本文用PAMSTAMP冲压软件模拟了某车型车门上铰链加强板的切边回弹，应用三维激光扫描设备和反求软件对工艺数模进行重构，并对重构数模开展CAE分析计算，对比高强度钢板冲压件的主应变、减薄率和回弹实测结果，以验证CAE模拟精度。实践证明，PAMSTAMP仿真软件具有极好的实用性。
随着汽车用钢板迅速朝高强度化和轻量化方向发展，高强度钢板的应用日益广泛，随之而来的问题是钢板强度级别越高，成形越困难，回弹越大，严重影响零件的精度和装配质量。普通钢板的冲压工艺已不适用于高强度钢板。为了解决高强度钢板成形性差的问题，避免开裂与起皱，重要的是保证零件尺寸和形状精度，迫切需要一种手段来优化工艺方案，从而获得合格的零件。
图3 主应变分布云图
随着有限元和塑性理论的不断完善以及计算机技术的迅猛发展，通过CAE方法优化工艺并预测回弹已成为可能，但其模拟精度也需进行实测验证。目前，国外在应用CAE模拟冲压件起皱和破裂等缺陷方面已达到了很高的精度，并成为产品研发流程中必不可少的一个环节，而回弹的计算精度还有待提高。国内由于种种原因，CAE应用水平和范围有限，还无法达到和产品开发、模具设计同步。为了验证CAE分析回弹精度，本文首先通过反求软件对工艺数模进行重构，并应用PAMSTAMP软件对重构数模开展了高强度钢板冲压回弹模拟分析，并通过对比主应变和回弹的分析结果与实测值来验证CAE模拟精度，以期积累仿真分析经验，提高CAE应用水平，最终推进CAE实用化。
图4 减薄率分布云图
应变和回弹值实测及分析
冲压件为某车型车门上铰链加强板，在板料表面印刷由圆点组成的标准图案用于测量冲压件的应变，通过三维激光扫描测量零件的回弹值。
图5 零件点云数模
1.应变测量
采用电化学蚀刻的方法印刷板料网格如图1所示，第一道序冲压后的零件如图2所示。利用ARGUS测量系统对零件进行应变测量，得到的主应变和减薄率分布云图分别如图3、图4所示。
图6 回弹实测结果
从图3和图4可以看出，云图分布是不连续的，导致这种结果的原因，一方面是网格印刷质量差（氧化），另一方面是冲压时擦坏，还有一些是因为网格畸变造成测量误差增大。
图7 第一道序CAE模拟结果
2.回弹值实测
为了精确验证CAE模拟精度，首先必须提高回弹的实测精度，另外，考虑到实用性，回弹检测方法应与生产实际相一致。因此，加工了检测支架来实测零件的回弹值，其作用就是为了保证实际零件与产品数模位于同一个坐标系，以使二者具有定量可比性。测量时分两种状态，一种是零件在检测支架上用两圆锥销定位后不夹紧，另一种是两圆锥销定位后再夹紧。用Geomagic Qualify软件通过三维激光扫描得到零件的点云数模（见图5），然后以新工艺数模为基准，测量零件切边后的回弹量大小（见图6）。为了更直观地和CAE模拟结果进行对比，将在CATIA软件中以截面切线的方式来分析比较。
图8 曲面反求
模面重构和CAE模拟
1.模面重构
图9 新工艺数模
车门上铰链加强板的工艺数模和现生产用模具（经过修模）出入较大，用此数模模拟第一道工序的仿真结果如图7所示，其中蓝色区域为破裂位置。经与生产厂家冲压技术人员沟通，用该数模制造的模具，在实际生产时零件也从这些位置破裂，后来对这些区域及拉延筋进行反复修模、调试，最终形成了现有模具的模面形状。因此，为了和实际零件有定量可比性，必须对工艺数模进行重构，使其和现有的模具形面一致。
图10 减薄率分布云图
通过对图2中的冲压件进行三维激光扫描，得到该件表面的点云数据，将点云数据输入Geomagic Studio软件进行反求，得到的曲面如图8所示。再将图8中的曲面和工艺数模一起导入CATIA三维CAD软件，对应图7中的破裂区域采用图8中的曲面形状，而其余区域则仍采用工艺数模的形状，最终拟合得到的新工艺数模形状如图9所示。
图11 主应变分布云图
2. CAE模拟
图12 FLD分布云图
