高強(qiáng)度變截面加強(qiáng)板成形的回彈和開裂

文/魏龍·東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司

高強(qiáng)度變截面加強(qiáng)板成形的回彈和開裂

文/魏龍·東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司

由于資源和環(huán)境等原因，近年來汽車界在減輕整車重量、節(jié)約油耗方面投入了大量精力。汽車既要求輕量化，同時(shí)又要求保證車身結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全性，因而高強(qiáng)度鋼板在現(xiàn)代汽車領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著材料強(qiáng)度的提高，鋼板成形性能總體呈下降趨勢(shì)，成形難度加大。高強(qiáng)板零件拉延開裂、扭曲回彈尤其難以解決，特別是變截面類和窄長(zhǎng)梁類零件。扭曲回彈、開裂是一個(gè)長(zhǎng)期困擾沖壓領(lǐng)域的難題。

本文以一款轎車加強(qiáng)板為例，闡述了變截面薄板類高強(qiáng)度鋼板沖壓時(shí)扭曲回彈和開裂的產(chǎn)生原因，同時(shí)摸索出一套獨(dú)特的解決辦法，并成功用于實(shí)踐，有效地指導(dǎo)了生產(chǎn)。

普通鋼板成形缺陷

普通鋼板的變截面類零件在沖壓過程中最常見的缺陷是扭曲回彈，其變形特點(diǎn)是成形過程中材料受變截面的影響，變截面頂部出現(xiàn)多料而成形不充分，導(dǎo)致扭曲回彈。典型零件及其回彈形式如圖1所示，此類零件在修邊后應(yīng)力釋放，導(dǎo)致零件扭曲回彈從而引起尺寸變化，但回彈量不大，經(jīng)過調(diào)整模具上拉延筋的分布、壓邊力的大小，做回彈補(bǔ)償角等常規(guī)調(diào)整方法后，回彈可以得到控制，產(chǎn)品滿足定義要求。

高強(qiáng)度鋼板成形缺陷與解決措施

高強(qiáng)度鋼板沖壓成形產(chǎn)生的扭曲回彈，和普通鋼板產(chǎn)生扭曲回彈趨勢(shì)一致，但扭曲回彈程度更加嚴(yán)重，以某車型的縱梁后加強(qiáng)板為例，來介紹扭曲回彈缺陷的解決辦法。

圖1 典型零件與回彈形式

產(chǎn)品情況

圖2所示為變截面類縱梁后加強(qiáng)板零件，材料是高強(qiáng)度鋼板DP780（進(jìn)口阿賽洛冷成形連續(xù)熱鍍鋅鋼板），鋼板厚度為0.77mm，材料性能見表1。

圖2 變截面類縱梁后加強(qiáng)板零件

產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品質(zhì)量須達(dá)到客戶制造及檢驗(yàn)規(guī)范的要求，其中零件IQG≤0.2，IQG為零件幾何尺寸扣分加權(quán)指數(shù)，IQG＝∑扣分/∑評(píng)價(jià)的項(xiàng)數(shù)。零件ICF≥1，ICF為制造一致性指數(shù)，ICF＝ΣCP/ΣCR。其中CP為預(yù)計(jì)的制造一致性的公差，CR為同批實(shí)際生產(chǎn)抽樣測(cè)量的極差。

要滿足變截面類和梁類兩種高強(qiáng)板零件的技術(shù)指標(biāo)要求，首先必須消除零件扭曲回彈。通過常規(guī)的工藝調(diào)整方案無法完全消除，需通過新的工藝調(diào)整方案來解決。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

零件拉延深度高（65mm）、法蘭面寬度變化大（56～18mm）、內(nèi)凹圓角R非常大（達(dá)到150mm），截面線突變比率達(dá)40%，這樣的零件結(jié)構(gòu)對(duì)于具有低延伸率和高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度材料來說，成形后零件扭曲回彈比普通材料要嚴(yán)重得多。

高強(qiáng)度鋼板具有高抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和低延伸率的特點(diǎn)，隨著抗拉強(qiáng)度的不斷增加，屈強(qiáng)比也不斷增加，材料發(fā)生塑性變形的難度加大，加劇了零件回彈，回彈量往往是普通板料回彈量的3～4倍，并伴隨有開裂現(xiàn)象。材料性能曲線，隨著抗拉強(qiáng)度不斷增加屈服點(diǎn)也隨之升高，成形難度也增加。

