回彈現象是汽車覆蓋件成形過程中常見的缺陷，回彈效應使按照零件理論要求設計制造出來的模具，生產出來的零件不符合設計的要求。當采用鋁合金替代鋼材時，由于其彈性模量較小，沖壓成形后產生的回彈量比鋼制零件的回彈量大得多，因此，對鋁合金覆蓋件的回彈分析就尤為重要。本文采用DYNAFORM有限元軟件，對鋁合金汽車發動機外覆蓋件的沖壓回彈進行仿真分析，并探討了不同材料性能對回彈量的影響規律，為汽車覆蓋件選材提供材料性能參考。

材料模型和邊界條件

材料選用厚度為1.2mm的6016鋁合金，其材料性能見表1。材料本構模型采用Hill48屈服準則的正交各向異性材料模型。工具和板料采用BT殼單元進行幾何離散、網格進行自適應劃分，同時假定凸模、凹模、壓邊圈為剛體，板料采用等向指數強化模型。

在壓邊階段壓邊圈移動速度為3m/s，板料與凹模的摩擦系數為0.12，板料與壓邊圈的摩擦系數為0.12，模具間隙為1.32mm。沖壓進程凸模的運動速度為0.5m/s，壓邊力設定為2000kN。板料與凹模、凸模、壓邊圈的摩擦系數默認為0.12，模具間隙為1.32mm。回彈階段的板料自適應級數為1級。沖壓成形中，采用的是反向拉延，外板的下料尺寸如圖1所示。

圖1 外板下料尺寸

表1 板材材料性能

回彈仿真分析

回彈分析之前，需要先導入在拉延計算中生成的dynain文件，該文件中包含板料最后階段的變形網格和應力應變數據，在外板拉延仿真中考慮到模型對稱性和減少計算規模，只取一半模型進行計算。設定好約束位置（該位置的選擇應在遠離邊界和應力大的區域，對稱模型只需要在對稱邊界上選取兩個節點來進行約束）以排除剛體運動，約束點如圖2所示。

圖2 設定的約束點位置

圖2中分別約束了三個平動自由度和3個轉動自由度，從而約束了整個部件的剛體運動。在約束完節點，選定粗化網格模式以及選定單步回彈成形或多步回彈成形后，即可進行計算。回彈計算結果如圖3所示。

圖3 回彈計算結果云圖

從圖3中可以看出，最大回彈量出現在成形后板料的左右上端邊緣位置，最大回彈值為19.80mm。另外，在成形后板料左右下端邊緣位置也有較大的回彈量，達到了13mm以上。

回彈的影響因素

從以上分析中可以看出，外板回彈量最大位置均出現在成形后板料的左右上端邊緣位置。在不改變模具和沖壓工藝的前提下，研究了不同材料性能對回彈的影響程度，從而分析出對鋁合金回彈影響較大的材料參數，為廠家的改進提供參考。

為此，依據鋼材回彈經驗，選定對回彈影響較大的屈服強度、n值、r值三個材料性能因子對其進行分析。根據表2三種狀態的材料力學性能值，仿真分析時，以6016力學性能為基礎，分別設定不同的屈服強度、n值和r值進行模擬仿真分析。

表2 進行回彈分析的不同材料性能

屈服強度對沖壓回彈的影響

圖4～圖6中屈服強度為133.227MPa、139.085MPa和177.118MPa時，其最大回彈量分別為18.10mm、19.34mm和21.09mm。綜合以上分析，結合前面的仿真結果，可以得出：隨著屈服應力的增加，最大回彈量呈增大的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，屈服強度在133.227MPa至177.118MPa變動時，最大回彈量變動范圍為18.10～21.09mm。

圖4 屈服強度為133MPa的回彈

圖5 屈服強度為139MPa的回彈

圖6 屈服強度為177MPa的回彈

n值對沖壓回彈的影響

n值為0.192、0.226和0.26時，其最大回彈量分別為20.77mm、17.62mm和15.47mm。從圖7～圖9可以看出，隨著n值的增加，最大回彈量呈減小的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，n值在0.192至0.26之間變動時，最大回彈量變動范圍為15.47～20.77mm。

圖7 n=0.192的回彈云圖

圖8 n=0.226的回彈云圖

圖9 n=0.26的回彈云圖

r值對沖壓回彈的影響

圖10 r=0.565的回彈云圖

圖11 r=0.599的回彈云圖

圖12 r=0.619的回彈云圖

塑性應變比r值對鋁合金板材的回彈影響規律如圖10～圖12所示，r值為0.565、0.599和0.619時，其最大回彈量分別為27.20mm、24.09mm和26.00mm；隨著r值的變化，最大回彈量未出現明顯的單增或單減的趨勢；在材料其他性能不變的情況下，r值在0.565至0.619之間變動時，最大回彈量變動范圍為24.09～27.20mm。

結束語

6016鋁合金作為汽車覆蓋件外板時，由于較低的彈性模量和較大的彈性變形，變形后的回彈量比鋼制材料大，因此以鋁代鋼進行輕量化設計和制造時，針對鋁合金沖壓件的回彈補償和控制尤為重要。此外材料的基本力學性能對零件沖壓成形后的回彈量有很大影響，具體表現為：隨著屈服應力的增加，回彈量增大，回彈量最大位置均出現在成形后板料的左右上端邊緣位置；隨著n值的增加，回彈量最大值在減小；當6016鋁合金板材在合理的范圍內變動r值時，回彈量未出現明顯的變化趨勢。因此，在進行鋁合金選材或原材料生產控制時，從減小回彈量的角度出發，應盡量降低材料的屈服強度并增加材料的加工硬化指數。

本文節選自《鍛造與沖壓》第14期。