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【摘要】回弹是板料冲压生产中产生的主要问题之一。由于板料弹性变形的存在导致卸载后零件发生回弹，回弹的结果造成冲压件的尺寸和模具表面尺寸不符，从而影响了制造的精度，精确的计算一般冲压件的回弹量是非常困难的事，多数情况下，只能靠以往的经验，在模具设计时对将来可能产生的回弹加以补偿，但是这样的补偿往往是不准确的。为提高冲压件的产品质量，缩短新产品开发周期，必须对回弹进行准确的预测和有效的控制。
【关键词】冲压成型；回弹；有限元模拟；模拟软件实际应用
1.本项目的研究目标及意义
今天，随着我国汽车工业的飞速发展，我国的模具工业也随之迅猛发展起来，笔者作为一名模具设计人员，亲身经历了模具设计手段由图板、铅笔到计算机CAD制图；由产品图到产品数模的转变。随着冲压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识塑性成形过程的本质规律提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的技术支持，这使得有限元仿真分析在汽车工业的应用日益受到重视。通过成形仿真分析可以在多方面对模具企业提供强有力的支持：在设计工作的早期阶段评价模具设计、工艺补充的可行性；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善零件生产质量，同时可用来调整材料等级，降低成本。有限元数值仿真技术在模具开发设计广泛应用，对傳统的模具开发过程的变革产生了深远的影响。
2.板料成型及回弹模拟的基本理论
2.1板材成形缺陷分析
板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常头的力学过程。由于影响成形过程的因素很多，因此人们不能精确控制材料的流动。成生程中会产生各种各样的缺陷，影响零件的几何精度、表面质量和力学性能。总的来说，零件成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。
起皱是压缩失稳在薄板成形中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属产生塑性，模具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当材料的内压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式称为压缩失稳。
破裂是拉深失稳在薄板冲压成形中的主要表现。在板料成形过程中，随着变形的发用材料的承载面积不断缩短，其应变强化效应也不断增加。当应变强化效应的增加能够补｛承载面积缩减时，变形稳定地进行下去；当两者恰好相等时，变形处于临界状态；当应三强化效应的增加不能补偿承载面积缩减，并越过了临界状态时，板料的变形将首先发生｛承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。
2.2板材成形数值模拟的算法
当前板材成形数值模拟采用的算法主要分为显式法和隐式法两类。
2.2.1显式算法
显式算法包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。另外，动态显式算法采用动力学方程的中心差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，也不存在收敛控制问题。
2.2.2隐式算法
静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中，在每一增量步内都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大，但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加，计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分，对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时，在分叉点处刚度矩阵出现奇异。
3.回弹数值模拟及影响因素分析
3.1回弹的力学机理
