高強板門檻部品的沖壓成型研究
2013-10-31 03:24:00鐘毅
鐘毅
【摘 要】轎車輕量化研究已經(jīng)成為現(xiàn)代汽車工業(yè)的熱門課題，高強板在金屬車身上的廣泛使用，能夠有效減輕車身重量，降低油耗。文章介紹了一款轎車高強板門檻部品的沖壓成型研究成果，首先通過對高強板材料的試驗測試，獲取性能參數(shù)，利用3D造型和CAE分析，得到成型回彈曲線，最終根據(jù)回彈補償面和多段整形結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)部品成型工藝，克服沖壓調(diào)試過程中，高強板成型性能不好，貼模性差，以及回彈嚴重等難題，有效縮短了模具開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。
【關(guān)鍵詞】高強板；CAE；回彈補償；多段整形結(jié)構(gòu)
隨著轎車的大眾化發(fā)展，使地球環(huán)境、能燃問題變得日益突出，要求轎車廠家節(jié)省能源降低油耗的呼聲越來越大，而作為轎車節(jié)省能源降低油耗的一種有效辦法就是在滿足基本要求的情況下降低轎車自重。目前世界各大轎車主機廠，都在想盡一切辦法展開輕量化研究，轎車的平均自重已從上世紀(jì)的2.2噸降低到1.6噸，其主要手段為：車身部件塑膠化，大量使用高強減薄板，激光拼焊板，發(fā)動機用鋁合金材料等等。在一系列的措施中，有一個重要手段就是大量使用高強度板，因為用高強度鋼材所制造的車身可以得到更薄和更輕的結(jié)構(gòu)，使車身重量減輕達25%以上。高強鋼板材料還有另一大好處，也就是讓汽車在碰撞測試中得到更高的分數(shù)。另外，通過國外專業(yè)廠家的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：僅僅減輕車身重量就能節(jié)省約5%的燃油，而且在降低車身重量的同時，還可有效減輕剎車系統(tǒng)的負荷，提高發(fā)動機效能。
通常車身使用高強度板的部位為A柱、井字形結(jié)構(gòu)的地板支架、B柱及車身前部的側(cè)車架，分別使用了拉伸強度為980MPa、780MPa、590MPa及440MPa的高強度板。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)轎車主機廠高強度板在整車鋼板材料的比率已達15%，部分主機廠的部分車型甚至達到40%之多，而且有進一步加大的趨勢。
綜上所述，高強鋼板是轎車最好的節(jié)能降耗材料，但是高強鋼板的缺點是成型性能不好，貼模性差，以及回彈嚴重。要使高強板材料部件的形狀與車體其他部件的形狀相匹配，是相當(dāng)困難的，因此高強板材料部件的制作工藝較復(fù)雜、模具制作和調(diào)試費用也非常高。目前，高強鋼板材料成型工藝研究一直是國內(nèi)外行業(yè)的研究方向，國內(nèi)模具廠家更是不遺余力的開展相關(guān)研究，以期在此激烈的競爭中，占據(jù)制高點。
1.產(chǎn)品分析
1.1產(chǎn)品介紹
門檻部件，是構(gòu)成車體車身的主要受力和防撞部件，是保證車廂安全不可或缺的重要部件之一。部件與車身安裝方式為：點焊裝配，要求焊接配合平面精度為±0.5，平面度≤0.5，安裝孔孔徑精度為±0.15，孔位置度公差為±0.5。材料：SP783-980，厚度：1.6mm。部品屬于高強板產(chǎn)品。
圖1 某車型980Mpa的門檻部件
1.2工藝選擇
歐美國家和日本對此類高強板部件的成型工藝研究較為成熟，已將一系列的研究成果轉(zhuǎn)化到實際生產(chǎn)中去，目前較為新型的成型工藝的有兩種：一是輥壓成形，主要針對條形制件；另一種是熱成型法，主要應(yīng)用于形狀較復(fù)雜的制件。在國內(nèi)，大多還是采用較傳統(tǒng)的冷沖壓成型工藝。
各成型工藝的特點：
