轎車梁類沖壓件回彈的原因分析及解決措施

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

轎車梁類沖壓件回彈的原因分析及解決措施

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

在非承載式汽車車身中，梁類沖壓件是轎車車身中最重要的零件，如邊梁內(nèi)板、縱梁內(nèi)板等沖壓件。梁類沖壓件具有高強(qiáng)度、高硬度、形狀復(fù)雜、板材厚等特點(diǎn)，梁類沖壓件的成形是在力的作用下發(fā)生的復(fù)雜彈塑性變形，成形過(guò)程中可能出現(xiàn)多種缺陷，如開裂、起皺、回彈等，回彈是梁類沖壓件最常出現(xiàn)的問(wèn)題，直接影響沖壓件的裝配質(zhì)量和使用壽命。

本文重點(diǎn)對(duì)轎車梁類沖壓件回彈產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，通過(guò)幾種典型梁類沖壓件回彈解決方案，從沖壓工藝、模具設(shè)計(jì)、模具調(diào)試、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等方面提出梁類沖壓件回彈的控制措施。

轎車梁類沖壓件成形工藝及回彈缺陷分析

轎車梁類沖壓件的成形工藝

梁類沖壓件截面多為“幾”字形，沖壓板材多為高強(qiáng)板，屈服強(qiáng)度一般為210～550MPa，隨著轎車車身輕量化的發(fā)展，梁類沖壓件采用超高強(qiáng)板已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，其板材的屈服強(qiáng)度達(dá)到550MPa以上，以滿足整車結(jié)構(gòu)對(duì)梁類沖壓件的安全性要求，梁類沖壓件形狀復(fù)雜，屬于變截面成形，梁類沖壓件的這些特性增加了沖壓成形的難度，特別是沖壓件的側(cè)壁回彈控制，是沖壓成形工藝重點(diǎn)研究的對(duì)象。

梁類沖壓件多為變截面，轎車梁類沖壓件的沖壓工藝通常采用拉延的成形工藝，然后對(duì)其進(jìn)行修、沖的分離工藝，最后采用翻、整的成形工序?qū)α侯悰_壓件進(jìn)行最終校形。在各工藝中拉延工藝是主要的成形工藝，拉延工藝的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

典型轎車梁類沖壓件拉延工藝模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，模具由凸模、凹模和壓料圈組成，拉延成形時(shí)凹模和壓料圈壓住板料四周一起向下運(yùn)動(dòng)，使板料包裹在凸模上，最終板料被凸模和凹模形成的型腔約束成一定形狀的拉延工序件。

轎車梁類沖壓件回彈的原因分析

圖1 典型轎車梁類沖壓件拉延模具結(jié)構(gòu)

轎車梁類沖壓件拉延成形時(shí)，板料內(nèi)外緣表層纖維進(jìn)入塑性狀態(tài)，而板料中心仍處于彈性狀態(tài)，這時(shí)當(dāng)拉延成形力去除后，板料就會(huì)產(chǎn)生塑性變形，金屬的塑性變形總是伴有彈性變形。所以板料彎曲時(shí)，即使內(nèi)外層纖維全部進(jìn)入塑性狀態(tài)，在去除拉延的成形力時(shí)，彈性變形消失也會(huì)出現(xiàn)回彈，如圖2所示。梁類高強(qiáng)板零件回彈問(wèn)題尤為突出。

圖2 梁類件拉延成形及回彈缺陷示意

通過(guò)對(duì)拉延成形過(guò)程分析可知，板料在流過(guò)凹模圓角時(shí)產(chǎn)生很大的變形，在此過(guò)程中板料內(nèi)外層的變形情況為：零件內(nèi)側(cè)板料先產(chǎn)生線長(zhǎng)伸長(zhǎng)的變形，后產(chǎn)生線長(zhǎng)縮短的變形；零件外側(cè)板料先產(chǎn)生線長(zhǎng)縮短的變形，后產(chǎn)生線長(zhǎng)伸長(zhǎng)的變形，成形完成后，零件內(nèi)側(cè)板料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，零件外側(cè)板料產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。如圖3所示，當(dāng)模具所施加的成形力去除后，零件內(nèi)的板厚方向殘余應(yīng)力削弱，彈性變形釋放，零件產(chǎn)生回彈翹曲。板料的屈服強(qiáng)度越高，在塑性變形前彈性變形量就越大，相比強(qiáng)度較低板料零件回彈趨勢(shì)更大，回彈的控制更加困難。

沖壓拉延成形過(guò)程板料變形復(fù)雜，各處應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不一致，而且隨著變形而變化，控制困難，這對(duì)沖壓工藝提出了挑戰(zhàn)。沖壓工藝和模具的設(shè)計(jì)要根據(jù)具體零件進(jìn)行具體分析，充分考慮到零件成形過(guò)程中可能存在的困難和缺陷，同時(shí)要保證模具制造維修便利，保證模具強(qiáng)度和提高模具壽命，提高生產(chǎn)效率，降低成本，還要考慮材料的利用率，不能造成不必要的材料消耗。