變截面類產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)

變截面類的產(chǎn)品開發(fā)的難點(diǎn)是零件變截面部位扭曲回彈和零件拉延開裂。

扭曲回彈及開裂缺陷的解決

縱梁后加強(qiáng)板零件材料為DP780，屈服點(diǎn)高達(dá)450～560MPa，材料不易發(fā)生塑性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中沒有明顯的屈服階段，其結(jié)果導(dǎo)致零件成形后內(nèi)應(yīng)力大，引起形狀扭曲回彈。

零件技術(shù)要求(IQG≤0.2、ICF≥1)不僅受材料性能影響，而且還受零件結(jié)構(gòu)影響。高強(qiáng)板材料對(duì)模具的磨損非常嚴(yán)重，模具凸凹模的鑲塊材料選用Cr12MoV，但Cr12MoV不宜燒焊，而且零件變截面部位截面急速變化，產(chǎn)品成形時(shí)工藝性差，模具需經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，所以首選MoCr鑄鐵來做工藝凸、凹模。經(jīng)分析確定設(shè)備選用JK36-400A，工藝流程如下：OP05開卷剪切→OP10拉延→OP20修邊→OP30切開沖孔→OP40翻邊整形。

根據(jù)以往類似零件經(jīng)驗(yàn)分析，在成形開始時(shí)進(jìn)入凹模材料過多導(dǎo)致零件變截面部位頂面多料，成形過程中材料流動(dòng)方向如圖3箭頭所示，過多材料都聚集到變截面法蘭面處，材料間產(chǎn)生很大的切向壓力，這一壓力猶如壓桿兩端受壓失穩(wěn)將使弧形法蘭面產(chǎn)生皺折。同時(shí)，采用產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行工藝補(bǔ)充，借助于AUTOFORM軟件，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行拉延工序CAE模擬分析。結(jié)果顯示如圖4方框A處所示弧形法蘭面及弧形側(cè)壁頂部材料成形都不充分，將導(dǎo)致弧形法蘭面起皺，頂面多料及修邊后零件端頭扭曲回彈等現(xiàn)象，與產(chǎn)品工藝分析相吻合。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和CAE分析結(jié)果，首先在拉延模壓邊圈上設(shè)計(jì)拉延筋來增加進(jìn)料阻力、減緩材料流動(dòng)速度使材料充分塑性變形，避免零件起皺。但經(jīng)過調(diào)試，法蘭面起皺沒有完全消除，變截面部位頂面出現(xiàn)鼓包，局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象（圖5），而且經(jīng)拉延、修邊、翻邊整形后，會(huì)存在殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致零件扭曲回彈及尺寸不穩(wěn)定等缺陷。

表1 變截面類縱梁后加強(qiáng)板材料性能

圖3 成形過程中材料流動(dòng)方向

圖4 弧形法蘭面及弧形側(cè)壁頂部材料成形都不充分

圖5 鼓包與開裂缺陷

對(duì)拉延時(shí)法蘭面起皺嚴(yán)重的缺陷分析得知，由于壓邊圈壓不住材料導(dǎo)致材料流動(dòng)速度太快，過多的材料堆積在凹?？谠斐善鸢櫋６?，材料堆積在凹?？诤鬅o法繼續(xù)順暢流入凹模，底部無材料補(bǔ)充出現(xiàn)開裂?？紤]高強(qiáng)板材料屈服強(qiáng)度大，需要比普通板料更大的壓邊力才能壓住材料，所以首先將設(shè)備氣墊壓力調(diào)整到0.5MPa（趨于設(shè)備極限），若仍然沒有解決法蘭面起皺嚴(yán)重及底部開裂問題，那么還可選用壓邊力1.0MPa的油壓機(jī)進(jìn)行拉延調(diào)試。調(diào)整油壓機(jī)壓邊力到0.8MPa后起皺現(xiàn)象得到很大程度改善，材料能順利進(jìn)入凹模，零件底部沒有出現(xiàn)開裂。但經(jīng)過修邊切開后，材料各部分內(nèi)應(yīng)力釋放，造成零件扭曲回彈，回彈量達(dá)到8mm，見圖6。進(jìn)一步針對(duì)高強(qiáng)板材料不易達(dá)到屈服點(diǎn)產(chǎn)生塑性變形的特點(diǎn)進(jìn)行分析，在弧形法蘭面拉延筋外側(cè)再增加一條拉延筋以增大拉延阻力，調(diào)試后法蘭面起皺消除，但頂面鼓包缺陷仍然沒有消除。繼續(xù)增大壓邊力進(jìn)行調(diào)試，零件出現(xiàn)開裂，無法通過加大壓邊力來消除鼓包。

