某汽車高強(qiáng)鋼左右門檻梁內(nèi)板沖壓工藝及其模具設(shè)計(jì)

文／陳世濤，王海玲，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

某汽車高強(qiáng)鋼左右門檻梁內(nèi)板沖壓工藝及其模具設(shè)計(jì)

文／陳世濤，王海玲，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

通過對(duì)先進(jìn)高強(qiáng)鋼成形特點(diǎn)分析，采用一種“W”形成形工藝方案，可以有效降低立壁回彈及弧形面的質(zhì)量缺陷。該工藝方案可提高左右門檻梁內(nèi)板先進(jìn)高強(qiáng)鋼梁類件的成形質(zhì)量，減少?zèng)_壓工序數(shù)，降低模具開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率。

隨著汽車輕量化、節(jié)能環(huán)保及安全性能的發(fā)展要求，汽車用鋼板逐漸向高強(qiáng)度化發(fā)展已成為必然趨勢(shì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車總重每減輕10%，油耗可減少8%～10%，當(dāng)鋼板厚度分別減小0.05mm、0.10mm和0.15mm時(shí)，車身減重分別為6%、12%和18%，由此可見，增加鋼板強(qiáng)度是減小板厚、減輕車重、節(jié)能降耗的主要途徑之一。另一方面，由于高強(qiáng)鋼板具有良好的加工硬化性能及較高的強(qiáng)度，高強(qiáng)鋼零件的應(yīng)用也將有效提高車身強(qiáng)度和整車安全性能。

高強(qiáng)鋼零件的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)較好的效果，但是其加工過程相對(duì)較為困難，并且隨著高強(qiáng)鋼板強(qiáng)度的增加，成形難度越來越大。其主要原因在于鋼板強(qiáng)度增加的同時(shí)，自身塑性及成形性能顯著下降，從而導(dǎo)致成形過程中更容易出現(xiàn)起皺、開裂、回彈、模具磨損等問題，其中回彈最難控制。由于高強(qiáng)鋼板加工性能的特殊性，其成形質(zhì)量及回彈控制難以保證，通常產(chǎn)生回彈的零件形狀精度較低，使得模具調(diào)試和維護(hù)工作難度增大，甚至?xí)?dǎo)致模具報(bào)廢。

現(xiàn)有工藝方案分析

梁類沖壓件在汽車車身中應(yīng)用很多，目前其主要成形工藝方案大致分為兩種：

⑴拉延、整形工藝方案。如圖1a所示，該方案實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品沖壓成形共需要2～3個(gè)工序，第一工序?yàn)槔?，由于高?qiáng)鋼回彈（側(cè)壁回彈）的存在，第一工序僅能使工件接近產(chǎn)品形狀，因此后序必須進(jìn)行整形。第二工序通過扣除回彈量進(jìn)行整形，使其回彈后恰好與產(chǎn)品形狀相符，主要為調(diào)整一定的側(cè)壁角度，從而達(dá)到補(bǔ)償其回彈的目的。整形在工藝上有正向整形和側(cè)向整形之分，正向整形只適合側(cè)壁與Z向角度大于0°的情況，而側(cè)向整形則適用于側(cè)壁與Z向角度為負(fù)角的情況。

