超高強(qiáng)度零件模具國產(chǎn)化

文/高義峰，童亞平，陳瑞，李晶·上海大眾汽車有限公司

超高強(qiáng)度零件模具國產(chǎn)化

文/高義峰，童亞平，陳瑞，李晶·上海大眾汽車有限公司

高義峰，工學(xué)碩士，畢業(yè)于吉林工業(yè)大學(xué)，主要從事白車身沖壓件模具規(guī)劃工作，對于超高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)件，熱成形零件的模具工藝和模具結(jié)構(gòu)有較為深入的研究，現(xiàn)為中國鍛壓協(xié)會“頭腦風(fēng)暴”專家?guī)鞂＜摇?/p>

隨著國家環(huán)保要求的越來越高，汽車設(shè)計不斷地向著節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)發(fā)展。而在汽車設(shè)計中的輕量化車身設(shè)計，除了降低整車裝備重量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性外，還降低了整車每公里二氧化碳的排放量，因而對節(jié)能環(huán)保來說是非常重要的一環(huán)。與此同時，對汽車安全性的要求也越來越高，F(xiàn)MVSS216車頂防撞試驗(yàn)，EuroNCAP側(cè)碰試驗(yàn)及翻滾試驗(yàn)等一系列新的碰撞法規(guī)，對汽車設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn)。要想在減輕車身質(zhì)量的同時，不斷提高車身結(jié)構(gòu)的抗碰撞性能，以保護(hù)乘車人安全，因此車身設(shè)計的一個趨勢就是大量地采用質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的超高強(qiáng)度材料，尤其是車身的主要抗碰撞區(qū)域。為此，上海大眾采用了超高強(qiáng)鋼和熱成形兩條技術(shù)路線來滿足該要求。本文僅對超高強(qiáng)鋼的模具開發(fā)進(jìn)行探討。

超高強(qiáng)度零件的廣泛使用，給沖壓模具的開發(fā)工作帶來了許多技術(shù)難題，例如零件的回彈問題、零件的扭曲問題、側(cè)壁反凹問題、模具刃口強(qiáng)度問題以及模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度問題等等。本文將結(jié)合這些隨超高強(qiáng)鋼的應(yīng)用而產(chǎn)生的新問題在模具沖壓工藝設(shè)計、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具材料選擇以及模具調(diào)試這四個方面進(jìn)行深入的分析和探討。

沖壓工藝設(shè)計

由于超高強(qiáng)度零件材料屈服強(qiáng)度很高，因此在材料塑性變形結(jié)束后，仍殘余較多的彈性變形，這就是為什么超高強(qiáng)度鋼板回彈量大的原因。同時，由于超高強(qiáng)度鋼板在成形時對應(yīng)力的變化非常敏感，在對板件加工過程中，當(dāng)各部分材料流動不均導(dǎo)致應(yīng)力變化不均時，非常容易產(chǎn)生扭曲的現(xiàn)象。超高強(qiáng)度零件材料強(qiáng)度大，延伸率小，因此我們在設(shè)計工藝時應(yīng)盡量遵循以下原則：

⑴應(yīng)優(yōu)先考慮采用成形工藝或壓延成形工藝，盡量少采用拉延工藝，尤其是針對拉延深度高的零件。當(dāng)零件拉延深度較大時，如果采用拉延工藝，則零件側(cè)面容易產(chǎn)生反R現(xiàn)象（圖1），而且這種反R現(xiàn)象很難改善，只有通過側(cè)整方式，在零件側(cè)面沿反R區(qū)域作一條折線，才能稍微改善一點(diǎn)，但對表面質(zhì)量影響較大。而且超高強(qiáng)度零件上采用拉延工藝其實(shí)拉延效果并不明顯，因?yàn)槌邚?qiáng)度零件材料的延伸率很低，如上海大眾某項目的車門防撞桿和門檻加強(qiáng)板的材料（HC660XD＋Z100MBO）的延伸率只有10%，因此在拉延時基本沒有材料的拉伸變形，在拉延時也不能有太大的壓邊力，或者零件容易裂，拉延筋的作用也不大，所以整體拉延效果基本等同于成形。圖2是上海大眾某款車型的縱梁上部結(jié)構(gòu)件，材質(zhì)為HX420＋Z100MB，采用拉延工藝零件反R嚴(yán)重，最大反R值約為2mm。將壓邊圈鎖死后，進(jìn)行成形試驗(yàn)，零件反R值降低到0.5mm。

