；沖壓速度的改變對(duì)回彈的影響不是很大；隨著凹凸模間隙的增加，回彈逐漸增大。通過正交試驗(yàn)得到4個(gè)參數(shù)對(duì)回彈程度的影響，最佳參數(shù)組合為5531，以此參數(shù)組合得出的側(cè)壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

DP780高強(qiáng)鋼；U形彎曲回彈；有限元仿真；正交試驗(yàn)

國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)將屈服強(qiáng)度在210～550 MPa范圍內(nèi)的鋼定義為高強(qiáng)度鋼，高強(qiáng)鋼不僅具有較高的抗拉強(qiáng)度，而且在汽車的輕量化、碰撞吸能和成形性等方面都有很好的實(shí)用性，這些優(yōu)異的性能使其在現(xiàn)代汽車上得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。采用試驗(yàn)方法研究U形彎曲回彈影響因素具有成本高、效率低的優(yōu)點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)和數(shù)值計(jì)算方法的快速發(fā)展，有限元仿真成為一種解決實(shí)際問題的有效手段，有限元仿真法成本低、周期短，在預(yù)測(cè)回彈問題方面快速發(fā)展，對(duì)汽車工業(yè)中沖壓成形具有一定的指導(dǎo)意義[3]。

為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的政策，大量汽車開始使用高強(qiáng)度鋼板，但是高強(qiáng)度鋼板沖壓成形過程中的回彈問題明顯，回彈問題不僅是實(shí)際生產(chǎn)中需要解決的問題，也是學(xué)術(shù)界研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[4]。Xu等[5]分別研究了積分點(diǎn)、空白網(wǎng)格尺寸數(shù)、阻尼值和沖孔速度等幾個(gè)參數(shù)對(duì)回彈模擬精度和效率的影響，并提出了合理的取值。Lawanwong等[6]研究了消除高強(qiáng)度鋼板U形回彈的兩種方式，通過控制法蘭外沖頭行程和模具中的上推力來獲得理想的U形彎曲零件。Mulidrán等[7]通過模具設(shè)計(jì)方法達(dá)到了減小高強(qiáng)度鋼回彈的目的，并將回彈預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較。Cui等[8]分析了電磁力對(duì)回彈標(biāo)定的影響，發(fā)現(xiàn)較高的放電電壓可以顯著降低回彈，其仿真結(jié)果具有較高的精度。Spathopoulos等[9]根據(jù)回彈的影響因素提出了一種用于板材成形過程回彈預(yù)測(cè)的新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對(duì)類似工業(yè)研究中使用的測(cè)試用例進(jìn)行了驗(yàn)證。呂琳等[10]利用有限元軟件對(duì)縱弧棱U型梁進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了壓邊力和摩擦因數(shù)對(duì)回彈的影響規(guī)律。聶昕等[11]通過自行設(shè)計(jì)制造的回彈試驗(yàn)?zāi)＞哐芯苛?種不同性能的高強(qiáng)度鋼板在不同U形彎曲成形的沖壓工藝及不同成形狀態(tài)下的回彈規(guī)律。余海燕等[12]研究了兩種材料U形回彈隨時(shí)間而改變的時(shí)效回彈行為，其時(shí)效回彈量均可用指數(shù)函數(shù)來表達(dá)。李國(guó)棟等[13]基于2種磁脈沖輔助成形方案，揭示了鋁合金板材磁脈沖輔助彎曲成形對(duì)回彈的影響機(jī)理。胡大超等[14]利用ABAQUS有限元分析，對(duì)大型U形板材工件漸進(jìn)滾彎成形及其回彈過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)用漸進(jìn)滾彎方法成形加工半橢圓形工件是可行的。文中基于ABAQUS有限元分析，對(duì)DP780高強(qiáng)鋼U形件進(jìn)行數(shù)值模擬，模型采用U形彎曲模具尺寸，研究4種不同參數(shù)的取值對(duì)回彈的影響。在此前提下，通過正交試驗(yàn)選出一組合理取值，使其回彈最小。