板料在外载荷作用下发生任何一种塑性变形时，其变形都是由塑性变形和弹性变形两部分组成。当外载荷去除时，塑性变形区的材料保存残余变形而使零件成形。但是，由于弹性变形区材料的弹性恢复以及塑性变形区材料弹性变形部分的弹性恢复，使其形状、尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，这种现象称之为回弹。回弹在冲压加工的各种成形方式中都有可能发生。按照传统的冲压成形分类方法，板料成形主要包括弯曲、拉深、翻边、局部成形、胀形、扩口、缩口等等。其中弯曲成形后的卸载回弹现象最为典型，回弹量也最大。
3.2回弹的影响因素
3.2.1材料性能
材料的弹性模量E越小，屈服极限。，越高，加工硬化现象越严重（n值大），弯曲变形的回弹也越大。
3.2.2相对弯曲半径
当相对弯曲半径（Rlt）减小时，弯曲板料外表面上的总切向变形程度增大，其中塑性变形和弹性变形成分也都同时增大，但在总变形中弹性变形所占比例却减小，因此回弹也小。与此相反，当相对弯曲半径较大时，由于弹性变形在总变形中所占比例的增大，比值△。／。和比值如净也大，回弹就小。
3.2.3弯角
弯角Q越大，则变形区域越大，回弹积累值越大，回弹角也越大，但对弯曲半径的回弹没有影响。
3.2.4工件形状
一般来说，弯曲零件的形状越复杂，弯曲变形时各部分变形的相互制约作用就越大，增加了弯曲时的变形阻力，使薄板内层受压变形成分减小，薄板截面上切向应力的分布趋于均匀，因而降低了一次弯曲成形的回弹量。例如，U形件的回弹由于两边互受牵制而小于V形件。形状复杂的弯曲件，若一次弯曲成形，由于各部分间的相互牵制以及弯曲件表面与模具表面之间的摩攘影响，可能改变弯曲工件各部分的应力状态，使回弹困难。
3.2.5摩擦
弯曲板料表面和模具表面之间的摩擦可以改变弯曲板料各部分的应力状态。一般认为摩擦可以增大变形区的拉应力，可以使零件形状接近于模具形状。成形模拟中对摩擦系数的模拟只能是近似的模拟。这是由于凸凹模之间的真实接触并不象仿真模拟中假设的那样，所有的面与面都完全接触。实际生产中凸凹模的表面是凸凹不平的，弯曲和平坦的地方摩擦系数都是不一样的，因此很难对摩擦系数进行模拟。
摩擦系数对成形模拟来说是一个重要的参数，摩擦系数越小，应变分布越均匀。良好的润滑状况得到的零件质量较好。不只是零件内部的应力应变分布均匀，零件的外观质量也很好，划痕较少。随着摩擦系数的加大，板料的流动更加困难，增大拉应力变形区，使内、外表面的应力状态趋向一致，板料的塑性变形量增加，减薄量也会逐渐增大，回弹量减小。■
【参考文献】
［１］胡平，李运星，柳玉起，连建设．冲压件成形与模具设计数值仿真一体化技术，塑性力学及其应用，北京理工大学出版社，1999．
［２］马又鸣，陈大融，潘旭峰，毕攻，乔念东．车身覆盖件成形过程计算机仿真的研究，模具工业，1999.No.4．
［３］钟志华，李光耀．薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用.北京理工大学 出版社，1998．
［４］王晓林，周贤宾．金属板弹塑性非圆弧弯曲回弹的计算，塑性工程学报，V01.3No.4 1996．
【关键词】冲压成型；回弹；有限元模拟；模拟软件实际应用
1.本项目的研究目标及意义
今天，随着我国汽车工业的飞速发展，我国的模具工业也随之迅猛发展起来，笔者作为一名模具设计人员，亲身经历了模具设计手段由图板、铅笔到计算机CAD制图；由产品图到产品数模的转变。随着冲压成形有限元仿真研究的蓬勃发展，以有限元为核心的塑性成形数值仿真技术日趋成熟，为人们认识塑性成形过程的本质规律提供了新途径，为实现塑性成形领域的虚拟制造提供了强有力的技术支持，这使得有限元仿真分析在汽车工业的应用日益受到重视。通过成形仿真分析可以在多方面对模具企业提供强有力的支持：在设计工作的早期阶段评价模具设计、工艺补充的可行性；在试冲试模阶段进行故障分析，解决问题；在批量生产阶段用于缺陷分析，改善零件生产质量，同时可用来调整材料等级，降低成本。有限元数值仿真技术在模具开发设计广泛应用，对傳统的模具开发过程的变革产生了深远的影响。
2.板料成型及回弹模拟的基本理论
2.1板材成形缺陷分析
板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常头的力学过程。由于影响成形过程的因素很多，因此人们不能精确控制材料的流动。成生程中会产生各种各样的缺陷，影响零件的几何精度、表面质量和力学性能。总的来说，零件成形的主要缺陷有起皱、破裂和回弹。
起皱是压缩失稳在薄板成形中的主要表现形式。薄板冲压成形时，为使金属产生塑性，模具对板料施加外力，在板内产生复杂的应力状态。由于板厚尺寸与其他两个方向尺寸相比很小，因此厚度方向是不稳定的。当材料的内压应力使板厚方向达到失稳极限时，材料不能维持稳定变形而产生失稳，此种失稳形式称为压缩失稳。