圖1 超高強(qiáng)鋼拉延成形時的側(cè)壁反R現(xiàn)象

圖2 拉延更改為成形后反R明顯降低

⑵高強(qiáng)鋼零件因其容易產(chǎn)生回彈問題，所以在工藝設(shè)計時一定要考慮在每一個工序預(yù)留足夠調(diào)回彈的角度，預(yù)留的角度不小于σb/100。例如：門檻加強(qiáng)板其材料抗拉強(qiáng)度為980～1130MPa，則在工藝設(shè)計時對每一個工序的預(yù)留調(diào)回彈角度不小于1130/100＝11.3°。圖3為某款車型門檻加強(qiáng)板回彈補(bǔ)償情況，該零件材料為：HC660XD＋Z100MBO，料厚為1.0mm，材料的屈服強(qiáng)度σs為660～780MPa；抗拉強(qiáng)度σb為980～1130MPa；延伸率A80≥10%。由于該零件較深的側(cè)壁存在反R現(xiàn)象，相應(yīng)側(cè)壁考慮了反R的補(bǔ)償。

圖3 門檻加強(qiáng)板回彈補(bǔ)償情況

⑶為了便于超高強(qiáng)度零件的后續(xù)模具調(diào)試，因此在工藝設(shè)計時盡量考慮兩個關(guān)聯(lián)尺寸不要在同一個工序中完成成形，當(dāng)兩個關(guān)聯(lián)尺寸在同一工序中成形并出現(xiàn)回彈時，模具調(diào)試工作將非常困難。某款車型超高強(qiáng)鋼門檻加強(qiáng)板成形相關(guān)工序橫截面示意圖，如圖4所示。如果每序成形只調(diào)整一個關(guān)鍵尺寸，則超高強(qiáng)鋼模具調(diào)試難度大大降低。

圖4 超高強(qiáng)門檻加強(qiáng)板成形工藝

前車門防撞板實(shí)例

該零件材料為：HC660XD＋Z100MBO，料厚為1.35mm，材料的屈服強(qiáng)度σs為660～780MPa；抗拉強(qiáng)度σb為980～1130MPa；延伸率A80≥10%。其外觀形狀與剖面尺寸如圖5所示。

圖5 超高強(qiáng)前車門防撞板

工藝布置

該零件工藝采用成形工藝，一共設(shè)計為四個工序，分別為：落料、成形一、成形二、修邊沖孔。具體的工藝布置如下：

⑴OP10：落料。首先確定落料有以下幾點(diǎn)考慮：1）超高強(qiáng)度鋼零件優(yōu)先考慮的是成形而不是拉延，落料后有利于零件的成形；2）此零件中間部分是很有規(guī)律可循的，抓準(zhǔn)修邊線比較容易，同時產(chǎn)品對修邊線的要求也不高；3）零件材料價格較貴，通過落料排樣可以節(jié)省材料；4）在同步工程的時候建議落料的兩個定位孔最小不要小于φ10mm，便于后序成形使用。

⑵OP20：成形一（圖6）。針對前車門防撞板，采用了先成中間凸筋，再成兩邊凸筋的方式。與先成一個大包，再從中間壓成兩根筋的方法相比，主要有如下好處：1）先成中間凸筋，該面為基準(zhǔn)面，可以為后續(xù)修模提供參考，調(diào)試更方便；2）第二次成形對第一次成形影響較??；3）先成中間，由于R值較成一個大包要小，所以反彈量相對較?。?）先成中間凸筋，再成兩邊凸筋的方式模具結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對更好。

圖6 超高強(qiáng)前車門防撞板工藝之成形一

第一次成形主要成形中間的凸筋，采用拉延成形的方法，模具有壓邊圈壓料，但沒有拉延筋。

⑶OP30：成形二（圖7）。成形兩邊的凸筋。

圖7 超高強(qiáng)前車門防撞板工藝之成形二

⑷OP40：修邊和沖孔。由于兩個端頭部分的形狀變化較大，輪廓線不是很好抓，故采用修邊工藝。定位孔在成形過程中不可避免會拉變形，所以需要精沖定位孔。如果零件上的孔很小，不能采用先預(yù)沖后精沖的方式，則可以利用兩端頭，預(yù)先沖兩定位孔，最后再修掉。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

超高強(qiáng)度零件在沖壓成形時所產(chǎn)生的成形力與沖裁力是普通板材的數(shù)倍，同時超高強(qiáng)度零件沖壓成形時對模具型面的磨損與普通板材相比更加嚴(yán)重，因此在進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要注意如下幾個方面：

⑴成形類模架基體材料適當(dāng)升級，可采用QT500。在進(jìn)行模具主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，模具鑄件的筋條厚度按50、60、70原則來設(shè)計，即副筋厚度為50mm，主筋厚度為60mm，型面厚度為70mm。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時盡量不要設(shè)計減重孔，對于中小型模具更趨向于將筋條設(shè)計成實(shí)心，同時在所有工作鑲塊安裝面的背面都必須要有支撐到底的筋條。

