高強度圓筒件拉深工藝研究

文/劉裕中，柴武倩·廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院

隨著對汽車車身安全及使用工況的要求不斷提高，高強度鋼在車身的應用比例也越來越高，且隨著沖壓仿真分析方法的不斷提高，使深沖壓零件采用高強鋼替代普通強度等級鋼材成為可能，從而大幅提升了零件的強度等級。本文以某汽車車型圓筒形零件為研究對象，基于AutoForm R7金屬板料成形性分析軟件，對S420MC高強度鋼的拉深性能進行研究。

產品信息

圖1為某車型安裝支座產品圖，零件尺寸為126mm×126mm×81mm，材質為冷成形熱軋結構鋼S420MC，料厚為3mm，具體材料參數見表1。

表1 S420MC材料參數

傳統工藝方案制定

傳統沖壓方案

根據高強鋼板的成形特點，如果此零件采用一次沖壓到位的工藝方案，則會出現零件開裂的現象，因此為防止拉延開裂，制定了五工序沖壓成形的工藝方案，如圖2所示。

傳統沖壓方案分析結果

如圖3所示，通過對傳統沖壓工藝方案進行分析，在沖壓至工序4時，頂部圓角開始出現開裂風險，到工序5時，頂部圓角部位已經完全裂開，這主要是由兩方面原因導致的。首先，高強鋼材料的延伸率更低，成形性差，相比普通低碳鋼材料更容易開裂。其次，由于采用傳統方案，每工序成形之后，上圓角部位的材料減薄就會更嚴重一些，工藝上難以避免。如果要保證不開裂只能增加工序數，這樣勢必增加成本。

圖1 某車型安裝支座產品圖

圖2 傳統沖壓方案

圖3 傳統沖壓方案分析結果

通過以上分析結果可以知道，傳統工藝方案主要是存在圓角開裂的問題，因此不適合進行高強鋼的深沖壓，需要新的沖壓方案才能滿足高強鋼的深沖壓。

新工藝方案制定

為解決在現有沖壓工藝方案下，進行高強度鋼板的深拉深過程中圓角開裂的問題，同時不增加模具工序數，就需要增加圓角部位的儲料以實現材料在成形過程中流料量更大，成形更均勻充分。通過深入解析傳統工藝，可以發現圓角部位開裂主要是由于成形過程中，頂部材料無法流入圓角區域，因此優化方案需要增加頂部材料向圓角的流入，這樣就可以解決沖壓開裂問題。

沖壓方案優化

圖4為第1序至第5序的凸模截面圖，可以看到與以往傳統工藝方案最大的不一樣在于從第一序開始是一個圓弧形凸包結構，然后再逐漸過渡到第五序成形至最終形狀，主要體現在拔模角和深度的變化。

圖4 新沖壓方案凸模截面圖

工藝補充設計

這種新的成形技術與傳統方案的區別在于并不是采用筒形的拉深成形方法，而是從工序1的半圓形凸包狀開始成形，后工序逐漸減小拔模角增加深沖壓高度，并最終成形為產品形狀的過程。圖5為優化后的沖壓工藝方案，各工序之間為相互緊密聯系關系，即前工序與后工序之間存在關聯度。首先工序1采用大的拔模角度，上部為球形，這樣有利于材料的進料量最大化。接著工序2拔模角減小10°，成形深度增加8.7mm，圓角半徑進一步減小，工序3拔模減小10°，成形深度再增加5.6mm，工序4拔模角減小5°，成形深度基本保持不變，工序5為最終產品形狀，拔模角減小了3.3°，高度減小4.2mm。

CAE可行性分析

分析參數設置

采用Autoform R7軟件進行CAE分析，如圖6所示，板料采用直徑210mm，料厚3.0mm的圓形板料，工序1采用拉延工藝，壓邊力設置為100kN，工序2到工序5采用成形工藝，摩擦系數為0.15，分析精度為FV。

分析結果

如圖7所示，通過對每一工序進行詳細的CAE分析，可以看到材料的減薄情況，圓角部位最大減薄17%，未超過材料的最大減薄要求，成形性可行。

如圖8所示，從零件成形極限可以看到在產品底部存在開裂，通過FLD圖可以知道，此處開裂位置為壓縮-拉深狀態，查看此處成形后，料厚為3.6mm，料厚增加21%，因此判斷此處不會存在開裂。

通過CAE分析對比傳統工藝分析結果可以發現，新工藝通過頂部儲料，增加材料進料等優化手段，使頂部圓角材料流動更充分，解決了圓角開裂的問題。

現場驗證

經過5工序的沖壓，實際試模結果如圖9所示，整體質量較好，頂部圓角未發現開裂，法蘭邊也未出現起皺情況。

圖5 優化后的沖壓工藝方案

圖6 料片形狀與大小

圖7 優化后方案分析結果

圖8 底部開裂結果評判

圖9 現場驗證結果

如圖10所示，測量側料圓角部位厚度為2.5mm，減薄量為16.7%，實際沖壓結果與CAE分析結果基本一致。因此通過對沖壓方案進行優化，可以保證零件沖壓順利。

結束語

在對此圓筒形的高強鋼零件進行沖壓工藝制定過程中，首先通過在沖壓工藝上增加頂部儲料，可以有效解決在最后一序成形時，由于材料流入不夠導致的頂部沖壓開裂，其次從第一序起采用了凸包成形，通過后工序逐漸縮小拔模角以及逐步增加成形深度的成形方式，可以使零件在成形過程中得到均勻的變形，材料的流入性能也得到了提高。最終在CAE分析結果及實際沖壓驗證后，得到了滿足使用性能要求的零件。

圖10 現場驗證結果