应用图9中的新工艺数模，对车门上铰链加强板再次进行CAE模拟，分为拉延、冲孔和切边工序。板料尺寸为840mm×320mm，厚度2.2mm，材料为HR410，其性能参数如下：弹性模量为210kN/mm2，泊松比为0.3，密度为7.8×10-6 kg/mm3，r0为0.6，r45为1.3，r90为0.7，屈服强度Rs为0.47GPa，应变强化因数k为0.79GPa，硬化指数n为0.12。由于拉延筋也经过手工修复，因此，模拟时以虚拟筋代替物理筋。为了确定虚拟拉延筋阻力值大小，分别采用不同的压边力和拉延阻力进行了模拟，具体结果见表1。
通过对表1中的模拟结果综合分析，并结合该件的生产实际情况，最终取压边力为400kN，虚拟拉延筋阻力值为0.25～0.40kN/mm，CAE模拟得到第一道拉延序的减薄率、主应变以及FLD的分布云图分别如图10、图11和图12所示。
采用图13中的冲孔和切边线对第一道拉延序的零件进行冲孔和切边仿真模拟，得到的零件如图14所示，回弹模拟结果如图15所示。
图13 冲孔和切边线
图15中的回弹结果是对比切边、冲孔后不卸载的零件和切边、冲孔后卸载的零件得到的，并且均为零件的中间层。而实测零件回弹时对比的是工艺数模与零件的外表面，为了和实测情况相一致，因些，必须对回弹后模拟零件的中间层向外偏移1/2板料厚度得到其上板面形状，再与工艺数模进行比较。
图14 模拟冲孔和切边后零件
CAE计算结果和实测值对比分析
1.主应变、减薄率对比分析
图15 回弹模拟结果
为了提高对比精度，从图3、图4中找出一些测量结果较好的区域和CAE模拟结果进行对比。主应变及减薄率实测点数据如图16所示，相对应位置的主应变及减薄率模拟结果分别如图17和图18所示，以实测值为基准计算的相对误差如表2所示。
图16 主应变及减薄率实测点数据
表2中的数据说明，模拟和实测的结果差异较大，但也不能就此得出CAE模拟不准确的结论。因为板料网格是通过酸性化学物质腐刻上去的，导致网格在很短的时间内很容易就被氧化，这也可能与材料为镀锌板有关。在此，实测的主应变和减薄率结果仅作为参考，不过，也从一个侧面说明CAE模拟所选用的参数还是比较合适的，为下一步的切边回弹模拟奠定了可靠的基础。
图17 对应点的主应变模拟结果
2.回弹对比分析
在CATIA软件中，两种测量状态下的零件和图9中的新工艺数模用剖面线的方式比较回弹量大小的结果如图19所示，其中黄色线为工艺数模，蓝色线为不夹紧状态下的零件，红色线为夹紧状态下的零件。从图中可看出，两种状态下零件的回弹值有微小差异，总体来说，夹紧状态下的零件偏离黄线（工艺数模）更远，因此，下面和CAE模拟结果对比时，仅仅比较了夹紧状态下零件的回弹实测结果，这种方式也更符合生产实际。
图18 对应点的减薄率模拟结果
对图15中模拟得到的零件回弹后中间层向外偏移1.1mm得到板料的外表面，然后与实测零件外表面和新工艺数模一起对比。具体方法是分别以x坐标为100mm、240mm的平面截取上述3个面，得到的3条截面线分别如图20和图21所示，其中黄色线为工艺数模，红色线为CAE模拟结果，绿色线为实测结果。
图19 实测回弹剖面线
由图可看出，CAE模拟和实测结果总体趋势大致是一样的，但局部区域还是存在一定的差异，产生此问题的原因，一方面是分析用数模和实际模具存在差异，另一方面是计算回弹时约束点的施加方式引起的模拟误差，其次是模型网格质量不理想影响了模拟精度。另外，因该冲压件回弹量较小，导致实测和模拟结果的差异也被相对放大。基于上述原因，在此不进行具体位置的回弹值量化对比。
图20 x坐标为100mm截面线
结语
1.本文进行了主应变、减薄率的实测和CAE模拟对比，以实测值为基准，主应变的CAE模拟精度为17%，减薄率的CAE模拟精度为23%。由于板料网格容易被氧化，实测结果仅作为参考。
图21 x坐标为240mm截面线
2.应用PAMSTAMP软件以重构的新工艺数模计算了冲孔、切边后的零件回弹，并与实测值以截面线的方式进行了对比分析。总体来说，二者的趋势大致是一样的，但一些因素影响了CAE模拟精度，如数模和实际模具的差异、约束的施加方法、模型网格质量以及选用零件的回弹较小等。基于上述原因，没有进行具体位置的回弹值量化对比分析。在以后的模拟分析中，必须重点解决这些问题，以提高CAE模拟精度和应用水平。
