Analysis on Springback Simulation Distortion of Autobody Panel and Optimization of die Structure

YU Qiang1，CAI Yu-jun1,Qu Zhou-de 1，MIAO De-hua1，DUAN Lei1， XUE Yan-long2

1. Tianjin Key Laboratory of High Speed Cutting and Precision Machining, Tianjin University of Technology and Education，

Tianjin，China，300222

2. Tianjin Motor Dies Company Limited，Tianjin，China，300308

1. yuqiang95@yeah.net,

Abstract: A typical autobody panel of high strength sheet is simulated with DYNAFORM software. The simulation distortion is found from the comparison between the simulation results and measurement results. In consideration of the die structure intensity, the tryout parameters is compared with the simulation results. The results show that the flanging gap is the reason of the simulation distortion. The corrected simulation results got with the real flanging gap are close to the measurement results. The optimization of die structure is proposed.

Key words: Autobody panel；High strength sheet；Springback simulation

汽车覆盖件回弹模拟失真分析及模具结构优化

于强 1，蔡玉俊 1， 曲周德 1，苗德华 1，段磊 1，薛燕龙 2 1.天津职业技术师范大学天津市高速切削与精密加工重点实验室，天津，中国，300222

2.天津汽车模具股份有限公司，天津，中国，300308

1. yuqiang95@yeah.net,

【摘要】利用 DYNAFORM 软件对一种典型的高强钢板汽车覆盖件进行了数值模拟，与实际测量结果进行了对比，发现模拟结果有较大失真。考虑了模具结构强度，并对调试参数和数值模拟参数进行了比较。结果表明，翻边间隙是引起失真的原因。将实际的翻边间隙应用到数值模拟中，模拟计算结果与实际测量结果吻合较好。提出了模具结构优化的方案。

【关键词】汽车覆盖件；高强钢板；回弹计算

1 引言

汽车制造业作为国家的支柱产业之一，在国民经济

中具有举足轻重的地位。随着对汽车轻量化、节能环保

及安全性能的要求，越来越多的车身内外覆盖件，如加

强板、连接板等开始采用高强度钢板，精确的控制制件

的回弹量，成为高强钢板汽车覆盖件生产中的关键问题

[1,2]。为了缩短模具调试周期，利用制件回弹数值模拟计

算结果，进行模具型面回弹补偿再进行机械加工是模具

制造领域研究的热点之一[3,4]。

汽车零件回弹是复杂的系统工程，受材料参数、模

具参数、工艺参数、坯料等诸多因素的影响[5]，其中模

具结构是影响回弹的一个重要因素。当利用传统的模具

结构设计思路进行高强钢板制件模具设计时，不能满足

模具强度的设计要求，使得制件在冲压的过程中，与数

值模拟分析的状态不一致，造成前期成形模拟分析失

真，模具型面回弹补偿错误，造成了模具制造厂资金和

周期上损失。因此，避免模拟分析失真，成为模具制造

厂家一项重要技术攻关难题。

本文以某高强钢板汽车覆盖件为例，利用

DYNAFORM 软件对成形过程进行了数值模拟，与制件

实际测量结果进行对比，分析了调试参数和模具结构，

总结出提高翻边后回弹数值模拟精度的方法。

基金项目：天津市科技创新专项资金项目（08FDZDGX01900），天

津高校双五科技计划项目(SWPY20080003)，天津职业技术师范大学

科研发展基金项目（KJ2009001，KJ10-10） FUND: Special fund project of Tianjin Science and Technology Innovation（08FDZDGX01900），Two-Five College Tianjin science and technology projects(SWPY20080003)，Tianjin Polytechnic University Research Development Fund Project（KJ2009001，KJ10-10）.

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2 数值计算结果与实际测量结果对比分析

2.1 模型的建立与数值模拟结果

综合分析制件的特征，工序依次为拉延，修边，

翻边和冲孔，其中第一工序和第三工序为成型工序，

制件的 3D 数字模型和第一工序拉延模面如图 1 所示。

制件材料为 JAC500R-45/45，具体材料参数如表

1 所示，因零件完全对称，仅计算右件。根据上述条

件建立零件有限元模型。

a)

b)