⑵模具鑲塊的安裝優(yōu)先考慮沉入式安裝方式，如圖8所示。這樣的結(jié)構(gòu)有利于減輕因大的沖壓成形力而導(dǎo)致鑲塊向外脹裂的問題。

圖8 超高強(qiáng)鋼模具鑲塊沉入式安裝

⑶超高強(qiáng)度零件在沖壓過程中所需的剪切力通常是普通板材（抗拉強(qiáng)度為270MPa）的3～4倍，如果采用普通平面形狀的刃口，則刃口很容易造成崩裂且產(chǎn)生極大的噪音，同時生產(chǎn)所需的壓機(jī)噸位必須加大。因此需要將模具刃口形狀設(shè)計成波浪刃口形狀，刃口面與平面形成1°角度，同時沿切邊線將刃口制作出R0.3～0.1的圓角，如圖9所示。對于超高強(qiáng)鋼刃口如有可能，則盡可能的加強(qiáng)。某款門防撞板設(shè)計時刃口加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖9 超高強(qiáng)鋼模具刃口設(shè)計

圖10 超高強(qiáng)鋼模具刃口加強(qiáng)設(shè)計

⑷沖頭和切刀間隙隨著鋼板強(qiáng)度的提高將增大。傳統(tǒng)軟鋼的刃口間隙一般為料厚的6%，而超高強(qiáng)鋼一般取料厚的8%～10%。對于前文項目案例中的前車門防撞板，設(shè)計時刃口間隙取10%的料厚。該模具使用一年后的跟蹤表明，該刃口間隙是非常合理的。

⑸在超高強(qiáng)度零件的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計中，模具壓料建議采用氮?dú)飧讐毫戏绞?，而不要采用彈簧壓料。氮?dú)飧姿芴峁┑某跏級毫狭σ葟椈纱蟮枚?，因此在超高?qiáng)度零件的沖壓過程中所發(fā)揮的壓料作用相對于普通彈簧更加明顯。

⑹超高強(qiáng)鋼沖頭建議采用重載沖頭。優(yōu)德精密工業(yè)的沖頭是針對超高強(qiáng)鋼不錯的解決方案。

⑺超高強(qiáng)鋼斜楔需要采用重負(fù)荷驅(qū)動斜楔，驅(qū)動面盡可能大，驅(qū)動斜楔靠山需要加強(qiáng)。自制斜楔基體材料優(yōu)先選用GGG70L。

⑻超高強(qiáng)鋼剪切和沖孔角度一般小于10°，對于小直徑?jīng)_頭需要保證垂直沖孔。

⑼超高強(qiáng)鋼需要采用剛性卸料，不得采用聚氨酯卸料。

⑽超高強(qiáng)鋼一般都需要經(jīng)過多輪的回彈補(bǔ)償，模具鑲塊設(shè)計時需要考慮必要的加工調(diào)整余量。對于回彈小的區(qū)域鑲塊最小厚度保證40mm即可，高回彈區(qū)域鑲塊厚度取40mm外加預(yù)估的最大回彈量。

模具材料

超高強(qiáng)鋼模具失效形式主要包括：磨損（磨粒磨損、粘著磨損、混合磨損）；崩刃（剝落性磨損）；開裂；粘著（咬合、冷焊）；塑性變形。

⑴超高強(qiáng)鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料及表面處理。

超高強(qiáng)鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料必須具備優(yōu)異的抗磨損和抗粘著性能。除此之外，模具材料必須有良好的熱處理性能和必要的表面涂層能力。對于深拉深和整形，要求鑲塊材料具有一定韌性，避免鑲塊的開裂。實(shí)踐證明，超高強(qiáng)鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料采用適當(dāng)?shù)谋砻嫱繉涌梢杂行Ы档湍＞呃?，明顯提高模具壽命。表1為上海大眾某超高強(qiáng)鋼拉延模和整形模模具成形鑲塊材料選取和模具鑲塊表面處理建議，表中加粗字為推薦方案。某車型前門防撞板成形模鑲塊PVD處理后生產(chǎn)20000次后的狀態(tài)，如圖11所示。

表1 超高強(qiáng)鋼拉延模和整形模模具成形鑲塊材料及表面處理

圖11 前門防撞板成形模鑲塊PVD處理

⑵超高強(qiáng)鋼切邊模材料及表面處理。

超高強(qiáng)鋼切邊模具材料必須具備優(yōu)異的抗磨損和抗崩刃性能。修邊模刀塊，一般不進(jìn)行涂層處理。表2為上海大眾超高強(qiáng)鋼修邊模刀塊材料選取建議。表中黑體字表示推薦方案。