圖6 零件扭曲回彈

圖7 吸料筋包及加強(qiáng)筋的確定位置及形式

零件出現(xiàn)鼓包是因?yàn)樽兘孛娌课欢嘤嗖牧蠠o法流動(dòng)，所以在零件多料部位對(duì)應(yīng)的拉延凸、凹模上增加吸料筋包來吸收多余材料。在零件兩端頭增加加強(qiáng)筋來消除應(yīng)力釋放造成的扭曲回彈，吸料筋包及加強(qiáng)筋經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定位置及形式，見圖7。增加吸料筋包及短筋后零件扭曲現(xiàn)象有很大改善，仍然還有2mm左右沒有消除。技術(shù)人員從中得到啟發(fā)，繼續(xù)調(diào)整拉延模上加強(qiáng)筋的位置及形式，將兩條加強(qiáng)筋的位置同時(shí)往左移動(dòng)5mm，零件小端頭加強(qiáng)筋長(zhǎng)度延長(zhǎng)到側(cè)壁R以上約25mm，在吸料方筋與圓弧之間增加加強(qiáng)筋，方案見圖8。

上述方案實(shí)施后，零件端頭扭曲回彈完全消除（圖9）。但零件兩側(cè)法蘭面翹曲，翹曲量達(dá)到2mm。接著調(diào)整弧形法蘭面壓邊圈上拉延筋的位置，將弧形法蘭面兩條拉延筋同時(shí)平行往外移30mm、端頭加強(qiáng)筋長(zhǎng)度延伸到側(cè)壁R以上30mm，同時(shí)將變截面部位短加強(qiáng)筋取消，見圖10。零件經(jīng)過修邊整形后，法蘭面翹曲現(xiàn)象消除，零件經(jīng)過三坐標(biāo)檢測(cè)滿足IQG≤0.2、ICF≥1的技術(shù)要求。拉延模壓邊圈上按常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙拉延筋有效地解決了零件回彈，但又出現(xiàn)開裂。

因材料本身屈強(qiáng)比高，壓邊圈不易將材料壓住，模具設(shè)計(jì)雙拉延筋增大材料流動(dòng)的阻力。因?yàn)楦邚?qiáng)板材料的各向異性導(dǎo)致流動(dòng)速度不同，拉延過程中易造成零件開裂，因此還需調(diào)整材料的流動(dòng)速度。首先在拉延筋的結(jié)構(gòu)上做調(diào)整，通過反復(fù)試驗(yàn)，確定壓邊圈上的外拉延筋結(jié)構(gòu)按圖11a設(shè)計(jì)，內(nèi)拉延筋結(jié)構(gòu)按圖11b設(shè)計(jì)。調(diào)整內(nèi)、外拉延筋結(jié)構(gòu)后，有效地解決了零件開裂缺陷。上述措施在客戶認(rèn)可后，經(jīng)過3個(gè)批量（2000余件）的生產(chǎn)驗(yàn)證，零件扭曲回彈、開裂缺陷沒有再出現(xiàn)，最終正式投入Cr12MoV加工凸、凹模鑲塊。至此，該零件的扭曲回彈和開裂的缺陷得到了成功解決。

圖8 吸料方筋與圓弧之間增加加強(qiáng)筋

圖9 零件端頭扭曲回彈完全消除

圖10 變截面部位短加強(qiáng)筋取消

圖11 拉延筋的結(jié)構(gòu)調(diào)整

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)以高強(qiáng)度鋼板為材料，具有變截面類形狀設(shè)計(jì)的薄板類縱梁后加強(qiáng)板，在沖壓時(shí)扭曲回彈和開裂產(chǎn)生原因進(jìn)行理論分析，提出了解決辦法。同時(shí)，通過實(shí)踐加以證明，成功地解決了實(shí)際問題，為今后類似零件問題的解決起到了借鑒作用。