第３２卷第６期
Ｖｏ】３２
Ｎｏ．５
饪尼技右
ＦＯＲＧＩＮＧ＆ＳＴＡＭＰＩＮＧＴＫＣＨＮＯＬＯＧＹ
２００７年１０月
ｏＣｔ．
２００７
：罐蒸ｉ
补偿回弹的冲压件模具设计方法＋
李文平“。，边文德’，聂绍珉１．郭宝嶂１．金淼１
（１．燕Ｉｌ『大学机械上程学院．河北秦皇岛０６６００４；２．东方电机股份有限公司，四川德阳６】８０００）
摘要：网掸是金属板料冲压中的主要缺陷之・，它可以通过修正模具形状加以解决。基于对经过成形——回弹的有限元数值模拟．提出一种循环位移补偿叫弹修正模具型丽的方法。它基于对经过成形——回弹有限兀数值模拟得到的成形上件与目标Ｔ件多次循环比较，用成彤上件结点回弹位移修正实验模具形状，直到利用修正的模具能够
获得满意的工件为止。甭Ⅱ用此方法对－４，型二维铝合金板料冲压工件的冲压模具设讣过程进行了数值模拟，结果
表明，通过两次修正的模具可获得满意Ｔ：件：并根据模拟得到的型面制作模具进行了实冲实验．证明此补偿回弹的
模具修Ⅱ：法是有效的。
美键词：回弹补偿；模具设计；板料冲压；数值模拟中图分类号：ＴＧ３８６．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３９４０（２００７）０５－００８６—０６
Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｓｔａｍｐｉｎｇｗｏｒｋｐｉｅｃｅｗｉｔｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ
ＵＷｅｗｐｍｇ’，ＢｉａｎＷｅｎ－ｄｅ’，ＮＩＥ２．Ｄｏｎｇｉａｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐａｒｔｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓｓｈｅｅｔ
Ｓｈａｏ．ｍｉｎｌ，ＧＵＯ
Ｂ｛ＩｏｈｆｅＩ酵，Ｊ矾Ｍｊａ０１
０６６００４，Ｃｈｉｎａ；
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｌｎｈｕａｎｇｄａｏ
ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｅｙａｎｇ
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６１８０００，Ｃｈｉｎａ）
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ｄｉｅｄｅｓｉｇｍｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｓｔａｍｐｉｎｇ：；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
随着计算机硬件和软件技术的提高，使有限元数值模拟技术成功地应用到薄板成形领域，能够比
板料冲压成形后存在回弹，回弹是冲压生产中的主要缺陷之一。合理地设计模具是减小回弹的有效方法口一。传统的任意三维型面的成形，在补偿回弹变形时一般仍采用“试锆法”（ｔｒｉａｌ—ａｎｄ
ｅｒｒｏｒ）。
较准确地预测冲压件成形中的各种缺陷。如果板料成形回弹预测准确，并且采用数值迭代方法完成补偿过程的时间少于现在实际生产中采用的“试错法”，那么采用数值模拟方法将夫人节约模具开发资金和缩短新产品研发周期［３。
本文提出基于数值模拟迭代过秽的”循环位移补偿”设计模具方法，并将其应用于叫、型铝合金三维板料成形的模具补偿过程；通过多次循环计算得出合理的模具形状，最终获得形状精度高的工件。
这种方法需要操作者有很高的技能和丰富的经验．
并Ｆｔ戚功与否伴有一定的偶然性。对复杂的铝车身
覆盖件，在模具试制阶段仅为补偿回弹的修模时间就需半年多［２］。所以，传统的“试错法”耗费了大
量的财力和时间。
＊围家自然科学基金资助项目（５０３０５０３１）；华Ｉ扣科技大学塑性成形模拟驶模具技术国家再点实验室开放基金资助项Ｉ：１（０４—０４）；河北省教育厅科研项目（０５一０４）；燕山大学博士基金资助项Ｒ（０６—９）＊＊男，３９岁，博士，副教授收稿日期：２００６
１
２基于数值模拟补偿回弹的循环位移
补偿法
“循环位移补偿”的模具设计力法就是利用有限元数值模拟计算回弹量束修正模具型面，其步骤
２－０６；修订阿期：２００７－０３—０８
万方数据
第５期李文平等：补偿ｌ壁｜弹的冲压件模具设计方法
是：从初定的模具型面的结点位移反向减去模拟计算的相臆结点回弹量，得到用于补偿回弹的模具型面。金属板料首先用试探模具（对于第一次循环．试探模具形状和工件相同）成形，计算成形回弹后的工件形状。此工件与目标工件比较，如果存在的形状误差超出容许值，就从模具形状中减去形状误差，得到新的模具型面。在Ｆ一循环中，金属板料将用这一新的试探模具型面成形。如果成形工件的形状与目标工件误差仍超出容许值，将再次从试探模具型面反向减去这一循环的形状误差，得到更新的模具型面，进入下…循环，直到成形的工件形状
满足要求。