⑵成形、整形工藝方案，如圖1b所示，該技術(shù)方案成形類模具共需要三個(gè)工序，第一工序?qū)ε髁希c(diǎn)劃線所示）進(jìn)行成形翻邊加工，成形后狀態(tài)如實(shí)線所示。第二工序進(jìn)行二次翻邊，將第一序的半成品（點(diǎn)劃線所示）加工至實(shí)線所示狀態(tài)。由于存在回彈現(xiàn)象，翻邊后尺寸精度難以達(dá)標(biāo)，需要進(jìn)行回彈校正。而現(xiàn)有技術(shù)水平下，對(duì)沖壓鈑金件的回彈量及所需補(bǔ)償量仍無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此在正向整形無法解決回彈的現(xiàn)實(shí)情況下，就需要增加側(cè)向整形工序。正向整形無法解決回彈的情況是指，產(chǎn)品側(cè)壁與Z向角度較?。ㄈ?°拔模角），而解決側(cè)壁回彈（需要扣除3°的補(bǔ)償角度），扣除回彈補(bǔ)償角度后就出現(xiàn)了負(fù)角的情況，該種情況下正向整形無法解決回彈，如圖1c所示。因產(chǎn)品立壁角度問題，在第二工序無法解決回彈時(shí)，需要增加第三工序即側(cè)向整形工序。但第三工序不能替代第二工序，第三工序必須以第二工序?yàn)榛A(chǔ)，對(duì)第二工序進(jìn)行補(bǔ)充，如預(yù)測(cè)失誤較大時(shí)，雖然設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)劃了第三序正向整形，在實(shí)物調(diào)試時(shí)，仍發(fā)現(xiàn)無法滿足質(zhì)量要求，而被迫增加第四工序側(cè)向整形。

上述三種梁類件沖壓工藝方案可以實(shí)現(xiàn)沖壓成形，但存在以下問題：⑴開發(fā)成本較高。由于回彈量的不可預(yù)測(cè)，第三工序側(cè)向整形難以節(jié)省，否則產(chǎn)品精度比較差，因此模具開發(fā)成本高，而方案二模具工裝開發(fā)成本更高。⑵產(chǎn)品成形質(zhì)量差。除角度回彈外，產(chǎn)品易出現(xiàn)側(cè)壁面不平整、立壁面為弧形的卷曲回彈現(xiàn)象。主要原因?yàn)椋撼尚芜^程中，坯料直接從平板料狀態(tài)成形至接近產(chǎn)品狀態(tài)，板料接近90°變形，形狀變化劇烈，變形過程中板料僅靠凹?？谔幍耐筊角與板料接觸并促使板料逐步成形至接近產(chǎn)品形狀，與R角接觸變形后的板料處有內(nèi)應(yīng)力的積聚，成形結(jié)束后，沖壓件沒有模腔約束，內(nèi)應(yīng)力釋放，最終出現(xiàn)與產(chǎn)品面形狀不相符的弧形面，如圖2所示。該弧形面與立壁面的深度緊密相關(guān)，深度越大，立壁面上的弧形面越明顯。

圖1 梁類件拉延、成形翻邊工藝方案

圖2 產(chǎn)品側(cè)壁出現(xiàn)弧形示意圖

新沖壓工藝方案

鑒于以上分析，本文以我公司某新車型左/右門檻梁內(nèi)板沖壓件開發(fā)為例，講述一種高強(qiáng)鋼梁類件沖壓工藝方案及其模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該零件實(shí)物如圖3所示，采用材質(zhì)DP780的先進(jìn)高強(qiáng)鋼，板件料厚1.6mm，材料利用率達(dá)72.54%，由于先進(jìn)高強(qiáng)鋼的屈服強(qiáng)度大，產(chǎn)品成形難度較大。

圖3 左/右門檻梁內(nèi)板先進(jìn)高強(qiáng)鋼沖壓件實(shí)物圖

如圖4a所示，該梁類件大致為“幾”字形工件，其沖壓成形主要通過兩步成形實(shí)現(xiàn)。第一工序?qū)⑴髁霞庸ぶ痢癢”形并完成一端的上翻邊，如圖4b所示。“W”工件側(cè)壁與Z向角度可在30°～60°之間，其具體角度選擇原則為：⑴該角度介于0°與產(chǎn)品狀態(tài)之間；⑵當(dāng)側(cè)壁最大深度與產(chǎn)品件上平面寬度比小于1∶1.5時(shí)，角度可大于45°；當(dāng)深寬比大于1∶1.5時(shí)，角度需小于45°。第二工序通過斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)整成形，將“W”形半成品件側(cè)向整形加工到與產(chǎn)品相符的“幾”字形最終狀態(tài)，如圖4c所示。圖4d為第一工序、第二工序成形后兩種狀態(tài)的產(chǎn)品截面對(duì)比示意圖。

