高強板材質側圍模具開發

文/楊群輝、謝勇剛、皮勁、朱威·神龍汽車有限公司

高強板材質側圍模具開發

文/楊群輝、謝勇剛、皮勁、朱威·神龍汽車有限公司

楊群輝，沖壓工程師，主要從事沖壓新項目車型的投放工作，主要完成了神龍M33和M43 車型高強度板側圍模具開發，高強度模具散熱，分體式側面CMT焊接的相關技術工作，獲得了一項國家專利技術，一項神龍公司核心專有技術。

隨著汽車工業的高速發展，汽車普及程度越來越高，相關的各項標準也越來越嚴格，這給汽車行業提出了更高的技術要求。高強度板外觀件就是其中一項，它能夠使車身減重達到10%左右，節省約10%的燃油，而且其他排放也會相應降低。因此，提高高強度板在汽車上的利用率，對于實現汽車質量輕量化、節約能源、保護環境、安全性能等方面具有重要意義。

高強度板外觀件應用

高強板又稱低合金高強板，主要特點是強度大，屈服點高。國際上把屈服強度在210～550MPa范圍內的鋼板稱為高強度板；屈服強度大于550MPa的鋼板稱為超高強度鋼板。

目前，國內汽車主機廠使用的高強度鋼板主要應用在汽車底盤、防撞梁和車體框架上，但是高強度板直接用于車身外觀件屬于全新的課題。全新愛麗舍和標致301車型的側圍就運用到了高強度板，這兩款車型的側圍均由五部分組成，其中，前立柱、中立柱和外縱梁均是高強度外觀件，通過焊接復合為整體，既保證了車輛美觀，又保證了車輛安全性。為了保證其外觀質量的穩定性，需要對模具的設計和制作進行一些差異性處理，圖1為分體式側圍結構示意圖。

前立柱、外縱梁和中立柱均為高強度板，料厚分別為1.27mm、1.15mm和1.76mm，后期通過焊接技術將不同厚度、不同材質鋼板拼合起來，使材料配置適用于所要求材質和使用部位，這樣每一塊鋼板都可充分發揮自己的性能。

圖1 分體式側圍結構示意圖

高強度板特性

高強度板具有抗拉強度高、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞等顯著優點。鋼板高強度化易引起塑性下降，成形性變差，而屈服強度的提高則引起面變形和回彈效應，增加了形狀的不穩定性，典型的成形缺陷有開裂、形狀不良和尺寸精度不良等。

高強度板模具的特點

板料強度的提升直接影響到模具設計和沖壓工藝編制，較高強度的板料會導致零件成形、沖壓件的尺寸精度、重復性保證難度增加、零件回彈加大、模具本體磨損加快、使用壽命縮短。為了解決以上問題，必須在工藝設定和模具結構設計上做出相應調整。

模具工藝控制

高強度鋼板類零件在成形過程中，容易出現的缺陷是開裂和起皺。開裂比起皺好控制，需要在分析階段提前識別風險，對R角進行放大等優化處理；起皺控制主要需要追加造型或強化拉延筋結構，工藝方面歸根到底就是要提前做好產品結構設計。

在前期工藝階段，高強度鋼板制件應該盡量保證走料均勻，一次成形。由于一次成形后，材料的應力加強，二次成形或整形容易導致破裂，且更容易回彈或扭曲，難以得到理想的形狀。

模具結構控制

⑴模具強度控制。

高強度鋼板的料厚往往較厚，成形力和壓邊力很大，模具設計時需要布置足夠的氮氣缸或頂桿，并預先驗證機床的成形力是否滿足要求。對于等級較高的高強度板或板厚較厚的模具凸模和壓邊圈需要采用Cr12MoV鑲塊拼接，如圖2所示。待模具生產穩定后，為了進一步提高模具硬度，高強鋼板拉延模具表面還要做硬化處理（如鍍鉻和滲氮處理）。

⑵零件外觀控制。

由于高強度板模具采用鑲塊拼接結構，鑲塊拼接處在生產的過程中，由于受力不均會產生錯動，在零件上產生壓印缺陷（圖3），如果是一般的結構件，這種缺陷是可以接受的，若是外觀件則必須盡量避免，因此要求在模具設計時考慮零件成形時的側推力，通過一些結構設計和調試方法來減輕壓印。

圖2 中立柱高強度板模具結構示意圖

圖3 中立柱鑲塊拼接處壓印缺陷

通過現場反復的摸索驗證，最終找到了一些方法：①鑲塊靠背的高度要足夠高，保證靠背的高度超過鑲塊高度的2/3。②做好每一塊拼接鑲塊底面和側面的研合，減輕生產時產生的錯動。③在鑲塊搭接處上型面開鍵槽、鎖上鍵，減小鑲塊生產時受到沖擊力而產生的錯動量，底面鎖鍵由于鑲塊一般較深，鍵所起到的反作用力很容易被鑲塊內部應力克服。圖4為壓印缺陷改善方案圖片。