具体计算过程为：首先按目标工件形状建立凸凹模型面，应用软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ动态显式模拟簿板成形；把成形前板料的单元结点坐标及成形分析得到的冲压件成形后的结点位移分别存人数据文件ｓｈｅｅｔ．ｄａｔ和｛ｏｒｍ．ｄａｔ，把数据文件ｆｏｒｍ．ｄａｔ和数据文件ｓｈｅｅｔ．ｄａｔ相加可得到目标工件的结点坐标数据文件ｐａｒｔ．ｄａｔ；把动态姥式模拟得到的、保存有几何形状和应力的成形工件用静态隐式进行卸载过程模拟，得到的结点回弹位移存人数据文件ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ．ｄａｔ，把ｐａｒｔ．ｄａｔ和ｓｐｒｉｎｇ—ｂａｃｋ．ｄａｔ的相应结点位移坐标数据相加，得到成形回弹后的工件形状结点坐标，存人数据文件ｒｔｅｗ－ｐａｒｔ．ｄａｔ；比较文件ｐａｒｔ．ｄａｔ和ｎｅｗｐａｒｔ．ｄａｔ，即可得出试冲工件与目标工件的型面误差；如果试冲工件与目标工件的型面误差较大，将从ｎｅｗｐａｒｔ．ｄａｔ按一定比例减去ｓｐｒｉｎｇｂａｅｋ．ｄａｔ，得到考虑回弹后应成形的工件形状文件ｎｅｗｆｏｒｍ．ｄａｔ。
为建立新的冲压模具形状，在三维ＣＡＤ软件ＵＧ中利用ｎｅｗｆｏｒｍ．ｄａｔ中工件坐标点云生成有实际板厚的片体，拾取片体的部分表面通过偏移生成模具型面。把得到的新模具型面数据文件以ＩＧＥＳ格式存储转人到分析软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ中，
进行新的成形——回弹一一误差分析过程。下面就
这种基于回弹预测的模具型面设计的过程和效果给
出一个算例。
３数值模拟补偿回弹的模具型面设计
算例
３．１有限元模型
模拟的冲压工件如图１所示，具有以下特点：（１）工件曲率小，成形时塑性变形不充分，回弹较大；（２）工件尺寸小（坯料尺寸１００
ｍｍＸ８０
ｍ），
万
方数据可缩短数值模拟计算过程迭代时间，便Ｊ二在配置低的微机上短时间内完成；（３）会属板料成形利，在压边区域不会出现褶皱，可避免分析褶皱问题；（４）ＹＺ截面呈Ｕ型，冲压件底部平面与压料面曲率相同，钡《壁部分与Ｘｙ平面有一定夹角。
图ｌ三维零件图
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔ
ｓｈａｐｅ
由于工件形状对称，在丁件截面Ａ
Ｂ（ｘ－－ｏ）
处和截面Ａ—Ｃ（ｚ—ｏ）处的二维形状可代表整个三维形状，如图２和图３所示，且有限元模型取整体的１／４，如图４所示。单元类型为ＢＴ壳单元，板料单元尺寸为１．０
ｍｍＸ１．０
ｎｌｒｌｌ，板厚方向积允点数
为５个，圆角处单元数为７个，应用３参数Ｂａｒｌａｔ屈服准则Ｒ一“。板料选用东北轻合金的铝板５７５４Ｍ，其成分
及单向拉伸实验得到的材料陆能参数见表１及表２。
圈２工件Ａ—Ｂ截面形状
Ｆｉｇ．２Ａ
Ｂ
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｓｈａｐｅｏｆｔｈｅ
ｐａｒｔ
品，咖ｎ
图３上件Ａ
ｃ截面形状
Ｆｉｇ．３
Ａ
Ｃｓｅｃｔｉｏｎｓｈａｐｅｏｆｃｈｅ
ｐａｒｔ
锻
骶
技术第３２卷
图４成形模具和板料的有限元模到
Ｆｉｇ
４
Ｆｉｎｉｔｅｃｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅ！ｏｆｆｏｒｍｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｔｈｅ８ｈｅｅｔ
表１
５７５４Ｍ的化学成分
Ｔａｂｌｅ１
Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐ％ｉｔｉｏｎｏｆ５７５４Ｍｓｈｅｅｔ
表２
５７５４Ｍ板科的性能参数
Ｔａｂｌｅ２
Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ５７５４Ｍｓｈｅｅｔ
３．２循环计算及结果
首先，对该冲压件进行成形
一回弹的有限元
数值模拟。模具形状和目标工件匹配，完全成形时的冲压件如图５所示。冲压件的回弹预测结果如图６所示，从图中可以看出，回弹变形很不均匀，工件上Ｄ处的回弹变形最大，可达０．７２１ＴＬｑｌ；翼边ＢＤ和ＣＤ回弹较大，回弹量沿ＢＤ边由Ｂ点的
０．１
ｍｍ到Ｄ点增大至０．７２ｍｍ，ＣＤ边回弹变形量
万
方数据在０．５～０．７２ｍ１范围；而ＡＣ和ＡＢ回弹变形较
小。成形１二件与目标工件在Ａ
Ｂ、Ｃ—Ｄ、Ａ—Ｃ
和Ｂ
Ｄ截面处的偏差如图７和图８所示。日标工
件和回弹后的工件形状对比如网９所示（为便于观察，此图的观察点取的是后侧）。
囤５成形工件（１１４）
Ｆｉｇ．５
Ｆｏｒｍｅｄｐａｒｔ（１／４）
图６回弹位移
Ｆ１舒６
Ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
网７第次循环的工件与目标Ｔ件在
Ａ
８和ｃ—Ｄ截面的尺寸偏差
Ｆｉｇ７
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｐａｒｔ
ｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅａｎｄ１ｈｅ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡＢａｎｄ
ｓｅｃｔｉｏｎ
Ｃ—Ｄ
其次，为了减小工件的形状误差，根据回弹计算结果对模具形状进行了两次修正，分别在三维建模软件ＵＧ中将回弹变形按５０％和７０％比例反向施加到工件模型的结点坐标上，得到修正后的工件形状点云，该点云在ＵＧ中被用来生成片体。由于在