圖4 “W”形成形工藝方案

成形模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及成形原理

第一工序成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第一工序主要工作內(nèi)容為“W”形成形、端頭上翻邊，其模具結(jié)構(gòu)如圖5所示。上模工作部分中，上模成形鑲塊固定安裝在上模座上，與下模成形鑲塊配合，工作時(shí)可以促使兩側(cè)W成形。由于高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)鋼材料屈服強(qiáng)度大、板料較厚，成形時(shí)所需要力較大，該模具壓料芯采用氮?dú)鈴椈商峁┏尚嗡璧膲毫狭?，保證成形時(shí)板料不會(huì)發(fā)生竄動(dòng)。下模工作部分中，下模成形鑲塊固定安裝在下模托芯上，下模托芯通過機(jī)床頂桿實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作運(yùn)動(dòng)過程中，下模座與下模托芯通過導(dǎo)滑板導(dǎo)向。

圖5 第一工序成形模具結(jié)構(gòu)示意圖

初始狀態(tài)時(shí)，下模托芯在機(jī)床頂桿作用下處于上浮狀態(tài)，上模壓芯在自重及氮?dú)鈴椈山M件作用下處于伸展?fàn)顟B(tài)。把坯料放置于下模上并通過定位板對(duì)坯料邊界進(jìn)行定位，隨上模在機(jī)床滑塊作用下逐步下行，上模壓芯首先接觸坯料并與下模成形鑲塊的中間部分配合將板料壓住，對(duì)板料進(jìn)行初步加工，完成板料與上模壓芯接觸部位具備“W”形沖壓件的一部分特征。由于壓料氮?dú)鈴椈傻牧π∮跈C(jī)床頂桿的力，在此過程中，下托料芯不發(fā)生運(yùn)動(dòng)。上模隨壓機(jī)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，機(jī)床頂桿在壓機(jī)壓力的作用下開始向下運(yùn)動(dòng)，板件進(jìn)行端頭部分的上翻邊工作內(nèi)容，最終將坯料完全加工成“W”形的沖壓半成品件，完成第一工序成形加工。

回彈主要包括角度回彈、卷曲回彈、扭曲回彈，而卷曲回彈則是回彈后側(cè)壁上曲率發(fā)生變化，與角度回彈不同，卷曲回彈后零件側(cè)壁回彈角度并非定值。它主要是由于零件在彎曲變形過程中上下兩側(cè)的變形不一致導(dǎo)致的厚度方向的應(yīng)力分布不均或者是應(yīng)力變化不均造成的。

回彈是整個(gè)沖壓成形過程的累積效應(yīng)，回彈的存在必然會(huì)造成沖壓件的形狀和尺寸誤差，進(jìn)而影響沖壓件表面品質(zhì)和裝配性能等。而本文所述“W”形成形工藝方案，由于板料從平板料狀態(tài)加工到W形狀態(tài)，其側(cè)壁部分變化幅度較小，成形深度較現(xiàn)有工藝方案淺，角度變化在45°左右，遠(yuǎn)小于接近90°的角度大幅變化，使上模成形鑲塊的凸R角對(duì)板料的作用相對(duì)平緩、柔和，成形時(shí)內(nèi)應(yīng)力積聚大大減少，從而有效緩解了側(cè)壁卷曲回彈導(dǎo)致弧形面缺陷的問題。

此外，該左/右門檻梁內(nèi)板先進(jìn)高強(qiáng)鋼沖壓件的第一工序成形模還可以通過另一種模具結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具體如圖6所示，不同之處在于，該模具工裝下模工作機(jī)構(gòu)成形部分分為兩部分：下模托芯和下模成形鑲塊。

