780MPa超高強(qiáng)鋼沖壓工藝設(shè)計(jì)

文／阮林凡，劉春雨，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

780MPa超高強(qiáng)鋼沖壓工藝設(shè)計(jì)

文／阮林凡，劉春雨，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

汽車用超高強(qiáng)鋼板成為各大汽車廠實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一大選擇，本文對780MPa超高強(qiáng)度鋼左/右門檻內(nèi)板前段的沖壓工藝方案及數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的論述，并通過選擇合理的成形方式和工藝方案及應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化回彈補(bǔ)償，保證了零件的成形性及精度要求。

節(jié)能環(huán)保越來越成為了公眾關(guān)注的話題，輕量化這一概念也廣泛應(yīng)用到普通汽車領(lǐng)域，輕量化的汽車在提高操控性的同時(shí)也有出色的節(jié)油表現(xiàn)。汽車的油耗主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的排量和汽車的總質(zhì)量，在保持汽車整體品質(zhì)、性能和造價(jià)不變甚至優(yōu)化的前提下，降低汽車自身重量可以提高輸出功率、降低油耗、減少廢氣排放量。

汽車輕量化的一個(gè)重要途徑就是降低白車身鋼板厚度，普通鋼板降低厚度會導(dǎo)致車身的整體強(qiáng)度同時(shí)降低，乘員的安全無法得到保障。高強(qiáng)度鋼板尤其是超高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用可完美實(shí)現(xiàn)降低車身重量的同時(shí)強(qiáng)度不降低甚至提高的目的。超高強(qiáng)度鋼板給沖壓工藝帶來了很大的難度，尤其回彈、扭曲等質(zhì)量缺陷難以控制。本文通過某車型780MPa超高強(qiáng)鋼左/右門檻內(nèi)板前段的工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行論述。

產(chǎn)品分析

該車型的左/右門檻內(nèi)板前段產(chǎn)品形狀為典型的U形梁類件，如圖1所示。

該零件料厚1.6mm，材質(zhì)為B400/780DP，材料參數(shù)如表1。

圖1 零件圖

表1 材料參數(shù)

該件呈U形，左右件完全對稱，兩端開口棱線處約束回彈的形狀很少，且B400/780DP材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了780MPa，屬于超高強(qiáng)度鋼板，成形時(shí)兩側(cè)壁回彈難以控制。該件位于車身發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成與側(cè)圍總成連接處，搭接件較多，對面差、止口、孔的精度要求較高。

成形方式的確定

傳統(tǒng)的成形方式

該件整體形狀較為簡單，采用落料后成形的成形方式。一般采取3次成形工藝（圖2），落料后經(jīng)兩次成形加一次側(cè)整回彈將產(chǎn)品成形到位后沖孔，共5序。

圖2 傳統(tǒng)的成形方式工序圖

這種成形方式工序較多，需要5序才能完成，且回彈控制較困難，需要多輪調(diào)試才能將側(cè)整的回彈補(bǔ)償抓準(zhǔn)。

優(yōu)化后的成形方式

通過工藝改進(jìn)將成形工序簡化為2序（圖3），落料后先將產(chǎn)品預(yù)成形成“W”形，然后側(cè)整成形及側(cè)整回彈將產(chǎn)品成形到位后沖孔，共4序。

圖3 優(yōu)化后的成形方式工序圖

這種成形方式有以下優(yōu)點(diǎn)：1）工序較少，4序即可完成；2）零件止口精度較易控制；3）棱線部位經(jīng)過兩次變形，產(chǎn)生兩次加工硬化，棱線部位內(nèi)部應(yīng)力釋放較多，側(cè)壁回彈較好控制。

沖壓工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)以上優(yōu)化后的成形方式，采取沖壓工藝方案為：OP10落料→OP20成形→OP30側(cè)整形成形→OP40沖孔側(cè)沖孔。

左右件為對稱件，且零件長度僅為400mm，采用左右件合模方式，且OP20有兩處上翻成形，采用合模方式還可以消除翻邊側(cè)向力。

OP10落料工序設(shè)計(jì)

⑴坯料展開。此件形狀較為簡單，使用AutoForm軟件將產(chǎn)品做一次展開，即可得到產(chǎn)品的展開形狀（圖4），左右件為完全對稱形狀，可共用一副落料模。

圖4 產(chǎn)品落料片形狀

⑵排樣。由于該件右上角部位伸出一個(gè)形狀，單片落料材料利用率較低，因此采取一個(gè)毛坯落兩片料的對排排樣落料方式，將伸出形狀的廢料加以利用，搭邊值取4mm（一般為2～2.5倍壁厚），此排樣落料方式的材料利用率高達(dá)81.2%（圖5）。

圖5 落料排樣圖

圖6 成形工序圖及局部斷面圖

圖7 側(cè)整形工序圖及局部斷面圖

圖8 沖孔側(cè)沖孔工序圖及局部斷面圖

OP20成形工序設(shè)計(jì)