1 U形件有限元模型

1.1 拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為寶鋼集團(tuán)生產(chǎn)的冷軋DP780鋼板材，按照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T 228.1—2010）[15]，設(shè)計(jì)出尺寸形狀如圖1，厚度為2 mm的試件。在室溫條件下通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，設(shè)置拉伸速度為0.5 mm/min，試件拉伸斷裂后的狀態(tài)如圖2所示。通過對(duì)比分析，選取其中一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后得到DP780鋼材料的工程應(yīng)力應(yīng)變曲線，經(jīng)公式（1）轉(zhuǎn)換得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。通過靜態(tài)拉伸試驗(yàn)得到DP780高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度為526 MPa，抗拉強(qiáng)度為837 MPa，密度為7.9 g·cm?3，彈性模量為2.1×105Mpa，泊松比為0.3，伸長(zhǎng)率為19.84%。

式中：ε為工程應(yīng)變；σ為工程應(yīng)力；εT為真實(shí)應(yīng)變；σT為真實(shí)應(yīng)力。

圖2 試件拉伸斷裂圖

圖3 應(yīng)力應(yīng)變曲線

1.2 U形件有限元模型的建立

U形件模具發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外研究人員使用不同的U形彎曲模具進(jìn)行了回彈分析，研究了各種影響回彈的因素和減小回彈的方法，通過試驗(yàn)和有限元方法對(duì)U形彎曲回彈進(jìn)行了歸納和總結(jié)，為U形模具設(shè)計(jì)和實(shí)際生產(chǎn)提供了依據(jù)。文中采用的U形彎曲模具尺寸如圖4所示，試件的尺寸為1 mm′50 mm′300 mm，由于模型是對(duì)稱圖形，取模型的1/2在ABAQUS中采用三維可變形殼拉伸命令畫出凸模、凹模、壓邊圈和試件，材料屬性按毫米單位制換算輸入密度、楊氏模量和泊松比，試件材料塑性參數(shù)輸入從屈服點(diǎn)到抗拉強(qiáng)度一段所有點(diǎn)，進(jìn)行裝配畫網(wǎng)格后如圖5所示。在分析步處設(shè)置重啟動(dòng)分析，各個(gè)部件之間解除部位摩擦因數(shù)均取0.1，凸模、壓邊圈和凹模可看做剛體，在一半模型上設(shè)置壓邊力為50 kN，虛擬沖壓速度為1 m·s?1。ABAQUS有限元分析一般有顯示和隱式兩種算法，沖壓過程采用動(dòng)力顯示算法，回彈過程采用靜力隱式算法。

圖4 U形彎曲模型尺寸圖（單位：mm）

圖5 1/2 U形網(wǎng)格模型

2 回彈測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)與影響因素

2.1 回彈測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

圖6為回彈測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，用側(cè)壁角1和法蘭角2來表示回彈的大小?；貜椖M的影響因素很多，文中只對(duì)幾個(gè)顯著參數(shù)進(jìn)行分析。厚度積分點(diǎn)取7、網(wǎng)格尺寸大小為2[16]，在壓邊力為100 kN、摩擦因數(shù)為0.1、凸凹模間隙為1 mm、沖壓速度為1 m/s的條件下，模擬回彈前后的三維結(jié)果和前端面結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖6 回彈測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)（單位：mm）

圖7 模擬回彈前后結(jié)果

圖8 前端面回彈結(jié)果

2.2 摩擦因數(shù)對(duì)回彈的影響

在其他條件不變的情況下，僅改變摩擦因數(shù)取值對(duì)回彈的影響如圖9、圖10所示。在較小的摩擦因數(shù)下，其回彈有微小的波動(dòng)，繼續(xù)增大摩擦因數(shù)，回彈量呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，這一規(guī)律與孫偉等[17]和薛克敏等[18]得出的結(jié)論相同。當(dāng)摩擦因數(shù)較小時(shí)，板料在沖壓過程流動(dòng)越容易，回彈越小，再選擇較大的摩擦因數(shù)會(huì)減小回彈，摩擦因數(shù)的增大對(duì)法蘭角2的影響較大，壓邊圈與凹模之間的摩擦力變大，使兩個(gè)材料表面之間的流動(dòng)阻力增大，經(jīng)過模具脫離后回彈減小，但較大的摩擦因數(shù)對(duì)材料的成形質(zhì)量有影響，可能出現(xiàn)拉裂危險(xiǎn)。

