文/李艷·淮安市明森機(jī)械制造有限公司

彎曲回彈量的控制措施研究

文/李艷·淮安市明森機(jī)械制造有限公司

在金屬板材沖壓成形過(guò)程中，當(dāng)板料彎曲時(shí)，內(nèi)層受到壓應(yīng)力，外層受到拉應(yīng)力，在彎曲成形過(guò)程，這兩種應(yīng)力盡管都超過(guò)了材料的屈服應(yīng)力，但實(shí)際上從拉應(yīng)力到壓應(yīng)力過(guò)渡區(qū)，總存在未屈服的彈性變形區(qū)。這種應(yīng)力-應(yīng)變?cè)诎宀暮穸壬鲜遣痪鶆蚍植?，?duì)于只是施加彎矩的彎曲方式來(lái)說(shuō)，要有效的減少回彈是很困難的?；貜棔?huì)導(dǎo)致沖壓成形的產(chǎn)品的尺寸精度不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格，對(duì)于那些要求嚴(yán)格的板材，回彈對(duì)工件的影響顯得尤其突出。故金屬板材成形中的回彈預(yù)測(cè)及控制，成為金屬板材成形模擬領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。如何減少回彈量，或?qū)Π宀幕貜椓康拇笮∮锌茖W(xué)的預(yù)見(jiàn)，將有助于模具的設(shè)計(jì)。

回彈是模具設(shè)計(jì)中要考慮的關(guān)鍵因素之一，零件的最終形狀取決于成形后的回彈量。當(dāng)回彈量超過(guò)允許范圍后，就成為零件的缺陷，影響零件的尺寸精度。因此，回彈一直是影響和制約沖壓件精度的重要因素。隨著汽車(chē)工業(yè)和航空工業(yè)的發(fā)展，對(duì)薄板類(lèi)覆蓋件成形精度的要求也越來(lái)越高，特別是近年來(lái)由于高強(qiáng)鋼和鋁合金板材的大量使用，回彈問(wèn)題顯得更為突出，成為汽車(chē)工業(yè)和航空工業(yè)等領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。從概念上來(lái)說(shuō)，回彈雖然僅僅是卸載問(wèn)題，計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但由于它是成形的最后一步，成形過(guò)程模擬中產(chǎn)生的任何誤差都會(huì)積累到回彈計(jì)算階段。因此，回彈模擬計(jì)算的準(zhǔn)確程度既與回彈的模擬方法有重要關(guān)系，也受成形過(guò)程模擬精度的制約。準(zhǔn)確性和收斂性一直是回彈數(shù)值模擬難以達(dá)到滿意的主要問(wèn)題。小曲率半徑區(qū)域的成形模擬最為關(guān)鍵，這里不僅接觸摩擦最為嚴(yán)重，而且非線性問(wèn)題（幾何非線性、材料非線性、邊界非線性）也最為突出。單元的優(yōu)劣、尺寸的影響、接觸算法及摩擦模型的科學(xué)性、本構(gòu)方程及硬化規(guī)律的合理性、有限元算法的先進(jìn)性以及應(yīng)變路徑的模擬精度等都將在這里受到嚴(yán)格的考驗(yàn)，這些都是板料成形數(shù)值模擬的重點(diǎn)和難點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，小曲率半徑區(qū)域變形模擬精度是限制回彈模擬精度提高的根源所在。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外關(guān)于回彈模擬的研究也主要是基于這一區(qū)域成形模擬精度問(wèn)題開(kāi)展。

回彈控制措施

在彎曲成形中傳統(tǒng)的回彈控制方法有：拉彎法、加壓矯正法、模具補(bǔ)償法、過(guò)彎曲法等，根據(jù)零件形狀和彎曲工藝的不同可選用不同的方法來(lái)控制回彈。模具補(bǔ)償法和過(guò)彎曲法是兩種基本的回彈控制方法，前者適用于模具彎曲，后者適于自由彎曲。對(duì)于曲率非常小的彎曲件，由于其塑性變形不充分，回彈較大，單純模具補(bǔ)償難以實(shí)施，一般要采用拉彎法和模具補(bǔ)償法聯(lián)合作用來(lái)控制回彈。對(duì)于局部曲率很大的彎曲件，理論預(yù)測(cè)精度較差，實(shí)際生產(chǎn)中一般采用局部加壓矯正的方法來(lái)控制回彈。