圖6 第一工序成形模具結(jié)構(gòu)二示意圖

第二工序成形模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

第二工序主要主要進(jìn)行側(cè)整形，將第一序成形的“W”形工件通過斜楔側(cè)整至板件最終狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，該成形模模具結(jié)構(gòu)工作原理與現(xiàn)有技術(shù)中的帶有斜楔機(jī)構(gòu)的側(cè)向整形模具相同，不再贅述。該整形模結(jié)構(gòu)中，側(cè)整形凹模鑲塊安裝在側(cè)整斜楔機(jī)構(gòu)上，可以方便拆卸、加工，進(jìn)而滿足沖壓件調(diào)試與整改需要。此外，需要注意的是，設(shè)計(jì)時(shí)側(cè)整斜楔運(yùn)動(dòng)方向與水平面的夾角要大于“W”形工件左右端面與水平面的夾角，否則會(huì)造成側(cè)整形凹模鑲塊向工件靠近時(shí)與“W”形工件左/右兩端面干涉。

圖7 第二工序側(cè)整形模具結(jié)構(gòu)圖

推廣應(yīng)用

本文所述“W”形沖壓工藝方案及模具結(jié)構(gòu)不僅適用于規(guī)則的“幾”字形沖壓件，還適用于不完全規(guī)則、不對(duì)稱的類似件。如圖8a所示沖壓件，該零件兩側(cè)的側(cè)壁深度相差較大，同一側(cè)的側(cè)壁深度也相差較大，且法蘭邊形狀有較多臺(tái)階，但同樣可采用“W”形成形工藝。圖8b所示為第一工序成形后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，將平板鋼板加工成不對(duì)稱的W形狀，再通過圖8c所示第二工序的側(cè)向整形加工得到最終產(chǎn)品，進(jìn)而完成沖壓件產(chǎn)品形狀的沖壓加工。圖8d為第一工序及第二工序成形后兩種狀態(tài)的截面對(duì)比示意圖。

圖8 不規(guī)則形狀沖壓件推廣應(yīng)用

另一方面，對(duì)于無法蘭邊的“N”字形沖壓件，或者一側(cè)有法蘭邊，另一側(cè)無法蘭邊的制件，該工藝方案同樣適用。沖壓件成形時(shí)，第一工序的半成品形狀仍可完全延用“W”形狀成形；也可作相應(yīng)變動(dòng)改為側(cè)壁開口，如圖9所示，與Z向呈30°～60°夾角的倒“V”字形形狀或者“N”字形，將其分別在第一工序和第二工序分步完成即可解決回彈和弧形面質(zhì)量差的問題。特別的，當(dāng)無法蘭邊的“N”字形沖壓件側(cè)壁較深，且側(cè)壁面還具有豎向臺(tái)階或類似特征時(shí)，該倒“V”字形工藝的應(yīng)用可以使側(cè)壁質(zhì)量更好，優(yōu)勢(shì)更為明顯。

圖9 倒“V”字形及“N”字形工藝方案示意圖

結(jié)束語

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車沖壓零件高強(qiáng)鋼、先進(jìn)高強(qiáng)鋼的應(yīng)用已成為必然趨勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)車身輕量化的同時(shí)也提高了車體的抗凹陷性、耐久強(qiáng)度和大變形沖擊強(qiáng)度的安全性能。

本文通過對(duì)左/右門檻梁內(nèi)板先進(jìn)高強(qiáng)鋼零件成形特點(diǎn)及現(xiàn)有梁類件沖壓工藝成形缺點(diǎn)分析，采用新的“W”形工藝方案及其模具結(jié)構(gòu)，將側(cè)壁大角度沖壓加工合理的分到第一工序和第二工序?qū)崿F(xiàn)，通過分步、小角度加工，有效地減小了側(cè)壁大角度加工成形而產(chǎn)生的材料內(nèi)應(yīng)力積聚，進(jìn)而減輕了側(cè)壁弧形面質(zhì)量缺陷的發(fā)生幾率和程度。此外，該種沖壓工藝方案及模具結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也可以縮短模具調(diào)試周期，降低工作量，提高生產(chǎn)效率。