ＵＧ中利用结点坐标点云形成片体时，需要使用剪
第５期李文平等：补偿回弹的冲压件模具设计方法
图８第‘蒎循环的Ｔ件与目标工件在
Ａ
Ｃ和Ｂ—Ｄ截面的尺寸偏差
Ｆｉｇ．８
Ｅｋ－ｖｉａｔｉｏｒｌｏｆｔｈｅｐａｒｔ。ｒｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅａｎｄｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡＣａｎｄｓｅｃ＇ｄｏｎＢ
Ｄ
图ｇ第次循环的工件、目标１＿『＝＿件和修正后的模具型面
Ｆｉｇ
９
Ｐａｒｔｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅ，Ｌｎｒｇｅ｜ｔｐａｎ
ａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｅｄｐｕｎｃｈｐｒｏｆｄｅ
切面把点云外的多余片体部分剪除掉，在ＣＡＤ模型中会留有多余的剪切线；同时．在补齐凹模圆角和板料支撑面时，面与面之间的边线不一定共享，
所以为了便于划分单元网格，有必要把ＣＭ）模型
中多余的缓删除掉，一般采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ处理ｊ“”。但由于本算例ＣＡＤ模型较简单，是在ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ前处理中对ＣＡＤ模型进行处理，再补上板料的模型，就得到了完整的ＣＡＤ模型。
得到修正后的冲压件形状，然后对此工件形状向上偏移１个板料厚度（模具采用刚性壳单元划分，单元厚度和板料厚度相同。）得到凸模形状，并上移１个冲压行程确定凸模位置；对工件形状向下偏移１个板料厚度，得到凹模形状；补齐凹模圆角和板料支撑面，得到模具型面（图１０），最后以ＩＧＥＳ文件记录，作为下一次成形回弹循环模拟计算的模具ＣＡＤ模型。
在建立了ＣＡＤ模型后，建立有限元模型，进行下一次成形——回弹模拟计算。计算表明，本算例仅需要三次循环、两次补偿修正就使得到的模具型面成形的工件与目标工件的误差非常小。第三次循环计算得到的＿Ｉ＝件与目标工件及采用的模具型面
在Ａ—Ｂ、Ａ—Ｃ、Ｂ一＿Ｄ和Ｃ—Ｄ截面处的偏差如
万
方数据图ｌｏ由第次循环所得回弹结果修正的模具
Ｆｉｇ
１０
Ｍｏｄｉｆｉｅｄｐｕｎｃｈｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｓｐｒｉｎｇｈａｃｋｏｆｔｈｅ『ｊ
ｒｓｌ
ｃｙｃｌｅ
图１１和图１２所示。町以看出，所得工件的形状尺寸偏差显著降低，最大偏差处（Ｄ点）仅为
０．１
ｎ，ｍ。所得工件与目标工件型面吻合的非常好，
如图１３所示。
罔１ｌ第二次循环的工件与目标工件存
Ａ—Ｂ和ｃ—Ｄ截面的尺寸偏蔗
Ｆｉｇ．１１
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅａｎｄ
ｔｈｅｔｉｎ＇ｇｅｔｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡ—ＢａｎｄＣＤ
图１２第三次循环的上什与目标工件在
Ａ—ｃ和月Ｄ截面的尺寸偏黄
Ｆｉｇ１２
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｔｔｈｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅａｎｄ
ｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔ
ｉｎ￥ｅｃｔｉｏｔｔＡ—ＣａｎｄＢＤ
４实验验证
通过实验验证循环位移补偿法设计的模具补偿回弹的效果。制作两套模具，分别根据目标工件和反向补偿得到的模具型面的数模生成的数控代码在
数控铣床上加工得到，如图１４所示，由凸模、凹模
锻¨；
图１３第二次循环的工件、目标工件和模具型面
Ｆｉｇ．１３
Ｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅ，ｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔ
ａｎｄｔｈｅｐｕｎｃｈｐｒｏｆｉｌｅ
组成。在两套模具上各进行了８次实验，实验所得１件如图１５所示。
囤１４实验模具
Ｆｉｇ．１４
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｉｅ
图１５实验试件
Ｆｉｇ
１５
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
由于实验试件小，若在大吨位液压机上进行实验，位移控制不准确，且在成形工件上施加大的校正力，也不会出现预想的回弹，所以实验足在ＷＥ一１０８型材料实验机ｔ进行。ＷＥ一１０８型材料实验机的工作台和活动横粱无Ｔ型安装槽，ｎ凹模不能利用模架紧固在上面，所以仅设计加工了凸凹模。实验时，板料依靠模具上事先划好的线定位，而凸模的定位依靠在本身和板料上划的线与凹模对正。另外，为了对比采用三坐标划线测昔机测得的工件数据和数值模拟数据，测量的轨迹应和数值模拟时板料划分的结点对应。前面零件上ｃ—Ｊ！）截面和Ｂ～Ｄ截面也是节点的位置，但由于是零件的边界，实际上无法测得准确值，所以在实验前在板料上还