⑶零件起皺控制。

高強度鋼板由于成形性能較差，無法通過傳統工藝解決開裂和起皺的矛盾問題，只能通過好的產品設計來減少兩方面矛盾的風險，例如在產品易起皺的部位增加吸料筋包。另外，高強度鋼板料厚往往比較厚，材料在厚向應變相對于薄板材料來說影響更大，舉升力有時甚至大于阻力，因此，無法通過強化拉延筋的方式來消除起皺。

起皺是高強度板零件最主要，也是最難克服的問題點，如果通過追加吸料造型和強化拉延筋均未能完全消除折皺缺陷，對于起皺缺陷，后期通過不斷的嘗試，發現最有效的調試方法就是做負間隙。如：外縱梁在CAE分析階段就發現，門檻四個R角位置均有折皺現象，CAE分析追加臺階可以減輕折皺缺陷，但無法完全消除，在后期模具調試過程中通過強化拉延筋仍效果不大，此零件在進行外觀扣分判定時，每一個R角均由于折皺的緣故扣了B級缺陷，并且無法返修，無法用于裝車，圖5為外縱梁外觀扣分圖片。

為了解決此缺陷問題，模具結構上最后通過減小凸凹模成形時的間隙，用強壓的方式來使成形更加充分，讓多余的料有地方可去，從而成功解決外縱梁折皺缺陷，達到了預期效果，如圖6所示。

圖4 壓印缺陷改善方案圖片

圖5 外縱梁零件外觀扣分示意圖

圖6 外縱梁零件外觀整改效果圖

具體實施方式是：對拉延模凸模四個R角位置進行燒焊，燒焊范圍兩側從R止點向外延伸15mm，上下齊R止點，然后重新進行機械加工，使R角區域凸凹模的間隙減小約10%，原來的間隙等于板厚1.15mm，更改完成后的間隙約1.0mm。

⑷零件回彈控制。

由于模具結構和材料性能等方面的原因，工程上準確模擬高強鋼板的回彈特別是卷曲是非常困難的，對于高強鋼板回彈的防治必須從好的產品設計開始，工藝上預先考慮可能的回彈及其防治手段。例如，產品設計時，在翻邊面加筋或者臺階，工藝上采用補償回彈角或者斜楔整形方式等。

高強度板回彈缺陷除了參照CAE分析數據抓回彈量，現階段最直接有效的方式就是根據回彈參考量制作簡單的試制模具，將模具上的鑲塊先用S45C材質制作，待零件試制出來，檢測零件的回彈，根據回彈量來制作最終的鑲塊，鑲塊材質選用Cr12MoV，這樣才能更好的將回彈控制在公差范圍內。另外模具設計時必須充分考慮到回彈的處理措施，包括后期可能的鑲塊追加墊片、更換鑲塊，甚至于減小閉合高度重新加工的情況等。

模具散熱

高強度板在成形的過程中會產生大量的熱量，若這些熱量不能及時散出，鑲塊熱脹型面間隙發生變化，會導致零件生產不穩定，拉延模走料不一致，容易出現滑移線，甚至會導致后序修邊卡廢料，所以高強度板類零件的模具在設計時必須考慮設計散熱裝置，鑲塊上要開散熱孔，鑲塊底面要開散熱通道，并接入氣管及時將熱量帶出，才能保證模具的穩定生產，模具的使用壽命才能得到保證。圖7為外縱梁模具散熱不暢生產的零件。

高強度板模具散熱結構，按照散熱形式可以大致分為內部散熱結構和外部散熱結構兩種。中立柱凹模鑲塊表面開φ6mm的散熱孔，鑲塊底面開散熱通道，然后接入氣管，通過空氣循環給模具進行風冷散熱，這種內部散熱結構的散熱效果明顯。

圖7 外縱梁模具散熱不暢生產的零件

在設計之初在鑲塊上沒有開散熱孔，模座上也沒有開散熱通道，在大批量生產過程中，模具發熱量大，零件質量波動較大，最后只有考慮在模具外部結構上追加外部散熱裝置。具體實施方式：在下模座和壓邊圈上布置φ25mm的鋼管，鋼管上每隔15mm鉆一個φ3mm的孔，這樣的孔鉆一排，方向對準上模鑲塊，同樣在上模也布置氣管，方向對準下面凸模，然后通過塑料氣管將鋼管和機床的氣源連接起來，在生產的過程中達到下模氣管吹上模，上模氣管吹下模的效果，這樣就可以很好的給模具降溫，模具生產零件的穩定性也可以得到保證。

結束語

高強度板外觀件模具開發是一個全新的課題，現在仍處于一個探索開發的階段，工藝問題，模具結構問題和外觀件質量問題均存在一定的欠缺，在現場調試的過程中或許會碰到更多更復雜的問題，一定要根據現場實際情況靈活判斷，給出合適的整改指令。隨著高強度板外觀件應用越來越多，本文可為今后不斷提高高強度板外觀件質量，不斷提高高強板模具水平作為參考。