模具補(bǔ)償法和過(guò)彎曲法作為回彈控制的基本方法有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究。例如余同希討論了柱形彎曲回彈的模具補(bǔ)償算法，王曉林對(duì)非圓弧彎曲回彈的模具補(bǔ)償算法進(jìn)行了研究。這些研究建立在純理論計(jì)算或數(shù)值模擬基礎(chǔ)之上，具有速度快、成本低的特點(diǎn)，取得了一定的效果。但從目前情況來(lái)看，回彈的理論預(yù)測(cè)精度較差，必須輔以適當(dāng)?shù)墓に囋囼?yàn)才能得到較為滿意的結(jié)果。

材料選用與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取的措施

在沖壓覆蓋件時(shí)，滿足彎曲件使用要求的條件下，盡可能選用彈性模量大、屈服極限小、機(jī)械性能穩(wěn)定的材料，以減少?gòu)澢鷷r(shí)的回彈。同時(shí)，在彎曲件設(shè)計(jì)上可以采用改進(jìn)某些結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)彎曲件的剛度以減小回彈。如在工件的彎曲變形區(qū)上壓制加強(qiáng)筋（圖1a和圖1b）或增加成形折邊（圖1c）。

圖1 彎曲件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工藝上采取的措施

⑴采用熱處理工藝。對(duì)一些硬度較高的材料和已經(jīng)冷作硬化的材料，彎曲前可以先進(jìn)行退火處理，降低其硬度以減少?gòu)澢鷷r(shí)的回彈量，待彎曲后再淬硬。在條件允許的情況下，甚至可使用加熱彎曲。

⑵增加校正工序。運(yùn)用校正彎曲工序，對(duì)彎曲件施加較大的校正壓力，可以改變其變形區(qū)的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，以減少?gòu)澢蟮幕貜椓俊Ｍǔ?，?dāng)彎曲變形區(qū)材料的校正壓縮量為板厚的2%～5%時(shí)，可以得到較好的效果。

⑶采用拉彎工藝。對(duì)于彎曲半徑相對(duì)較大的板材彎曲件，由于較大的變形區(qū)處于彈性變形狀態(tài)，彎曲回彈量也相對(duì)較大。這時(shí)可以采用拉彎工藝來(lái)減少回彈量，如圖2所示。

圖2 拉彎工藝原理示意圖

在拉彎工藝中，金屬板材在彎曲變形的過(guò)程中受到了切向拉伸力的作用，施加的拉伸力使變形區(qū)內(nèi)的合成應(yīng)力大于材料的屈服極限，中性層內(nèi)側(cè)壓應(yīng)變轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)變，從而材料的整個(gè)橫斷面都處于塑性拉伸變形的范圍（變形區(qū)內(nèi)、外側(cè)都處于拉應(yīng)變范圍）。卸載后內(nèi)外兩側(cè)的回彈趨勢(shì)相互抵消，可大大減少?gòu)澢幕貜棥Ｋ?，大曲率半徑彎曲件可以在拉彎?rùn)C(jī)上進(jìn)行。拉彎時(shí)，彎曲變形與拉伸的先后次序?qū)貜椓康挠绊懯遣煌?。先彎曲后拉伸的回彈量小于先拉伸后彎曲，但先彎曲后拉伸的不足之處是已彎坯料與模具摩擦力加大，所以拉應(yīng)力難以均勻地傳遞到變形區(qū)各部分，因此實(shí)際生產(chǎn)中可以采用拉＋彎＋拉的復(fù)合工藝方法。