万
方数据技术第３２卷
划了便于三嫩标测量的轨迹线，靠近试件边界划线的位置分别离边界是５个和３个单元格，见图ｌ中
的ＥＦ和ＦＧ线。
冲压实验过程如图１６所示。
图１６赏冲过程
Ｆｉｇ．１６
Ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｓｔａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
用三坐标测量机对冲压试件进行了测量，测量
结果如图１７和图１８所示。
图１７经补偿和末经补偿的模具得到的工件
与目标工件在Ａ—Ｅ和Ｆ—Ｇ截面比较
Ｆｉｇ。１７
Ｃｏｍｐａ—ｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔ
ａｎｄｔｈｅ
ｐａｒｔ
Ｒｏｔ
ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｎｄｕｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｃｄｄｉｅｓｉｎｓｅｃｔｉｏｎＡ
ＥａｎｄＦ—Ｇ
从测量的数据可以看出，经补偿的模具所得工件的测量结果与目标工件非常接近，而依据ＥＩ标工件制作的模具得到的工件却与目标工件在这几个截面处相差较大，回弹变形很大。未经补偿的模具得
到的工件在Ａ—Ｅ、Ｅ
Ｆ和Ｆ
Ｇ截而最大误差分
别为０．１４，０．４０和０．３８ｍｍ；而补偿后得到的工件与目标工件在Ａ
Ｅ、Ｅ
Ｆ和Ｆ—Ｇ截面最大误差
分别为０．０４，０．１４和０．１０ｒｉｌｎｌ；由于Ａ—Ｇ截面成形充分，回弹量小，补偿也小，所以补偿前后与目标工件误差很小。
因此，可以说经过三次模拟循环和两次修正所
第５期李文平等：补偿同弹的冲压件模具没计方法
小型三维弯曲冲压件的模具型面进行了设计。数值模拟和实验结果证明，这种模具设计方法对纠正冲压件回弹误差非常有效。
参考文献
Ⅲ
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圈
图１８经补偿和末经补偿的模具得到的工件
与Ｅｌ标工件在Ｆ
Ｆｉｇ１８
Ｆ、Ａ
Ｇａｎ
Ｗ，ＷａｇｏｎｅｒＲＨ．Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｈｅｅｔｓｐｒｉｎｇ—
ｂａｃｋ［Ｊ］ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａＤｉｃａｌＳｃｉｅｎｏｅｓ，２００４．
４６：１０９７—１】Ｉ
ｐａｒｔｇｏｔｉｎ
３．
Ｇ截面比较
ｐａｒｔ
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ａｎｄｔｈｅ
嘲
王昶，何玉林，胡亚民，等轿车车身覆盖件冲压模具丁艺补充匝设计与血用［』ｊ．锻压技术，２００６，３１（５）；［００—
１０３
ｔｈｍｎｇｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｎｄｕｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｄｉｅｓ
ｓｅｃｌｉｏｎ
Ｅ—ＦａｎｄＡ—Ｇ
得模具型面加工出的工件精度已经大大提高，同时说明采用循环位移补偿法来修正模具型面补偿回弹误差是可行的。
田
ＢａＨａｔＦ，ＤａｎｉｅｌＪ
ｔｉｏｎ
Ｌ，ＪｏｈｎＣＨＡｓｉｘ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｙｉｃｌｄｆｕｎｃ—
ｆｏｒａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ
２．
ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］ＩｎｔＪ．０ｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ，１９９１，
７：６９３—７１
引
ＧｈｕＥ．ＳｈａｈＫＮ，ＰｏｕｒｈｏｇｈｒａｔＦＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｒａｎｓｏｆ７４３—７５５
ａｔ
Ａｌｃｏａ：Ｊ］ＳＡＥ
９３０５２３：
５结论
提出了一种基于数值模拟预测回弹的冲压件模具设计方法，即冲压件ＣＡＤ模型——冲压模具ＣＡＤ模型——冲压模具ＣＡＥ模型——能够进行回弹变形补偿的冲压模具ＣＡＥ模型——符合设计要求的模具ＣＡＤ模型的设计过程。利用此方法对一
啊
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，１９９３，Ｎｏ
洲
林忠铰，李椒慧，于忠奇，等．车身覆盖件冲压成形仿真ＥＭ２．ＪＥ京：机械工业出版社，２００４．
于开平．周传月，谭惠丰Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ从ｄｒｆ］到精通［Ｍ］
北京：科学出版社，２００５．
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万方数据
第３２卷第６期
Ｖｏ】３２
Ｎｏ．５
饪尼技右