（1）輥壓成形對應(yīng)部件的形狀要求較高，通常是桿狀，條狀形狀規(guī)則，如果形狀稍復(fù)雜 此工藝無法實現(xiàn)。
（2）熱成型法對專用設(shè)備依賴性較高，制造成本高，在沒有大批量作為前提下不利于組織生產(chǎn)。
（3）傳統(tǒng)冷沖壓模具結(jié)構(gòu)相對簡單，但尺寸穩(wěn)定性受材料的品質(zhì)影響較大，調(diào)試周期較長，調(diào)試成本較高。
因為目前國內(nèi)的熱成型沖壓技術(shù)還不成熟，該部品屬于形狀較復(fù)雜的制件，所以我司最終采用冷沖壓成型，沖壓工藝為： 落料沖孔→成型 →整形→沖孔側(cè)沖孔。
1.3材料分析
通過金相顯微分析法，利用金相顯微鏡研究高強板材料的鐵碳成分。
利用萬能拉力試驗機，對高強板材料進行拉力測試，研究屈服應(yīng)力曲線。
1.4回彈分析
根據(jù)成型工藝，首先制作理論的成型工藝面，參照試驗分析的材料性能參數(shù)，利用CAE軟件，對部品的冷沖壓成型工藝進行計算機模擬，通過模擬結(jié)果與理論數(shù)模型面對比，在特定截面上測量偏差值，得到成型回彈曲線。然后根據(jù)回彈量，制作回彈補償工藝數(shù)模，再次進行CAE模擬，對比偏差。最終經(jīng)過多次循環(huán)，直到偏差值在允許范圍內(nèi)（≤0.5），即得到最終的回彈補償面，后續(xù)可展開模具加工工作。
部品截面坐標(biāo)
圖2 成型回彈曲線
2.模具設(shè)計
2.1成型工序
成型工序——使用最終的回彈補償面加工成型鑲件，鑲件采用分塊設(shè)計，部品成型面需要TD處理。
工作原理：
（1）頂出器鑲件不動，由氣頂力支撐，凸模鑲件開始下壓，完成部品的底面成型。
（2）上?？朔C床氣頂力，頂出器隨之向下運動，材料進入凹模腔，完成側(cè)面成型。
2.2整形工序
整形工序——采用側(cè)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，校正成型后的型面偏差，部品整形面需要TD處理。
工作原理：
（1）壓件器下降，利用氮氣彈簧產(chǎn)生壓力，完全壓緊部件。
（2）上模板繼續(xù)下降，左右斜楔接觸下模導(dǎo)軌，發(fā)生運動方向轉(zhuǎn)化，完成側(cè)面整形。
（3）左右斜楔調(diào)整塊，采用分段式設(shè)計，可根據(jù)各段不同的回彈變形量調(diào)整型面。
3.結(jié)論
高強板沖壓成型研究，一直是我司近年來的重點科研項目，通過此類門檻部品的沖壓成型研究，我司展開了與國內(nèi)外知名鋼廠的合作，不斷積累高強板的化學(xué)成分及機械性能參數(shù)，后期利用CAE模擬分析和工藝調(diào)試驗證，逐步建立企業(yè)內(nèi)部的專家數(shù)據(jù)庫。同時生產(chǎn)中我們還借助光電子感應(yīng)設(shè)備，實現(xiàn)對沖壓成形過程的自動監(jiān)控及失穩(wěn)機理分析，以保證產(chǎn)品的品質(zhì)精度。
據(jù)統(tǒng)計，我司高強板門檻部品的全工裝開發(fā)周期為6個月，比以往同類產(chǎn)品的開發(fā)周期縮短30%，產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸精度最高達到±0.4mm；產(chǎn)品制程能力指數(shù)CPK≥1.33，完全滿足客戶品質(zhì)要求。整體開發(fā)費用為行業(yè)常規(guī)的65%。
此沖壓成型研究成果可以廣泛應(yīng)用于高強板模具開發(fā)中去，將給我國的模具行業(yè)創(chuàng)造巨大的市場價值和社會價值，并對我國高強板材料成型工藝的研究和模具技術(shù)的整體提升，起到積極的促進作用。
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