Figure 1. 3D digital model and draw surface of a panel a) 3D digital

model; b) draw surface and section between drawing and flanging

图 1. 某车型零件 3D 数字模型及拉延模面: a) 3D 数字模型；

b) 拉延模面及翻边前后断面图

采用表 1 中的材料参数，杨氏模量 207GPa，泊松

比 0.3，利用 DYNAFORM 软件进行数值计算。板料

初始网格大小为 40mm，单元最多分裂 5 次，分裂判

断最小网格大小为 4mm，计算网格采用 16 号 shell 单

元，拉延时压边力为 5.5×105N，成型力 4×106N 依

次进行板料拉延成型、修边、翻边和回弹计算，其中

重点研究板料的回弹计算结果。

在实际生产中，模具第三工序的翻边间隙一般为

料厚 t。如果在调试模具时，制件翻边后发生回弹，常

使用减小翻边间隙的办法来控制回弹，一般间隙会减

小到 0.85t。因此在数值模拟时分别计算翻边间隙 0.85t

和 t 的两种情况。鉴于上述两种情况回弹趋势一致，

仅给出翻边间隙为 0.85t 时计算结果，如图 2 所示。

Table 1. Tryout material properties 表 1. 试模材料性能

屈服强度

σs/MPa

抗拉强度

σb/MPa

硬化指数

n

厚向异

性系数 r

料厚

t/mm

摩擦

系数μ

381 609 0.207 0.91 1.2 0.15

制件调试使用 600 吨单动压力机进行调试生产，

拉延压边力、成型力与数值模拟的设置一致，翻边工

序采用行程控制，保证翻边间隙。最终制件利用三坐

标测量机进行回弹值检测。得到的翻边后制件回弹检

测结果如图 3 所示。

Figure 2. Simulation result of springback after the panel flanged

图 2 翻边后零件回弹模拟结果

Figure 3. The springback checking result after the panel flanged

图 3 翻边后制件的回弹实际检测结果

翻边后

翻边前

点 1 点 2

点 3 点 4 点 5

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将两种翻边间隙下的回弹数值计算值和实际三坐

标检测值在重要检测点进行对比分析，检测点位置如

图 3 中点 1~点 5 所示，对比结果如表 2 所示。发现软

件计算值和实际回弹值有较大差异，并且模拟得到的

整个制件回弹趋势也与三坐标检测结果明显不同。排

查了模拟软件前处理参数、数据核对情况、调试设备

状态、模面研合着色状态、压力参数、板料参数后，

以上差别依然存在，即有限元模拟结果发生失真。

Table 2. The values comparison between simulation and checking（mm）

表 2. 回弹计算值和实际检测值比较（mm）

点 1 点 2 点 3 点 4 点 5

t 间隙计算值 9.5 8.9 2.6 1.9 1.1

0.85t 间隙计算值 9.8 9.1 2.9 2.3 1.4

实际检测值 3.9 4.7 4.5 7.4 10.6

2.2 翻边后回弹模拟计算失真原因分析

由于数值模拟算法回弹预测的精度问题[6]，首先

还是考虑有限元模拟软件回弹计算的准确度问题，

DYNAFORM 软件是业内常用的软件之一，其计算精

度也受到了广大模具制造厂家的认可，受到现阶段软

件计算精度的制约，计算的回弹值不可能 100%准确，

但回弹的趋势一般比较准确。数值模拟过程中各输入

参数，均为数值模拟与现场调试中长期相互印证得出

的经验值，计算结果可信度较高。本文数值模拟参数

均采用经验值。

软件在模拟的过程中，为了计算上的需要，存在

很多的假设，如工具完全刚性、材料库部分材料曲线

拟合为标准的幂指数函数等，但随着高强钢板的应用，

相对低碳钢冲压用模具，模具的实际强度能否满足数

值模拟中工具近似刚性的假设，需要在实际生产中进

行验证。

根据实际制件三坐标检测结果分析，回弹较大的

区域基本发生如图 1-b 所示的翻边前后有形状变化的

法兰边上，而对此区域回弹值起直接决定性作用的是

翻边工序，模具结构如图 4 所示。虚线为翻边分模线，

其左侧为压料芯，右侧为翻边镶块结构，翻边镶块高

度约为 110mm，镶块的厚度约为 62mm，镶块背后的

模具本体挡墙厚度为 50mm。相对于镶块厚度，翻边

深度很大，且冲压钢板为高强钢板，可能在翻边的过

