高強(qiáng)度鋼板梁類零件冷沖壓成形技術(shù)分析

杜海鵬 夏冰 王紅

摘 要：本文簡要分析了梁類部件的結(jié)構(gòu)與冷沖壓模具的特征，對比了高強(qiáng)度鋼板與一般低碳鋼板特性，詳細(xì)介紹了高強(qiáng)度鋼板梁類部件典型沖壓大小精度問題的類型以及影響要素，制定了管理角度回彈、側(cè)面翹曲、縱向扭曲的各種處理計劃，簡化了成形方法。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋼材;梁類部件;冷沖壓;成形方法

中圖分類號：TG386 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0086-02

1 高強(qiáng)度鋼板與一般低碳鋼板特性對比

高強(qiáng)度鋼板與一般低碳鋼板的重要性能對比結(jié)果如表1所示。

通過表1得知，高強(qiáng)度鋼材的бs與бb比低碳鋼材高很多、而n值與r值卻很低。所以高強(qiáng)度鋼材制成性能相對于低碳鋼板差、其極限相較于低碳鋼板低。高強(qiáng)度鋼板盡管與低碳鋼板那樣有破裂與起皺情況，但高強(qiáng)度鋼板部件的幾何尺寸與型面輪廓精度問題更加明顯，特別是回彈與翹曲的情況在同樣的條件下相較于一般鋼板更加嚴(yán)重，已變成影響高強(qiáng)度鋼板件生產(chǎn)的重要問題。很多專家就回彈問題進(jìn)行了諸多理論探究與生產(chǎn)測試，主要涉及回彈預(yù)計、回彈管理與回彈補(bǔ)償?shù)确疵妗１M管獲得了顯著成果，但和實際調(diào)試過程的回彈數(shù)值相差較大;此外，高強(qiáng)度鋼材CAE數(shù)值模擬研究趨勢和具體調(diào)試結(jié)構(gòu)比較吻合，可是回彈量的預(yù)計量有較大差別。

2 高強(qiáng)度鋼材梁類零件沖壓尺寸精度的影響要素

2.1 高強(qiáng)度鋼材回彈CAE研究影響要素

金屬板材出現(xiàn)塑性變形時，因為其晶體架構(gòu)與軋制工藝的區(qū)別，板材在各個方向上體現(xiàn)出的力學(xué)性能存在區(qū)別。對板材做單軸拉伸變化時，寬度角度的真實應(yīng)變和厚度方位的實際應(yīng)變之比是厚向異性指標(biāo)，板材順纖維縱向出現(xiàn)的彎曲方位與軋制方位夾角分別是0°、45°和直角的異性指標(biāo)記作R0°、R45°和R90°。在板材“V”彎曲有限元制成模擬階段，為了和實際的板材沖壓方法相統(tǒng)一，設(shè)置彎曲棱線盒軋制方位垂直，指拉、壓變形均在0°方向出現(xiàn)。所以，在沖壓深度與板寬比h0/b0=4.5，具體彎曲徑厚度比為10的狀態(tài)下，R0°愈大，回彈越明顯。指板材的厚度異性指標(biāo)愈大，變化時板寬角度變化越明顯、板厚方位變化愈小，切向變化越不全面，所以回彈加大。

2.2 制件參數(shù)的干擾

板材在實施“U”形彎曲變化時，凹凸模圓角半徑Rp、Rd，壓彎深度（h），凹凸?？障叮ě遥┡c凹?？诳缭剑╳）等技術(shù)參數(shù)均會影響板材卸下后的回彈。

