超高強度零件模具國產化

文/高義峰，童亞平，陳瑞，李晶·上海大眾汽車有限公司

超高強度零件模具國產化

文/高義峰，童亞平，陳瑞，李晶·上海大眾汽車有限公司

高義峰，工學碩士，畢業于吉林工業大學，主要從事白車身沖壓件模具規劃工作，對于超高強鋼結構件，熱成形零件的模具工藝和模具結構有較為深入的研究，現為中國鍛壓協會“頭腦風暴”專家庫專家。

隨著國家環保要求的越來越高，汽車設計不斷地向著節能環保的目標發展。而在汽車設計中的輕量化車身設計，除了降低整車裝備重量，提高燃油經濟性外，還降低了整車每公里二氧化碳的排放量，因而對節能環保來說是非常重要的一環。與此同時，對汽車安全性的要求也越來越高，FMVSS216車頂防撞試驗，EuroNCAP側碰試驗及翻滾試驗等一系列新的碰撞法規，對汽車設計提出了新的挑戰。要想在減輕車身質量的同時，不斷提高車身結構的抗碰撞性能，以保護乘車人安全，因此車身設計的一個趨勢就是大量地采用質量輕、強度高的超高強度材料，尤其是車身的主要抗碰撞區域。為此，上海大眾采用了超高強鋼和熱成形兩條技術路線來滿足該要求。本文僅對超高強鋼的模具開發進行探討。

超高強度零件的廣泛使用，給沖壓模具的開發工作帶來了許多技術難題，例如零件的回彈問題、零件的扭曲問題、側壁反凹問題、模具刃口強度問題以及模具結構強度問題等等。本文將結合這些隨超高強鋼的應用而產生的新問題在模具沖壓工藝設計、模具結構設計、模具材料選擇以及模具調試這四個方面進行深入的分析和探討。

沖壓工藝設計

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

⑴應優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。當零件拉延深度較大時，如果采用拉延工藝，則零件側面容易產生反R現象（圖1），而且這種反R現象很難改善，只有通過側整方式，在零件側面沿反R區域作一條折線，才能稍微改善一點，但對表面質量影響較大。而且超高強度零件上采用拉延工藝其實拉延效果并不明顯，因為超高強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構件，材質為HX420＋Z100MB，采用拉延工藝零件反R嚴重，最大反R值約為2mm。將壓邊圈鎖死后，進行成形試驗，零件反R值降低到0.5mm。

圖1 超高強鋼拉延成形時的側壁反R現象

圖2 拉延更改為成形后反R明顯降低

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

圖3 門檻加強板回彈補償情況

⑶為了便于超高強度零件的后續模具調試，因此在工藝設計時盡量考慮兩個關聯尺寸不要在同一個工序中完成成形，當兩個關聯尺寸在同一工序中成形并出現回彈時，模具調試工作將非常困難。某款車型超高強鋼門檻加強板成形相關工序橫截面示意圖，如圖4所示。如果每序成形只調整一個關鍵尺寸，則超高強鋼模具調試難度大大降低。

圖4 超高強門檻加強板成形工藝

前車門防撞板實例

該零件材料為：HC660XD＋Z100MBO，料厚為1.35mm，材料的屈服強度σs為660～780MPa；抗拉強度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 超高強前車門防撞板

工藝布置

該零件工藝采用成形工藝，一共設計為四個工序，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考慮：1）超高強度鋼零件優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律可循的，抓準修邊線比較容易，同時產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，該面為基準面，可以為后續修模提供參考，調試更方便；2）第二次成形對第一次成形影響較?。?）先成中間，由于R值較成一個大包要小，所以反彈量相對較小；4）先成中間凸筋，再成兩邊凸筋的方式模具結構強度相對更好。

圖6 超高強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，不能采用先預沖后精沖的方式，則可以利用兩端頭，預先沖兩定位孔，最后再修掉。

模具結構設計

超高強度零件在沖壓成形時所產生的成形力與沖裁力是普通板材的數倍，同時超高強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重，因此在進行模具結構設計時需要注意如下幾個方面：

⑴成形類模架基體材料適當升級，可采用QT500。在進行模具主體結構設計時，模具鑄件的筋條厚度按50、60、70原則來設計，即副筋厚度為50mm，主筋厚度為60mm，型面厚度為70mm。模具結構設計時盡量不要設計減重孔，對于中小型模具更趨向于將筋條設計成實心，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模具鑲塊的安裝優先考慮沉入式安裝方式，如圖8所示。這樣的結構有利于減輕因大的沖壓成形力而導致鑲塊向外脹裂的問題。