表2 超高強(qiáng)鋼修邊模刀塊材料選取建議

模具調(diào)試

通過跟蹤多個項目的超高強(qiáng)度零件模具的調(diào)試，總結(jié)出以下針對高強(qiáng)度零件模具調(diào)試需要注意的一些問題：

⑴高強(qiáng)度零件對模具型面的研合率相對于普通材料要求更高，且模具型面要求研合更加均勻，當(dāng)模具型面研合率不夠或研合不均時，容易導(dǎo)致零件的回彈變形值的不確定性，給工藝人員確定回彈補(bǔ)嘗角度值帶來很大的困難，因此在進(jìn)行高強(qiáng)度零件模具制造過程中需要高度重視研合率（85%以上）的提高，建議在型面研合時采用刮藍(lán)油研合型面。

⑵高強(qiáng)度零件模具的每個工序所完成的工作盡量相對獨(dú)立，本道工序在工作時盡量不要影響上道工序中已經(jīng)到位的零件形面。如門檻加強(qiáng)板的OP30中已完成兩個小法蘭邊（圖12）的成形，所以在OP40中成形兩個大折邊（圖12）時，成形上刀塊下表面不能與兩個已成形的小法蘭邊接觸，一旦有接觸，則兩個大折邊和兩個小法蘭邊都將發(fā)生不確定的變形。

圖12 超高強(qiáng)鋼門檻調(diào)試次序

⑶在高強(qiáng)度零件的修邊、沖孔模具調(diào)試時，模具的壓料板不能壓在零件的R區(qū)域，且遵循能不壓料的部位盡量不壓料的原則對壓料板進(jìn)行避讓處理，只在需要切邊或沖孔的部位壓料，這樣可以減少零件的二次壓料變形。

⑷在門檻加強(qiáng)板的模具調(diào)試中，整個調(diào)試過程按嚴(yán)格的先后順序進(jìn)行，以O(shè)P20工序中已成形的面為基準(zhǔn)來依次調(diào)試后續(xù)工序中零件相應(yīng)的面。在本工序調(diào)試過程中，可以用自制的截面卡板來進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時檢測。除了用自制卡板進(jìn)行反彈量的測量外，還可以在沖壓件的關(guān)鍵截面上用激光切割測試孔，進(jìn)行反彈量的簡易測量。

⑸超高強(qiáng)鋼零件模具調(diào)試中對零件R角的處理很重要，在模具后續(xù)的鉗工微調(diào)過程中通過對R角區(qū)域材料變薄程度的控制可以很好地調(diào)整零件的回彈變形。對于超高強(qiáng)度門檻防撞板，其橫截面上的圓角一般按下公差進(jìn)行調(diào)試（零件產(chǎn)生破裂的除外），即圖紙要求，實(shí)際調(diào)模按R6調(diào)試。

⑹超高強(qiáng)鋼零件回彈量有時很大，有時造成零件根本無法在檢具上進(jìn)行檢查，對零件進(jìn)行白光或藍(lán)光掃描不失為一個重要手段。由于藍(lán)光掃描精度較高，零件大回彈建議采用藍(lán)光進(jìn)行掃描。利用藍(lán)光掃描數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同基準(zhǔn)進(jìn)行曲面擬合。通過對擬合數(shù)據(jù)的分析，可以清晰地判斷超高強(qiáng)鋼的扭轉(zhuǎn)趨勢，為模具整改提供方向。對于有配合的零件，可以借助藍(lán)光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬裝配，找出干涉點(diǎn)，從而找出基于汽車裝配抱怨的模具優(yōu)化方案。某款新車型超高強(qiáng)鋼前縱梁單件藍(lán)光掃描結(jié)果，如圖13所示，擬合是基于RPS的最佳擬合。該超高強(qiáng)鋼前縱梁與前縱梁封板的虛擬裝配情況，如圖14所示。

圖13 超高強(qiáng)鋼前縱梁單件藍(lán)光掃描結(jié)果

圖14 超高強(qiáng)鋼前縱梁與前縱梁封板虛擬裝配

結(jié)束語

通過對超高強(qiáng)度零件模具開發(fā)技術(shù)的一系列攻關(guān)，我們在超高強(qiáng)鋼模具開發(fā)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。這些經(jīng)驗(yàn)，在降低車型開發(fā)成本、加快車型開發(fā)進(jìn)度以及推動國內(nèi)超高強(qiáng)度零件模具開發(fā)技術(shù)的不斷提高等方面產(chǎn)生了積極的效果。