（1）凸模圓角半徑（Rp）的干擾。Rp越小，部件的回彈角度改變越小。當(dāng)Rp半徑是0時，部件的回彈角度改變是0;Rp越大，部件的回彈角度改變會越大。變化機(jī)理為：若彎曲半徑較小，圓角位置的塑性變化量大，彈性變化量所占比重很小，所以回彈角很小;若彎曲半徑較大，塑性變化量小，彈性變化量所占比重很大，所以回彈角很大。在沖壓工藝與板材性能參數(shù)均一樣的狀態(tài)下，Rp不一樣時板材回彈后的外型;通過研究得知，伴隨Rp加大，凹模下部變化程度減小、變化區(qū)增大，側(cè)直邊的回彈角不斷擴(kuò)大，但是法蘭角的回彈變形很小。（2）凹模圓角半徑（Rd）的干擾。于“U”形件彎曲階段，當(dāng)Rd增大時，凹?？陔x凸模支點之間的彎曲間距大，板材在早期成形階段出現(xiàn)的彎曲范圍加大;這一被彎曲的區(qū)域伴隨成形的進(jìn)展出現(xiàn)彎曲恢復(fù)情況（即回彈），所以Rd愈大，零件的回彈角度改變愈大。還能夠發(fā)現(xiàn)，伴隨Rd加大，法蘭邊回彈角也明顯減小。（3）凹凸?？障兜母蓴_。伴隨模具空隙的加大，側(cè)壁回彈角產(chǎn)生明顯加大的趨勢。這是因為空隙加大就像側(cè)直邊的折彎角度加大，所以板材變化程度降低，變化區(qū)擴(kuò)大，回彈變化;且空隙的增大縮小了入料阻力，板材塑性變化量縮小，回彈也將由此加大。相對比下，法蘭回彈角對制件空隙的敏感度沒有側(cè)壁回彈角顯著。（4）凹?？诳缭絯的干擾。凹?？诳缍葹?0mm、30mm、40mm、與50mm時板材回彈后的形狀比較能夠發(fā)現(xiàn)，凹模口跨度加大時，回彈最終的側(cè)直邊、法蘭邊都類似平行，指回彈角大致固定[1]。在板材“U”形彎曲時，“U”形下部直邊范圍的大多數(shù)是變化死區(qū)、變化量較小，擴(kuò)大凹?？诳缍葍H僅是加大了變化死區(qū)的跨度，幾乎不會干擾塑性變化，所以回彈角基本未改變。（5）壓彎深度h的干擾。壓彎深度在20mm、30mm、40mm、與50mm時板材回彈后的形狀比較能夠發(fā)現(xiàn)，伴隨壓彎深度加大，側(cè)直邊長度會加大，塑性變化范圍隨之變大，彈性變化成分總量也會增多，所以側(cè)直邊回彈角伴隨壓彎深度加大產(chǎn)生了較大的加大趨勢。收彎曲深度干擾，法蘭角的回彈將產(chǎn)生明顯加大。（6）模具形狀的干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，在“U”形件彎曲階段，彎曲角度愈大、成形高度H愈高，那么回彈角變形愈大[2]。這是因為在其它條件固定的基礎(chǔ)上，彎曲角度愈大和成形高度愈高，彈性變化累計愈多，造成回彈角愈大。

2.3 板材對回彈角度的干擾

（1）板材強(qiáng)度的干擾。比較剛強(qiáng)度鋼板與一般鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠發(fā)現(xiàn)，在同樣的變化程度狀態(tài)下，高強(qiáng)度鋼材塑性變化占總應(yīng)變的比重明顯低于一般鋼板，因此高強(qiáng)度鋼材的回彈角度超過一般鋼板。（2）材料厚度的干擾。板材厚度愈厚，回彈角度變形愈小。這是因為加大了板厚，進(jìn)而提升了部件的剛度。

2.4 壁翹曲與內(nèi)凹出現(xiàn)的機(jī)理

板材下部圓角范圍中性層內(nèi)壁受壓應(yīng)力而出現(xiàn)壓縮變化，圓角外邊板材受拉應(yīng)力影響出現(xiàn)拉伸變化[3]。部件脫模后，整體應(yīng)變中彈性應(yīng)變引起的殘余應(yīng)力排放令側(cè)壁朝外出現(xiàn)角度變形;同理，脫模后法蘭朝下出現(xiàn)角度變化及翹曲。下面講述凹凸模外形與產(chǎn)品零件外形對壁翹曲的干擾。