圖8 超高強鋼模具鑲塊沉入式安裝

⑶超高強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生極大的噪音，同時生產所需的壓機噸位必須加大。因此需要將模具刃口形狀設計成波浪刃口形狀，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。對于超高強鋼刃口如有可能，則盡可能的加強。某款門防撞板設計時刃口加強結構，如圖10所示。

圖9 超高強鋼模具刃口設計

圖10 超高強鋼模具刃口加強設計

⑷沖頭和切刀間隙隨著鋼板強度的提高將增大。傳統軟鋼的刃口間隙一般為料厚的6%，而超高強鋼一般取料厚的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在超高強度零件的模具結構設計中，模具壓料建議采用氮氣缸壓料方式，而不要采用彈簧壓料。氮氣缸所能提供的初始壓料力要比彈簧大得多，因此在超高強度零件的沖壓過程中所發揮的壓料作用相對于普通彈簧更加明顯。

⑹超高強鋼沖頭建議采用重載沖頭。優德精密工業的沖頭是針對超高強鋼不錯的解決方案。

⑺超高強鋼斜楔需要采用重負荷驅動斜楔，驅動面盡可能大，驅動斜楔靠山需要加強。自制斜楔基體材料優先選用GGG70L。

⑻超高強鋼剪切和沖孔角度一般小于10°，對于小直徑沖頭需要保證垂直沖孔。

⑼超高強鋼需要采用剛性卸料，不得采用聚氨酯卸料。

⑽超高強鋼一般都需要經過多輪的回彈補償，模具鑲塊設計時需要考慮必要的加工調整余量。對于回彈小的區域鑲塊最小厚度保證40mm即可，高回彈區域鑲塊厚度取40mm外加預估的最大回彈量。

模具材料

超高強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超高強鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料及表面處理。

超高強鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料必須具備優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。實踐證明，超高強鋼拉延模和整形模模具鑲塊材料采用適當的表面涂層可以有效降低模具拉毛，明顯提高模具壽命。表1為上海大眾某超高強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20000次后的狀態，如圖11所示。

表1 超高強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超高強鋼切邊模材料及表面處理。

超高強鋼切邊模具材料必須具備優異的抗磨損和抗崩刃性能。修邊模刀塊，一般不進行涂層處理。表2為上海大眾超高強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 超高強鋼修邊模刀塊材料選取建議

模具調試

通過跟蹤多個項目的超高強度零件模具的調試，總結出以下針對高強度零件模具調試需要注意的一些問題：

⑴高強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，當模具型面研合率不夠或研合不均時，容易導致零件的回彈變形值的不確定性，給工藝人員確定回彈補嘗角度值帶來很大的困難，因此在進行高強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油研合型面。

⑵高強度零件模具的每個工序所完成的工作盡量相對獨立，本道工序在工作時盡量不要影響上道工序中已經到位的零件形面。如門檻加強板的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生不確定的變形。

圖12 超高強鋼門檻調試次序

⑶在高強度零件的修邊、沖孔模具調試時，模具的壓料板不能壓在零件的R區域，且遵循能不壓料的部位盡量不壓料的原則對壓料板進行避讓處理，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在門檻加強板的模具調試中，整個調試過程按嚴格的先后順序進行，以OP20工序中已成形的面為基準來依次調試后續工序中零件相應的面。在本工序調試過程中，可以用自制的截面卡板來進行現場實時檢測。除了用自制卡板進行反彈量的測量外，還可以在沖壓件的關鍵截面上用激光切割測試孔，進行反彈量的簡易測量。

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

⑹超高強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行檢查，對零件進行白光或藍光掃描不失為一個重要手段。由于藍光掃描精度較高，零件大回彈建議采用藍光進行掃描。利用藍光掃描數據，可以根據不同基準進行曲面擬合。通過對擬合數據的分析，可以清晰地判斷超高強鋼的扭轉趨勢，為模具整改提供方向。對于有配合的零件，可以借助藍光掃描數據進行虛擬裝配，找出干涉點，從而找出基于汽車裝配抱怨的模具優化方案。某款新車型超高強鋼前縱梁單件藍光掃描結果，如圖13所示，擬合是基于RPS的最佳擬合。該超高強鋼前縱梁與前縱梁封板的虛擬裝配情況，如圖14所示。

圖13 超高強鋼前縱梁單件藍光掃描結果

圖14 超高強鋼前縱梁與前縱梁封板虛擬裝配

結束語

通過對超高強度零件模具開發技術的一系列攻關，我們在超高強鋼模具開發領域積累了豐富的經驗。這些經驗，在降低車型開發成本、加快車型開發進度以及推動國內超高強度零件模具開發技術的不斷提高等方面產生了積極的效果。