圖9 不同摩擦因數(shù)下的回彈大小

圖10 摩擦因數(shù)對(duì)回彈影響

2.3 壓邊力對(duì)回彈的影響

不同壓邊力取值對(duì)回彈的影響如圖11、圖12所示。在壓邊力較小的情況下，回彈先隨著壓邊力的增大而增大，之后又隨著壓邊力的增大而減小，這與張華平等[19]和張茜等[20]得出的結(jié)論一致。較大的壓邊力對(duì)側(cè)壁角1的影響較大，在壓邊圈壓緊狀態(tài)下進(jìn)行沖壓過程會(huì)使材料側(cè)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形，也導(dǎo)致材料側(cè)壁的減薄率增大，最終對(duì)側(cè)壁角的回彈產(chǎn)生較大影響，從而影響裝配尺寸精度。

圖11 不同壓邊力下回彈的大小

圖12 壓邊力對(duì)回彈的影響

2.4 沖壓速度對(duì)回彈的影響

不同的沖壓速度對(duì)回彈的影響如圖13、圖14所示?？梢钥闯觯瑳_壓速度的改變對(duì)回彈的影響不是很大，這與鄭淇文等[21]得到的結(jié)果相同。模擬過程中不同的沖壓速度對(duì)運(yùn)算的快慢有很大的影響，沖壓成形過程中較大的速度對(duì)模具磨損有較大的影響，回彈是板料在模具卸載后的變化量大小，沖壓速度的改變對(duì)最終回彈影響不大。

圖13 不同沖壓速度下回彈的大小

圖14 沖壓速度對(duì)回彈的影響

2.5 凹凸模間隙對(duì)回彈的影響

不同凹凸模間隙對(duì)回彈的影響如圖15、圖16所示。隨著凹凸模間隙的增大，回彈在逐漸增大，這與鐘文等[22]和吳信濤等[23]的結(jié)論相同。厚度與間隙值相同時(shí)，主要是凸模和凹模圓角處發(fā)生回彈，在側(cè)壁處基本沒有大的彎曲回彈現(xiàn)象；間隙一旦超過其厚度后，在沖壓側(cè)壁產(chǎn)生一定的彎曲回彈，用曲率半徑來表示回彈大小，間隙值繼續(xù)增加到一定程度，則產(chǎn)生更大的回彈，曲率半徑越小，回彈越明顯。

圖15 不同凹凸模間隙下回彈的大小

圖16 不同凹凸模間隙對(duì)回彈的影響

3 正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)表設(shè)計(jì)

上述通過研究不同摩擦因數(shù)、壓邊力、沖壓速度和凹凸模間隙單個(gè)因素對(duì)U形彎曲回彈的影響，并與其他文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了文中模擬過程的準(zhǔn)確性。更進(jìn)一步地，采用正交試驗(yàn)分析這4個(gè)參數(shù)及各參數(shù)取值對(duì)回彈的影響程度。正交試驗(yàn)是一種研究多因素多水平的設(shè)計(jì)方法，可以提高優(yōu)化效率、減少有限元模擬次數(shù)，正交表具有正交性、均勻分散性和整齊性等特點(diǎn)，能夠通過較少的試驗(yàn)次數(shù)找出每個(gè)因素的影響大小，確定出最佳參數(shù)組合[24]。在試驗(yàn)過程中使用四因素五水平(L25(45))的正交試驗(yàn)表，基于單因素對(duì)回彈的影響選取一些比較具有代表性的水平參數(shù)進(jìn)行模擬，各因素之間無交互作用，回彈考核指標(biāo)為側(cè)壁角1和法蘭角2越接近90°越好，正交試驗(yàn)表如表1所示。