轎車梁類沖壓件成形過(guò)程回彈控制

典型實(shí)例一：某轎車邊梁內(nèi)板

圖3 轎車梁類沖壓回彈原因分析示意

圖4 某轎車邊梁內(nèi)板

圖4 為某轎車邊梁內(nèi)板沖壓件，沖壓件材料為780Y，材料厚度為1.0mm，屈服強(qiáng)度＞400MPa，材料屬于高強(qiáng)板。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)邊梁內(nèi)板沖壓件形狀較簡(jiǎn)單，零件截面趨近于等截面。對(duì)于此類形狀簡(jiǎn)單的梁類零件的沖壓工藝應(yīng)避免采用拉延成形一次到位，而是先進(jìn)行落料沖孔，再采用壓彎預(yù)成形，最后采用翻邊整形工藝得到最終產(chǎn)品形狀，工藝如圖5所示。

圖5 邊梁內(nèi)板沖壓DL圖

采用此沖壓工藝板料變形區(qū)域主要集中在零件R角位置，R角位置變形量大，塑性變形充分，彈性變形占總變形比重較小，而零件側(cè)壁位置基本不產(chǎn)生變形，避免了由于變形殘余應(yīng)力導(dǎo)致的側(cè)壁回彈翹曲。同時(shí)，采用此工藝與拉延成形相比較模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模具制造維修便利，板料尺寸小，成形力小，可以降低零件的生產(chǎn)成本。因此，對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的制件，優(yōu)先采用先落料后成形的工藝，此工藝既可以減小側(cè)壁的回彈變形，又降低了零件的生產(chǎn)成本。如圖6所示，零件成形后側(cè)壁平直，尺寸與產(chǎn)品符合度高。

圖6 前地板后縱梁

典型實(shí)例二：某轎車縱梁內(nèi)板

縱梁內(nèi)板是轎車上重要的梁類零件，對(duì)車身的強(qiáng)度、剛度影響極大，是車身重要的承載、安全零件。圖7為某車型縱梁內(nèi)板沖壓件，可以看出縱梁內(nèi)板形狀復(fù)雜，零件截面變化劇烈，零件縱向呈圓弧形。板料材質(zhì)為590YD+Z-60/60，屈服強(qiáng)度＞300MPa，屬于高強(qiáng)板，增加了沖壓成形的難度。

圖7 縱梁內(nèi)板

此零件在沖壓工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采用開口拉延的成形工藝，未能解決零件側(cè)壁回彈的問(wèn)題，生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中制件側(cè)壁回彈嚴(yán)重，尺寸偏差過(guò)大，無(wú)法滿足裝車要求。缺陷如圖8所示，側(cè)壁回彈嚴(yán)重，零件翹曲。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試此問(wèn)題未能解決。

圖8 縱梁內(nèi)板側(cè)壁回彈

現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行分析，零件形狀復(fù)雜，無(wú)法采用落料成形工藝，必須采用拉延工藝，這就需要找到合理措施來(lái)控制拉延零件側(cè)壁回彈的問(wèn)題。零件開口夾角為10°，若在凸凹模具上做出足夠回彈補(bǔ)償量，將出現(xiàn)拉延負(fù)角，因此此方案不可行。考慮到零件產(chǎn)品形狀及匹配關(guān)系，最終從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度增加零件剛性，更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在零件側(cè)壁增加形狀凍結(jié)筋，增加零件側(cè)壁成形后的穩(wěn)定性，減小側(cè)壁回彈量，如圖9所示。

調(diào)試結(jié)果表明，縱梁內(nèi)板增加形狀凍結(jié)筋后，零件側(cè)壁回彈缺陷得到明顯改善，側(cè)壁變得平直，零件開口尺寸與前期相比減小4～5mm。同時(shí)，在調(diào)試過(guò)程中，還采用大壓邊力，增加進(jìn)料阻力，這樣使側(cè)壁產(chǎn)生一定的附加拉應(yīng)力，在一定程度上減小板料內(nèi)外兩側(cè)內(nèi)應(yīng)力不同帶來(lái)的彈性變形。試驗(yàn)表明采用300t壓邊力比采用200t壓邊力零件開口尺寸小1～2mm。

圖9 縱梁內(nèi)板增加形狀凍結(jié)筋

對(duì)于側(cè)壁開口夾角較小而且形狀復(fù)雜的梁類零件，沖壓工藝在拉延成形時(shí)無(wú)法做出回彈補(bǔ)償量矯正側(cè)壁的回彈，只能增加成形工序來(lái)解決。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮側(cè)壁的剛性，適當(dāng)增加形狀凍結(jié)筋可有效提高零件側(cè)壁剛性，減小拉延成形后側(cè)壁回彈問(wèn)題，同時(shí)在滿足零件不縮頸及開裂情況下采用大的壓邊力有利于減小零件側(cè)壁回彈問(wèn)題。

結(jié)束語(yǔ)

回彈對(duì)于汽車梁類沖壓件來(lái)說(shuō)是較難解決的問(wèn)題，減少或消除回彈最佳的時(shí)機(jī)是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和模具開發(fā)階段。借助分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)回彈量，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，利用產(chǎn)品形狀、工藝和補(bǔ)償來(lái)減小回彈，這些措施并不能完全控制回彈，還需要在模具調(diào)試階段彌補(bǔ)分析回彈量的不足。最終生產(chǎn)出符合產(chǎn)品要求的零件，通過(guò)積累產(chǎn)品設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、模具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及模具調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，是解決轎車梁類沖壓件生產(chǎn)難的最有效方法。