ＦＯＲＧＩＮＧ＆ＳＴＡＭＰＩＮＧＴＫＣＨＮＯＬＯＧＹ
２００７年１０月
ｏＣｔ．
２００７
：罐蒸ｉ
补偿回弹的冲压件模具设计方法＋
李文平“。，边文德’，聂绍珉１．郭宝嶂１．金淼１
（１．燕Ｉｌ『大学机械上程学院．河北秦皇岛０６６００４；２．东方电机股份有限公司，四川德阳６】８０００）
摘要：网掸是金属板料冲压中的主要缺陷之・，它可以通过修正模具形状加以解决。基于对经过成形——回弹的有限元数值模拟．提出一种循环位移补偿叫弹修正模具型丽的方法。它基于对经过成形——回弹有限兀数值模拟得到的成形上件与目标Ｔ件多次循环比较，用成彤上件结点回弹位移修正实验模具形状，直到利用修正的模具能够
获得满意的工件为止。甭Ⅱ用此方法对－４，型二维铝合金板料冲压工件的冲压模具设讣过程进行了数值模拟，结果
表明，通过两次修正的模具可获得满意Ｔ：件：并根据模拟得到的型面制作模具进行了实冲实验．证明此补偿回弹的
模具修Ⅱ：法是有效的。
美键词：回弹补偿；模具设计；板料冲压；数值模拟中图分类号：ＴＧ３８６．４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３９４０（２００７）０５－００８６—０６
Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｓｔａｍｐｉｎｇｗｏｒｋｐｉｅｃｅｗｉｔｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ
ＵＷｅｗｐｍｇ’，ＢｉａｎＷｅｎ－ｄｅ’，ＮＩＥ２．Ｄｏｎｇｉａｎｇ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐａｒｔｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｉｓｓｈｅｅｔ
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０６６００４，Ｃｈｉｎａ；
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｓｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｌｎｈｕａｎｇｄａｏ
ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｅｙａｎｇ
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６１８０００，Ｃｈｉｎａ）
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ｄｉｅｄｅｓｉｇｍｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｓｔａｍｐｉｎｇ：；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
随着计算机硬件和软件技术的提高，使有限元数值模拟技术成功地应用到薄板成形领域，能够比
板料冲压成形后存在回弹，回弹是冲压生产中的主要缺陷之一。合理地设计模具是减小回弹的有效方法口一。传统的任意三维型面的成形，在补偿回弹变形时一般仍采用“试锆法”（ｔｒｉａｌ—ａｎｄ
ｅｒｒｏｒ）。
较准确地预测冲压件成形中的各种缺陷。如果板料成形回弹预测准确，并且采用数值迭代方法完成补偿过程的时间少于现在实际生产中采用的“试错法”，那么采用数值模拟方法将夫人节约模具开发资金和缩短新产品研发周期［３。
本文提出基于数值模拟迭代过秽的”循环位移补偿”设计模具方法，并将其应用于叫、型铝合金三维板料成形的模具补偿过程；通过多次循环计算得出合理的模具形状，最终获得形状精度高的工件。
这种方法需要操作者有很高的技能和丰富的经验．
并Ｆｔ戚功与否伴有一定的偶然性。对复杂的铝车身
覆盖件，在模具试制阶段仅为补偿回弹的修模时间就需半年多［２］。所以，传统的“试错法”耗费了大
量的财力和时间。
＊围家自然科学基金资助项目（５０３０５０３１）；华Ｉ扣科技大学塑性成形模拟驶模具技术国家再点实验室开放基金资助项Ｉ：１（０４—０４）；河北省教育厅科研项目（０５一０４）；燕山大学博士基金资助项Ｒ（０６—９）＊＊男，３９岁，博士，副教授收稿日期：２００６
１
２基于数值模拟补偿回弹的循环位移
补偿法
“循环位移补偿”的模具设计力法就是利用有限元数值模拟计算回弹量束修正模具型面，其步骤
２－０６；修订阿期：２００７－０３—０８
万方数据
第５期李文平等：补偿ｌ壁｜弹的冲压件模具设计方法
是：从初定的模具型面的结点位移反向减去模拟计算的相臆结点回弹量，得到用于补偿回弹的模具型面。金属板料首先用试探模具（对于第一次循环．试探模具形状和工件相同）成形，计算成形回弹后的工件形状。此工件与目标工件比较，如果存在的形状误差超出容许值，就从模具形状中减去形状误差，得到新的模具型面。在Ｆ一循环中，金属板料将用这一新的试探模具型面成形。如果成形工件的形状与目标工件误差仍超出容许值，将再次从试探模具型面反向减去这一循环的形状误差，得到更新的模具型面，进入下…循环，直到成形的工件形状
满足要求。