表1 影響回彈指標(biāo)的因素和水平

Tab.1 Factors and levels affecting the springback index

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為四因素五水平正交表得出的25組試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，表3、表4是側(cè)壁角1和法蘭角2的極差分析結(jié)果，其中，1、2、3、4、5分別表示各因素不同水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)均值，并用各均值的最大值減去最小值，求出各因子的極差，以確定各因素對(duì)回彈影響程度的大小?？梢钥闯?，側(cè)壁角1和法蘭角22個(gè)極差的影響因素大小都相同，均為凹凸模間隙＞摩擦因數(shù)＞沖壓速度＞壓邊力，回彈最小的最佳參數(shù)組合為5531，以此參數(shù)組合（試驗(yàn)號(hào)25）得出的側(cè)壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

表2 L25(45)正交試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 L25 (45) orthogonal test results

表3 側(cè)壁角1極差分析

Tab.3 Range analysis of side wall angle θ1

表4 法蘭角2極差分析

Tab.4 Range analysis of flange angle θ2

4 結(jié)論

1）利用ABAQUS有限元分析研究DP780高強(qiáng)鋼U形彎曲回彈影響因素，發(fā)現(xiàn)在其他參數(shù)不變的情況下，摩擦因數(shù)較小時(shí)，其回彈是有微小波動(dòng)的，繼續(xù)增大摩擦因數(shù)，回彈呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；回彈隨著壓邊力的增大先增大后減小沖壓速度的改變對(duì)回彈的影響不是很大；隨著凹凸模間隙增大，回彈在逐漸增大。

2）通過正交試驗(yàn)并采用極差分析，得出側(cè)壁角1和法蘭角2的影響因素大小都相同，即對(duì)回彈的影響從大到小排序是凹凸模間隙＞摩擦因數(shù)＞沖壓速度＞壓邊力。回彈最小的最佳參數(shù)組合為5531，以此參數(shù)組合得出的側(cè)壁角1和法蘭角2最接近90°，回彈效果最好。

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Influence Factors and Optimization of U-shaped Bending Springback of DP780 High-strength Steel

DING Hua-feng1,2, PAN Jun-jie1, YAN yang2, JIN Xian-zhi1, LI Hong-bing1, HU Ze-qi1, ZHOU Chang-yu1

(1. School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Sciences, Hubei Xiangyang 441053, China; 2. Hubei Third Ring Forge Co., Ltd, Hubei Xiangyang 441700, China)

The work aims to study the influence of different parameters of DP780 high-strength steel on its U-shaped bending springback. A tensile test was carried out on DP780 steel sheet at room temperature, and its stress-strain curve was obtained. The U-shaped bending die model was used to analyze the U-shaped bending springback with ABAQUS finite element simulation software, and the influence laws of friction coefficient, blank holder force, punching speed and clearance between punch and die on the U-shaped bending springback were studied. On this basis, orthogonal experiments were designed to optimize the influencing parameters. The results show that with a small friction coefficient, the springback will fluctuate slightly. Continue to increase the friction coefficient, the springback will show a decreasing trend. The springback first increases and then decreases with the increase of blank holder force. Change of the punching speed does not have a great impact on the springback. With the increase of clearance between punch and die, the springback gradually increases. The influence magnitude of the four par-ameters on springback is obtained through the orthogonal experiment, and the best parameter combination is5531. Side wall angle1and flange angle2obtained by this parameter combination are the closest to 90°, and the springback effect is the best.

DP780 high-strength steel; U-shaped bending springback; finite element simulation; orthogonal experiment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.007

U466;TG142

A

1674-6457(2022)10-0049-07

2021?12?01

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究計(jì)劃青年人才項(xiàng)目（Q20202602）

潘俊杰（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闆_壓成形。

丁華鋒（1986—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)槠囕p量化設(shè)計(jì)及制造技術(shù)。