破裂是拉深失稳在薄板冲压成形中的主要表现。在板料成形过程中，随着变形的发用材料的承载面积不断缩短，其应变强化效应也不断增加。当应变强化效应的增加能够补｛承载面积缩减时，变形稳定地进行下去；当两者恰好相等时，变形处于临界状态；当应三强化效应的增加不能补偿承载面积缩减，并越过了临界状态时，板料的变形将首先发生｛承载能力弱的位置，继而发展成为细颈，最终导致板料出现破裂现象。
2.2板材成形数值模拟的算法
当前板材成形数值模拟采用的算法主要分为显式法和隐式法两类。
2.2.1显式算法
显式算法包括动态显式和静态显式算法。动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性。另外，动态显式算法采用动力学方程的中心差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，也不存在收敛控制问题。
2.2.2隐式算法
静态隐式算法也是解决金属成形问题的一种方法。在静态隐式算法中，在每一增量步内都需要对静态平衡方程而迭代求解。理论上在这个算法中的增量步可以很大，但是实际运算中上要受到接触以及摩擦等条件的限制。随着单元数目的增加，计算时间几乎呈平方次增加。由于需要矩阵求逆以及精确积分，对内存要求很高。隐式算法的不利方面还有收敛问题不容易得到解决以及当开始起皱失稳时，在分叉点处刚度矩阵出现奇异。
3.回弹数值模拟及影响因素分析
3.1回弹的力学机理
板料在外载荷作用下发生任何一种塑性变形时，其变形都是由塑性变形和弹性变形两部分组成。当外载荷去除时，塑性变形区的材料保存残余变形而使零件成形。但是，由于弹性变形区材料的弹性恢复以及塑性变形区材料弹性变形部分的弹性恢复，使其形状、尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化，这种现象称之为回弹。回弹在冲压加工的各种成形方式中都有可能发生。按照传统的冲压成形分类方法，板料成形主要包括弯曲、拉深、翻边、局部成形、胀形、扩口、缩口等等。其中弯曲成形后的卸载回弹现象最为典型，回弹量也最大。
3.2回弹的影响因素
3.2.1材料性能
材料的弹性模量E越小，屈服极限。，越高，加工硬化现象越严重（n值大），弯曲变形的回弹也越大。
3.2.2相对弯曲半径
当相对弯曲半径（Rlt）减小时，弯曲板料外表面上的总切向变形程度增大，其中塑性变形和弹性变形成分也都同时增大，但在总变形中弹性变形所占比例却减小，因此回弹也小。与此相反，当相对弯曲半径较大时，由于弹性变形在总变形中所占比例的增大，比值△。／。和比值如净也大，回弹就小。
3.2.3弯角
弯角Q越大，则变形区域越大，回弹积累值越大，回弹角也越大，但对弯曲半径的回弹没有影响。
3.2.4工件形状
一般来说，弯曲零件的形状越复杂，弯曲变形时各部分变形的相互制约作用就越大，增加了弯曲时的变形阻力，使薄板内层受压变形成分减小，薄板截面上切向应力的分布趋于均匀，因而降低了一次弯曲成形的回弹量。例如，U形件的回弹由于两边互受牵制而小于V形件。形状复杂的弯曲件，若一次弯曲成形，由于各部分间的相互牵制以及弯曲件表面与模具表面之间的摩攘影响，可能改变弯曲工件各部分的应力状态，使回弹困难。
3.2.5摩擦
弯曲板料表面和模具表面之间的摩擦可以改变弯曲板料各部分的应力状态。一般认为摩擦可以增大变形区的拉应力，可以使零件形状接近于模具形状。成形模拟中对摩擦系数的模拟只能是近似的模拟。这是由于凸凹模之间的真实接触并不象仿真模拟中假设的那样，所有的面与面都完全接触。实际生产中凸凹模的表面是凸凹不平的，弯曲和平坦的地方摩擦系数都是不一样的，因此很难对摩擦系数进行模拟。
摩擦系数对成形模拟来说是一个重要的参数，摩擦系数越小，应变分布越均匀。良好的润滑状况得到的零件质量较好。不只是零件内部的应力应变分布均匀，零件的外观质量也很好，划痕较少。随着摩擦系数的加大，板料的流动更加困难，增大拉应力变形区，使内、外表面的应力状态趋向一致，板料的塑性变形量增加，减薄量也会逐渐增大，回弹量减小。■
【参考文献】
［１］胡平，李运星，柳玉起，连建设．冲压件成形与模具设计数值仿真一体化技术，塑性力学及其应用，北京理工大学出版社，1999．
［２］马又鸣，陈大融，潘旭峰，毕攻，乔念东．车身覆盖件成形过程计算机仿真的研究，模具工业，1999.No.4．
［３］钟志华，李光耀．薄板冲压成形过程的计算机仿真与应用.北京理工大学 出版社，1998．
［４］王晓林，周贤宾．金属板弹塑性非圆弧弯曲回弹的计算，塑性工程学报，V01.3No.4 1996．