具体计算过程为：首先按目标工件形状建立凸凹模型面，应用软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ动态显式模拟簿板成形；把成形前板料的单元结点坐标及成形分析得到的冲压件成形后的结点位移分别存人数据文件ｓｈｅｅｔ．ｄａｔ和｛ｏｒｍ．ｄａｔ，把数据文件ｆｏｒｍ．ｄａｔ和数据文件ｓｈｅｅｔ．ｄａｔ相加可得到目标工件的结点坐标数据文件ｐａｒｔ．ｄａｔ；把动态姥式模拟得到的、保存有几何形状和应力的成形工件用静态隐式进行卸载过程模拟，得到的结点回弹位移存人数据文件ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ．ｄａｔ，把ｐａｒｔ．ｄａｔ和ｓｐｒｉｎｇ—ｂａｃｋ．ｄａｔ的相应结点位移坐标数据相加，得到成形回弹后的工件形状结点坐标，存人数据文件ｒｔｅｗ－ｐａｒｔ．ｄａｔ；比较文件ｐａｒｔ．ｄａｔ和ｎｅｗｐａｒｔ．ｄａｔ，即可得出试冲工件与目标工件的型面误差；如果试冲工件与目标工件的型面误差较大，将从ｎｅｗｐａｒｔ．ｄａｔ按一定比例减去ｓｐｒｉｎｇｂａｅｋ．ｄａｔ，得到考虑回弹后应成形的工件形状文件ｎｅｗｆｏｒｍ．ｄａｔ。
为建立新的冲压模具形状，在三维ＣＡＤ软件ＵＧ中利用ｎｅｗｆｏｒｍ．ｄａｔ中工件坐标点云生成有实际板厚的片体，拾取片体的部分表面通过偏移生成模具型面。把得到的新模具型面数据文件以ＩＧＥＳ格式存储转人到分析软件ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ中，
进行新的成形——回弹一一误差分析过程。下面就
这种基于回弹预测的模具型面设计的过程和效果给
出一个算例。
３数值模拟补偿回弹的模具型面设计
算例
３．１有限元模型
模拟的冲压工件如图１所示，具有以下特点：（１）工件曲率小，成形时塑性变形不充分，回弹较大；（２）工件尺寸小（坯料尺寸１００
ｍｍＸ８０
ｍ），
万
方数据可缩短数值模拟计算过程迭代时间，便Ｊ二在配置低的微机上短时间内完成；（３）会属板料成形利，在压边区域不会出现褶皱，可避免分析褶皱问题；（４）ＹＺ截面呈Ｕ型，冲压件底部平面与压料面曲率相同，钡《壁部分与Ｘｙ平面有一定夹角。
图ｌ三维零件图
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔ
ｓｈａｐｅ
由于工件形状对称，在丁件截面Ａ
Ｂ（ｘ－－ｏ）
处和截面Ａ—Ｃ（ｚ—ｏ）处的二维形状可代表整个三维形状，如图２和图３所示，且有限元模型取整体的１／４，如图４所示。单元类型为ＢＴ壳单元，板料单元尺寸为１．０
ｍｍＸ１．０
ｎｌｒｌｌ，板厚方向积允点数
为５个，圆角处单元数为７个，应用３参数Ｂａｒｌａｔ屈服准则Ｒ一“。板料选用东北轻合金的铝板５７５４Ｍ，其成分
及单向拉伸实验得到的材料陆能参数见表１及表２。
圈２工件Ａ—Ｂ截面形状
Ｆｉｇ．２Ａ
Ｂ
ｓｅｃｔｉｏｎ
ｓｈａｐｅｏｆｔｈｅ
ｐａｒｔ
品，咖ｎ
图３上件Ａ
ｃ截面形状
Ｆｉｇ．３
Ａ
Ｃｓｅｃｔｉｏｎｓｈａｐｅｏｆｃｈｅ
ｐａｒｔ
锻
骶
技术第３２卷
图４成形模具和板料的有限元模到
Ｆｉｇ
４
Ｆｉｎｉｔｅｃｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅ！ｏｆｆｏｒｍｉｎｇｔｏｏｌｓａｎｄｔｈｅ８ｈｅｅｔ
表１
５７５４Ｍ的化学成分
Ｔａｂｌｅ１
Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐ％ｉｔｉｏｎｏｆ５７５４Ｍｓｈｅｅｔ
表２
５７５４Ｍ板科的性能参数
Ｔａｂｌｅ２
Ｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ
ｏｆ５７５４Ｍｓｈｅｅｔ
３．２循环计算及结果
首先，对该冲压件进行成形
一回弹的有限元
数值模拟。模具形状和目标工件匹配，完全成形时的冲压件如图５所示。冲压件的回弹预测结果如图６所示，从图中可以看出，回弹变形很不均匀，工件上Ｄ处的回弹变形最大，可达０．７２１ＴＬｑｌ；翼边ＢＤ和ＣＤ回弹较大，回弹量沿ＢＤ边由Ｂ点的
０．１
ｍｍ到Ｄ点增大至０．７２ｍｍ，ＣＤ边回弹变形量
万
方数据在０．５～０．７２ｍ１范围；而ＡＣ和ＡＢ回弹变形较
小。成形１二件与目标工件在Ａ
Ｂ、Ｃ—Ｄ、Ａ—Ｃ
和Ｂ
Ｄ截面处的偏差如图７和图８所示。日标工
件和回弹后的工件形状对比如网９所示（为便于观察，此图的观察点取的是后侧）。
囤５成形工件（１１４）
Ｆｉｇ．５
Ｆｏｒｍｅｄｐａｒｔ（１／４）
图６回弹位移
Ｆ１舒６
Ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ
网７第次循环的工件与目标Ｔ件在
Ａ
８和ｃ—Ｄ截面的尺寸偏差
Ｆｉｇ７
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｐａｒｔ
ｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅａｎｄ１ｈｅ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡＢａｎｄ
ｓｅｃｔｉｏｎ
Ｃ—Ｄ
其次，为了减小工件的形状误差，根据回弹计算结果对模具形状进行了两次修正，分别在三维建模软件ＵＧ中将回弹变形按５０％和７０％比例反向施加到工件模型的结点坐标上，得到修正后的工件形状点云，该点云在ＵＧ中被用来生成片体。由于在
ＵＧ中利用结点坐标点云形成片体时，需要使用剪