（1）凹?？趫A角半徑的干擾。經(jīng)過縮減凹模圓角半徑，令壁翹曲出現(xiàn)由外翹朝內(nèi)翹的改變，最后確定能夠令壁翹曲大概是0的凹模圓角尺寸。內(nèi)凹情況是板材通過凹模圓角過程，側(cè)面在凹模口圓角位置出現(xiàn)彎曲變化形成的內(nèi)凹情況。此外，板材強(qiáng)度愈大，外翹傾向愈強(qiáng)。為了令壁翹曲是0的凹?？趫A角半徑最優(yōu)值減小，需要結(jié)合板材強(qiáng)度及板厚選取合適的凹模圓角半徑愈凹凸?？障丁Ｍㄟ^多次測試，當(dāng)Rd/t小于4時，伴隨Rd/t的降低，壁翹曲慢慢減小。這是因為當(dāng)Rd減小時，板材在彎曲、拉延成形階段出現(xiàn)的塑性變形加大，板厚內(nèi)外的應(yīng)力差減小的原因[4]。（2）凹凸模空隙б對壁翹曲的干擾。當(dāng)凹凸模的空隙腳下（指c/t<1時），因為板材出現(xiàn)變薄拉伸，降低了造成壁翹曲的板厚內(nèi)外應(yīng)力差;伴隨c/t的降低，壁翹曲也降低;此外，當(dāng)c/t大于1時，因為板材在凹凸模的空隙中出現(xiàn)反向彎曲，進(jìn)而導(dǎo)致壁翹曲值出現(xiàn)改變;當(dāng)c/t處于1.2-1.4范圍時，壁翹曲是最小;當(dāng)c/t大于1.4時，因為較大的空隙導(dǎo)致反向彎曲比較遲緩，所以再次提高了外翹的趨勢。（3）縱壁傾斜方向的干擾。梁類部件在壓彎成形階段，傾斜壁與垂直壁的壁翹曲大小不一樣，傾斜壁的翹曲相較于垂直比偏小[5]。這是因為除傾斜壁翹曲的出現(xiàn)范圍變小以外，在成形最終，傾斜壁位置凹凸?？障妒橇?，也降低了該范圍的回彈。（4）縱向變化的梁類部件彎曲曲率半徑R干擾壁翹曲。R愈小，壁翹曲量會愈小。這是因為曲率半徑縮小時，外形的約束力增大的原因。（5）板材強(qiáng)度干擾壁翹曲。伴隨板材強(qiáng)度的提高，彈性應(yīng)變占整體應(yīng)變比例不斷加大，造成縱壁翹曲加大。

3 回彈角度改變、壁翹曲愈扭曲的防范方法

（1）壓邊力的干擾。在壓邊力高的位置，板材塑性變化比例增加、殘留彈性變化削減?？v壁部出現(xiàn)彎曲、反彎曲的單一拉應(yīng)力加大，令側(cè)邊的殘留彈性變形大幅度削減，而且令縱向曲面中含有的變形應(yīng)力明顯降低，因此可以令部件的壁翹曲、回彈以及扭曲變小。由此，為降低壁翹曲、扭曲與回彈，提升壓邊力屬于有效的方法之一。但是，若壓邊力較大，那么零件有出現(xiàn)裂痕的風(fēng)險，采取可變壓邊力方法就可以控制裂痕與降低壁翹曲。（2）梁類部件拉延側(cè)邊階梯式補(bǔ)充辦法。梁類部件選擇拉延側(cè)面階梯式補(bǔ)充辦法，也是降低壁翹曲的重要計劃之一。其原理和管理壓邊力機(jī)理一樣，是能夠通過制件結(jié)構(gòu)規(guī)劃實現(xiàn)的重要技術(shù)計劃。階梯式拉深指在金屬模臺肩位置設(shè)置階梯形狀，經(jīng)過在成形末期成形這一階梯狀對縱面施加附屬張力，以降低壁翹曲的成形辦法，但板材使用率大幅度下降了[6]。（3）滑塊鎖定架構(gòu)成形方式?；瑝K鎖定架構(gòu)成形方式是通過在拉延制件上安裝滑動凸輪結(jié)構(gòu)，旨在成形后半程把壓料筋慢慢鎖緊，進(jìn)而提升尺寸精度的辦法。（4）在側(cè)壁加入增強(qiáng)筋去除壁翹曲的辦法。（5）凸、凹?？趫A角半徑管理。實驗表明，凸模圓角半徑愈大，模具壁翹曲愈大，反而愈小;凹模圓角半徑愈小，壁翹曲愈小。（6）后序整形與翻邊?？障兜陌芽亍：笮蛘文?、凹凸翻邊模的空隙不得根據(jù)1個料厚空隙取值，由于板材通過拉伸變化后變薄。反復(fù)調(diào)試測試表明，當(dāng)整形與翻邊凹凸?？障禼/t-0.9時，調(diào)整壁翹曲的成效最好。

4 結(jié)語

總之，為提高汽車安全性、得到車體輕量化，高強(qiáng)度鋼板于車體零件上的使用比例不斷增加。因為高強(qiáng)度鋼板成型效果沒有一般鋼板好，且成型后有明顯的回彈與扭曲情況。所以，有關(guān)高強(qiáng)度鋼板部件的沖壓新方法與回彈補(bǔ)償管理等方面的問題探究深受學(xué)術(shù)界與工程界的重視，而且上文對此進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

參考文獻(xiàn)

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