該工序先將產(chǎn)品成形為“W”形狀（圖6），“W”形相對于產(chǎn)品成30°夾角，該形狀為向下成形FO(down），另該產(chǎn)品端頭還有向上成形形狀FO(up），所以該工序需設(shè)計(jì)成上下雙浮動(dòng)成形，下托料芯采用機(jī)床氣頂桿提供壓力源，上壓料芯采用氮?dú)鈴椈商峁毫υ础?/p>

OP30側(cè)整形工序設(shè)計(jì)

若采用正向整形工藝，回彈不好控制，現(xiàn)場回彈整改難度大，且產(chǎn)品側(cè)壁角度較小，回彈補(bǔ)償后易出現(xiàn)負(fù)角，正向整形無法完成負(fù)角的整形內(nèi)容，而采用側(cè)整形能完美解決這些問題。

由于該工序整形后產(chǎn)品會存在負(fù)角，導(dǎo)致整形后無法取件，故將這序沖壓方向相對于上一序旋轉(zhuǎn)5°，保證順利取件。側(cè)整形的角度應(yīng)盡量與上一序成形后的側(cè)壁垂直，這樣可以保證側(cè)整時(shí)刀塊與料片同時(shí)接觸，這里我們定為60°（圖7）。

OP40沖孔側(cè)沖孔工序設(shè)計(jì)

側(cè)整形完成后，產(chǎn)品形狀穩(wěn)定，且零件對孔精度要求較高，所有沖孔在該工序完成。與沖壓方向平行孔采用正沖，側(cè)面孔采用側(cè)沖（圖8）。

CAE驗(yàn)證及回彈計(jì)算

OP20成形工序的CAE驗(yàn)證

由于材料抗拉強(qiáng)度達(dá)到了780MPa，內(nèi)部應(yīng)力較大，回彈較嚴(yán)重，但由于后序還有一序側(cè)整形，該序回彈可暫不考慮，回彈在側(cè)整形工序進(jìn)行驗(yàn)證，該工序重點(diǎn)驗(yàn)證成形中的起皺及開裂。

采用AutoForm模擬軟件分析，從計(jì)算結(jié)果看產(chǎn)品無開裂風(fēng)險(xiǎn)，局部有起皺趨勢，在可接受范圍內(nèi)，該工序工藝造型設(shè)計(jì)可行（圖9）。

圖9 成形工序CAE結(jié)果圖

圖10 側(cè)整形工序CAE結(jié)果圖

圖11 側(cè)整形工序回彈分析CAE結(jié)果圖

圖12 回彈補(bǔ)償及回彈補(bǔ)償斷面圖

圖13 零件實(shí)物圖

OP30側(cè)整形工序的CAE驗(yàn)證及回彈量的計(jì)算

該工序需驗(yàn)證兩個(gè)方面，一方面驗(yàn)證成形性，有無開裂起皺風(fēng)險(xiǎn)；另一方面計(jì)算側(cè)整形后產(chǎn)品的回彈量，為后續(xù)回彈補(bǔ)償提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

從AutoForm模擬分析軟件的計(jì)算結(jié)果（圖10）看，產(chǎn)品無開裂風(fēng)險(xiǎn)，局部有起皺趨勢，在可接受范圍內(nèi)，該工序工藝造型設(shè)計(jì)可行。

回彈的計(jì)算結(jié)果如圖11所示。從結(jié)果看兩側(cè)壁及法蘭回彈較大，最大約5mm，回彈從頂部棱線向外張。

回彈補(bǔ)償

根據(jù)以上計(jì)算的回彈值采用ThinkDesign軟件制作回彈補(bǔ)償造型，將回彈補(bǔ)償造型應(yīng)用到側(cè)整形工序中，保證側(cè)整形后能回彈到產(chǎn)品的狀態(tài)。如圖12所示。

實(shí)踐驗(yàn)證

通過現(xiàn)場的加工、調(diào)試，零件成形性良好無開裂、起皺等缺陷，回彈量在公差范圍之內(nèi)，面差、止口、孔滿足精度要求，裝車狀態(tài)良好，表明工藝方案可行，回彈補(bǔ)償合理。圖13所示是成形后的零件實(shí)物圖。

結(jié)束語

通過合理的選擇成形方式和準(zhǔn)確的CAE模擬分析，可以降低零件產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，減少工序數(shù)量，降低模具開發(fā)成本，保證該零件的成形性及精度要求，零件回彈通過回彈補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化也得到了有效的控制。

阮林凡，工程師，主要從事汽車覆蓋件的沖壓成形工藝及模具開發(fā)工作，主要研究方向?yàn)槠囃飧采w件及高強(qiáng)度鋼零件的沖壓沖壓成形工藝及模具設(shè)計(jì)，獲1項(xiàng)實(shí)用新型專利。