第５期李文平等：补偿回弹的冲压件模具设计方法
图８第‘蒎循环的Ｔ件与目标工件在
Ａ
Ｃ和Ｂ—Ｄ截面的尺寸偏差
Ｆｉｇ．８
Ｅｋ－ｖｉａｔｉｏｒｌｏｆｔｈｅｐａｒｔ。ｒｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅａｎｄｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡＣａｎｄｓｅｃ＇ｄｏｎＢ
Ｄ
图ｇ第次循环的工件、目标１＿『＝＿件和修正后的模具型面
Ｆｉｇ
９
Ｐａｒｔｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｃｙｃｌｅ，Ｌｎｒｇｅ｜ｔｐａｎ
ａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｅｄｐｕｎｃｈｐｒｏｆｄｅ
切面把点云外的多余片体部分剪除掉，在ＣＡＤ模型中会留有多余的剪切线；同时．在补齐凹模圆角和板料支撑面时，面与面之间的边线不一定共享，
所以为了便于划分单元网格，有必要把ＣＭ）模型
中多余的缓删除掉，一般采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ处理ｊ“”。但由于本算例ＣＡＤ模型较简单，是在ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ前处理中对ＣＡＤ模型进行处理，再补上板料的模型，就得到了完整的ＣＡＤ模型。
得到修正后的冲压件形状，然后对此工件形状向上偏移１个板料厚度（模具采用刚性壳单元划分，单元厚度和板料厚度相同。）得到凸模形状，并上移１个冲压行程确定凸模位置；对工件形状向下偏移１个板料厚度，得到凹模形状；补齐凹模圆角和板料支撑面，得到模具型面（图１０），最后以ＩＧＥＳ文件记录，作为下一次成形回弹循环模拟计算的模具ＣＡＤ模型。
在建立了ＣＡＤ模型后，建立有限元模型，进行下一次成形——回弹模拟计算。计算表明，本算例仅需要三次循环、两次补偿修正就使得到的模具型面成形的工件与目标工件的误差非常小。第三次循环计算得到的＿Ｉ＝件与目标工件及采用的模具型面
在Ａ—Ｂ、Ａ—Ｃ、Ｂ一＿Ｄ和Ｃ—Ｄ截面处的偏差如
万
方数据图ｌｏ由第次循环所得回弹结果修正的模具
Ｆｉｇ
１０
Ｍｏｄｉｆｉｅｄｐｕｎｃｈｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｓｐｒｉｎｇｈａｃｋｏｆｔｈｅ『ｊ
ｒｓｌ
ｃｙｃｌｅ
图１１和图１２所示。町以看出，所得工件的形状尺寸偏差显著降低，最大偏差处（Ｄ点）仅为
０．１
ｎ，ｍ。所得工件与目标工件型面吻合的非常好，
如图１３所示。
罔１ｌ第二次循环的工件与目标工件存
Ａ—Ｂ和ｃ—Ｄ截面的尺寸偏蔗
Ｆｉｇ．１１
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅａｎｄ
ｔｈｅｔｉｎ＇ｇｅｔｐａｒｔｉｎ
ｓｅｃｔｉｏｎＡ—ＢａｎｄＣＤ
图１２第三次循环的上什与目标工件在
Ａ—ｃ和月Ｄ截面的尺寸偏黄
Ｆｉｇ１２
Ｄｅｖｉａｔｉｏｎｏｔｔｈｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅａｎｄ
ｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔ
ｉｎ￥ｅｃｔｉｏｔｔＡ—ＣａｎｄＢＤ
４实验验证
通过实验验证循环位移补偿法设计的模具补偿回弹的效果。制作两套模具，分别根据目标工件和反向补偿得到的模具型面的数模生成的数控代码在
数控铣床上加工得到，如图１４所示，由凸模、凹模
锻¨；
图１３第二次循环的工件、目标工件和模具型面
Ｆｉｇ．１３
Ｐａｒｔｏｆｔｈｅｔｈｉｒｄｃｙｃｌｅ，ｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ｐａｒｔ
ａｎｄｔｈｅｐｕｎｃｈｐｒｏｆｉｌｅ
组成。在两套模具上各进行了８次实验，实验所得１件如图１５所示。
囤１４实验模具
Ｆｉｇ．１４
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｉｅ
图１５实验试件
Ｆｉｇ
１５
Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
由于实验试件小，若在大吨位液压机上进行实验，位移控制不准确，且在成形工件上施加大的校正力，也不会出现预想的回弹，所以实验足在ＷＥ一１０８型材料实验机ｔ进行。ＷＥ一１０８型材料实验机的工作台和活动横粱无Ｔ型安装槽，ｎ凹模不能利用模架紧固在上面，所以仅设计加工了凸凹模。实验时，板料依靠模具上事先划好的线定位，而凸模的定位依靠在本身和板料上划的线与凹模对正。另外，为了对比采用三坐标划线测昔机测得的工件数据和数值模拟数据，测量的轨迹应和数值模拟时板料划分的结点对应。前面零件上ｃ—Ｊ！）截面和Ｂ～Ｄ截面也是节点的位置，但由于是零件的边界，实际上无法测得准确值，所以在实验前在板料上还
万
方数据技术第３２卷
划了便于三嫩标测量的轨迹线，靠近试件边界划线的位置分别离边界是５个和３个单元格，见图ｌ中
的ＥＦ和ＦＧ线。
冲压实验过程如图１６所示。
图１６赏冲过程
Ｆｉｇ．１６
Ｐｒａｃｔｉｃｅ
ｓｔａｍｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ
用三坐标测量机对冲压试件进行了测量，测量
结果如图１７和图１８所示。
图１７经补偿和末经补偿的模具得到的工件
与目标工件在Ａ—Ｅ和Ｆ—Ｇ截面比较
Ｆｉｇ。１７
Ｃｏｍｐａ—ｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔｐａｒｔ
ａｎｄｔｈｅ
ｐａｒｔ
Ｒｏｔ
ｔｈｒｏｕｇｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｎｄｕｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｃｄｄｉｅｓｉｎｓｅｃｔｉｏｎＡ
ＥａｎｄＦ—Ｇ
从测量的数据可以看出，经补偿的模具所得工件的测量结果与目标工件非常接近，而依据ＥＩ标工件制作的模具得到的工件却与目标工件在这几个截面处相差较大，回弹变形很大。未经补偿的模具得
到的工件在Ａ—Ｅ、Ｅ
Ｆ和Ｆ
Ｇ截而最大误差分
别为０．１４，０．４０和０．３８ｍｍ；而补偿后得到的工件与目标工件在Ａ
Ｅ、Ｅ
Ｆ和Ｆ—Ｇ截面最大误差
分别为０．０４，０．１４和０．１０ｒｉｌｎｌ；由于Ａ—Ｇ截面成形充分，回弹量小，补偿也小，所以补偿前后与目标工件误差很小。
因此，可以说经过三次模拟循环和两次修正所
第５期李文平等：补偿同弹的冲压件模具没计方法
小型三维弯曲冲压件的模具型面进行了设计。数值模拟和实验结果证明，这种模具设计方法对纠正冲压件回弹误差非常有效。
参考文献
Ⅲ
ＷｅｂｂＲＤ，ＨａｒｄｒＤＥ
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圈
图１８经补偿和末经补偿的模具得到的工件
与Ｅｌ标工件在Ｆ
Ｆｉｇ１８
Ｆ、Ａ
Ｇａｎ
Ｗ，ＷａｇｏｎｅｒＲＨ．Ｄｉｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｓｈｅｅｔｓｐｒｉｎｇ—
ｂａｃｋ［Ｊ］ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａＤｉｃａｌＳｃｉｅｎｏｅｓ，２００４．
４６：１０９７—１】Ｉ
ｐａｒｔｇｏｔｉｎ
３．
Ｇ截面比较
ｐａｒｔ
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ
ｔａｒｇｅｔ
ａｎｄｔｈｅ
嘲
王昶，何玉林，胡亚民，等轿车车身覆盖件冲压模具丁艺补充匝设计与血用［』ｊ．锻压技术，２００６，３１（５）；［００—
１０３
ｔｈｍｎｇｈｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄａｎｄｕｎｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｄｉｅｓ
ｓｅｃｌｉｏｎ
Ｅ—ＦａｎｄＡ—Ｇ
得模具型面加工出的工件精度已经大大提高，同时说明采用循环位移补偿法来修正模具型面补偿回弹误差是可行的。
田
ＢａＨａｔＦ，ＤａｎｉｅｌＪ
ｔｉｏｎ
Ｌ，ＪｏｈｎＣＨＡｓｉｘ－ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｙｉｃｌｄｆｕｎｃ—
ｆｏｒａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ
２．
ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］ＩｎｔＪ．０ｆＰｌａｓｔｉｃｉｔｙ，１９９１，
７：６９３—７１
引
ＧｈｕＥ．ＳｈａｈＫＮ，ＰｏｕｒｈｏｇｈｒａｔＦＴｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈｅｅｔｍｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｒａｎｓｏｆ７４３—７５５
ａｔ
Ａｌｃｏａ：Ｊ］ＳＡＥ
９３０５２３：
５结论
提出了一种基于数值模拟预测回弹的冲压件模具设计方法，即冲压件ＣＡＤ模型——冲压模具ＣＡＤ模型——冲压模具ＣＡＥ模型——能够进行回弹变形补偿的冲压模具ＣＡＥ模型——符合设计要求的模具ＣＡＤ模型的设计过程。利用此方法对一
啊
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，１９９３，Ｎｏ
洲
林忠铰，李椒慧，于忠奇，等．车身覆盖件冲压成形仿真ＥＭ２．ＪＥ京：机械工业出版社，２００４．
于开平．周传月，谭惠丰Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ从ｄｒｆ］到精通［Ｍ］
北京：科学出版社，２００５．
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《金属热处理》杂忐是中国热处理行业会刊，１９５８年创刊．１９７９年公开发行。本刊由北京机电研究所、中国热处理学会、
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０２５４
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