程中，由于高强钢板的变形抗力，导致翻边镶块向外

侧变形使得翻边间隙变大，数值模拟参数已经与实际

情况不一致，造成软件计算结果失真。

为了得到制件在冲压过程中的翻边间隙，调试时

通过在制件侧壁上切除一部分材料，形成几个切口，

再将铅丝放在切除制件材料后留下的切口中进行冲

压，测量变形后铅丝的厚度，得到模具带制件翻边工

作时的实际间隙值范围为 1.2t~1.4t，即实际翻边间隙

比加工后的理论间隙值（理论间隙为料厚 t）要大，因

此模具工作的过程中，翻边镶块提供抵抗制件回弹变

形的力不足，不能有效的控制制件回弹。

翻边分模线

Figure 4. Part of the structure in flanging die

图 4 翻边工序模具局部结构

2.3 修正翻边回弹模拟计算结果

前文 2.1 中数值模拟采用加工后的理论间隙进行

计算，但模具实际工作间隙已经发生变化，需要进行

修正。初始条件不变，仅改变翻边间隙，分别取 1.2t

和 1.4t，重新进行数值模拟计算。鉴于上述两种情况

回弹趋势一致，仅给出翻边间隙为 1.4t 时计算结果，

如图 5 所示。

Figure 5. Simulation result of springback after flange gap changed

图 5 更改翻边间隙回弹模拟结果

同样将两种翻边间隙下的数值模拟值和实际三坐

标检测值在重要检测点进行对比分析，检测点位置与

图 3 中点 1~点 5 一致，回弹值对比结果如表 3 所示。

软件利用真实的翻边间隙进行分析后所得到的制件回

弹趋势与三坐标检测的制件实际回弹趋势一致，回弹

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数值上也与实际测量结果较为接近。

Table 3. The values comparison between simulation with new flanging gap and checking （mm）

表 3. 更改翻边间隙后回弹计算值和实际检测值比较（mm）

点 1 点 2 点 3 点 4 点 5

1.2t间隙计算值 4.0 4.2 5.4 6.0 7.0

1.4t间隙计算值 4.4 4.6 5.7 6.1 7.3

实际检测值 3.9 4.7 4.5 7.4 10.6

通过前文分析，翻边间隙 t 是影响制件回弹趋势

的重要参数，并以 t 为分界线显示两种截然不同的回

弹趋势。

3 模具结构优化

在汽车覆盖件模具的生产流程中，冲压工艺部门

首先进行制件成形性分析和回弹量预测，再由设计部

门进行模具结构设计和强度分析。正如前文 2.2 中的

分析，不合理的模具结构强度严重偏离了数值模拟中

的一些假设条件，造成数值模拟失真。为了减少模具

强度对模拟结果的影响，工艺和设计部门均要考虑模

具结构的优化问题。从工艺设计角度，需要综合考虑

成形过程，在满足成型性的条件下，制件尽量避免翻

边，采用直接拉延成型。在必须安排翻边工序的情况

下，尽量减少翻边长度；从结构设计角度，需要根据

制件的外形及工序特点，对模具局部强度有可能薄弱

的区域进行加强，如图 6 所示。

防

侧

向

力

导

板

Figure 6.The structure of the die after optimization

图 6 优化后的模具结构

为减少翻边过程中的镶块向外变形，在图 6 所示

镶块挡墙后侧增加两处防侧向力导板。该结构可以保

证模具翻边过程中，通过防侧向力导板与下模导板配

合面的接触，提供额外的抵抗镶块向外变形的推力，

减少镶块的变形，使得翻边过程中翻边间隙保持稳定，

避免模具实际间隙变化较大，造成数值模拟失真和模

具型面加工前回弹型面补偿错误。

4 结论

本文对一种高强钢板汽车覆盖件的典型零件进

行了数值模拟，并且和实际冲压结果比较，发现模具

翻边镶块强度不足造成翻边过程中翻边间隙比理论数

值大，是造成数值模拟结果失真的主要原因；通过现

场模具结构分析与测量，得到了真实的翻边间隙，并

根据该值对数值模拟参数进行了修正，得到的计算结

果与实际检测值一致；结果表明，翻边间隙 t 是影响

制件回弹趋势的重要参数，并以 t 为分界线显示两种

截然不同的回弹趋势；从冲压工艺和模具结构设计的

角度提出了减少类似零件发生数值模拟失真的方案，

对于提高回弹数值模拟的精确度，指导模具结构设计

和现场调试均具有一定的指导意义。

致谢

感谢天津职业技术师范大学高速切削与精密加工

重点实验室以及天津汽车模具股份有限公司对本文研

究工作的支持。

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