對(duì)于小型彎曲件可采用在毛坯直邊部分增加壓邊力來(lái)限制非變形區(qū)材料的流動(dòng)，或減小凸、凹模間隙使變形區(qū)的材料作變薄擠壓拉伸的方法，以增加變形區(qū)的拉應(yīng)變，從而減少金屬板材的回彈。

模具結(jié)構(gòu)上采取的措施

利用彎曲件不同部位回彈方向相反的特點(diǎn)，按照預(yù)先估算或試驗(yàn)所得的回彈量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和幾何形狀，以相反方向的回彈來(lái)補(bǔ)償工件量，將回彈角做在凹模上，使凹模的工作部分具有一定斜度。此即為“矯枉必須過(guò)正”，“過(guò)正”量再回彈一點(diǎn)，恰好符合原來(lái)沖壓件的設(shè)計(jì)要求。

雙角彎曲時(shí)，可將彎曲凸模兩側(cè)修去回彈角，并保持彎曲模的單面間隙等于最小料厚，促使工件貼住凸模，開(kāi)模后工件兩側(cè)回彈至垂直，或者將模具底部做成圓弧形，利用開(kāi)模后底部向下的回彈作用來(lái)補(bǔ)償工件兩側(cè)向外的回彈。

采用聚氨酯彎曲模降低回彈

利用聚氨酯彎曲模代替剛性金屬凹模進(jìn)行彎曲（圖3）。彎曲時(shí)隨著板料和金屬凸模逐漸進(jìn)入聚氨酯彎曲模，聚氨酯對(duì)板料的單位壓力也不斷增加，彎曲件圓角變形區(qū)所受到的單位壓力大于兩側(cè)直邊部分。由于僅受聚氨酯側(cè)壓力的作用，直邊部分不發(fā)生彎曲，隨著凸模進(jìn)一步向下運(yùn)動(dòng)，激增的彎曲力將改變圓角變形區(qū)材料的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，達(dá)到類(lèi)似校正彎曲的效果，從而減少回彈。通過(guò)調(diào)節(jié)凸模壓入聚氨酯凹模的深度，可以控制彎曲力的大小，這樣使卸載后的彎曲件角度符合精度要求。

復(fù)雜拉延成形中的回彈控制

以往對(duì)于復(fù)雜拉延成形件的回彈控制問(wèn)題研究的不多，工程實(shí)際中通?；诮?jīng)驗(yàn)和反復(fù)試驗(yàn)來(lái)減小或消除回彈的影響。2010年以來(lái)，隨著拉延成形中起皺和拉裂問(wèn)題逐步得到解決，回彈控制問(wèn)題逐漸上升為研究的重點(diǎn)，另外板料沖壓CAE仿真技術(shù)的不斷完善也為回彈控制研究提供了必要的基礎(chǔ)。

復(fù)雜拉延成形件的回彈控制一般從兩方面入手：一是通過(guò)改變成形過(guò)程邊界條件，如毛料形狀、壓邊力、模具圓角、摩擦狀態(tài)等因素來(lái)減小回彈，這一類(lèi)方法可稱(chēng)為工藝控制法；另一途徑是在特定工藝條件下預(yù)測(cè)或?qū)崪y(cè)回彈量的大小，然后通過(guò)修正模具形狀使回彈后的零件形狀恰好符合設(shè)計(jì)要求，即幾何補(bǔ)償法。在工程實(shí)際中兩類(lèi)方法一般聯(lián)合應(yīng)用，以達(dá)到最佳的效果。

圖3 聚氨酯彎曲模

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，控制板材沖壓過(guò)程中回彈的方法很多，在工程實(shí)踐中我們根據(jù)沖壓板材的種類(lèi)、板材的厚度、液壓機(jī)的類(lèi)型、沖壓件的具體形狀、凸模圓角等情況來(lái)選用上述一種方法或幾種方法聯(lián)合使用，從而提高沖壓件的尺寸精度。