高強鋼板結構件沖壓工藝設計及回彈控制解決方案

2023-12-09 08:25:18邵翠紅安慶鵬李國競王慧彬張飛一汽模具制造有限公司

鍛造與沖壓 2023年22期

關鍵詞：變形

文／邵翠紅，安慶鵬，李國競，王慧彬，張飛·一汽模具制造有限公司

通過對高強鋼板結構件成形過程中在壓料面上的流動特性、對變形形式的力學反映，進而確定合理的沖壓工藝方案；同時分析高強鋼板在結構件成形中彈性變形和塑性變形之間的比例和相互影響及其彈性滯后表現，研究高強鋼板對補充成形的適應性，制定結構件回彈的預測、控制及相應的補償措施。

高強度鋼板已廣泛應用于汽車車身結構件制造中。普通材料的沖壓件模具調試周期為3 ～6 個月，修模兩次左右即可達到制件精度要求，模具制造周期滿足產品開發周期。而目前對高強鋼冷沖壓變形機理、回彈控制方法缺乏成熟方案，導致模具開發周期延長至6 ～9 個月。解決高強度鋼板汽車結構件沖壓變形機理及回彈控制難題，可以實現高強度鋼板沖壓模具產業化，縮短模具開發周期。

由于高強鋼板汽車零件與普通深沖鋼相比，σs和σb比低碳鋼板高得多，而n 值和r 值卻比較低，因此高強鋼板的成形性能比低碳鋼板差，成形極限比低碳鋼板小。高強鋼板雖與低碳鋼板一樣具有開裂和起皺問題，但由于σs和σb高，n 值和r 值低，影響貼模性的幾何面缺陷和定形性問題更為突出。因此要保證高強鋼板的沖壓質量，不僅要避免開裂和起皺問題，更重要的是要想辦法解決回彈問題保證零件的形狀和尺寸精度。

高強鋼板回彈影響因素

材料各向異性對回彈的影響

圖2 為板料軋制方向的各向異性系數r0 變化時回彈角的變化情況。可以看出，材料的各向異性系數越大，變形時板寬方向變形越大，板厚方向變形越小，切向變形越不充分，因此回彈增大。

板料厚度對回彈的影響

圖3 為材料性能參數和工藝條件均相同的條件下，板料厚度改變時回彈角的變化情況。可以發現，當凸模圓角半徑R 恒定時，隨著板料厚度的變化即相對徑厚比R/t0的變化，回彈會呈現出負回彈—正回彈—負回彈的變化趨勢，當相對徑厚比恰好為某值時，回彈角等于零，利用這一規律，可以通過優化設計找到最合理的凸模圓角半徑和板厚的組合，實現回彈的最小化。

凸模圓角半徑對回彈的影響

圖4 為板厚不變情況下，凸模圓角半徑分別取R=5mm、R=10mm、R=15mm、R=20mm 時回彈角的變化情況。隨著R 增大，正方向的回彈角明顯增大，凸模圓角半徑增大4 倍，回彈角增大超過5 倍。

圖5 為不同凸模圓角半徑的等效塑性應變分布圖，圓角半徑越大，發生塑性變形的區域越大，因此彈性變形區大，累積回彈量就越大，并且圓角半徑大的板料變形程度越小，彈性卸載量大，回彈也會增大。

壓邊力對回彈的影響

圖6 為壓邊力變化時回彈角的變化情況。當壓邊力小于20kN 時，隨著壓邊力的增大，回彈有明顯的上升趨勢，之后隨著壓邊力的增大，回彈逐漸減小，當壓邊力達到100kN 時，回彈角已經接近為零。壓邊力對回彈的影響有兩個方面，一方面壓邊力會增大板料厚向應變，使板料厚度減薄加劇，根據前面的分析，板厚越薄，回彈越大。另一方面壓邊力增大切向應變，使板料塑性變形更加充分，減小板厚方向內外應力差，此時回彈會減小。

高強鋼板工藝設計案例

產品名稱為A 柱左/ 右上加強板；料厚為1.8mm；材料為590YD；屈服強度σs為340MPa；抗拉強度σb為650MPa；各向異性r 為1.05；硬化指數n 為0.19；產品模型如圖7 所示。

沖壓工藝設計關鍵要素

⑴ 工藝規劃，如圖8 所示。

1)沖壓方向的確定。①保證在拉延工序成形出的產品沒有負角，對于高強鋼產品設計應該考慮至少6°拔模角，此產品最小拔模角10°，為回彈補償留出預留量；形狀盡量在拉延實現，避免后序由整形產生回彈扭曲等變形。凸模開始拉延時與拉延毛坯的接觸狀態，凸模開始拉延時與拉延毛坯的接觸面積要大，接觸面積盡量靠近制件中心位置。②理想的修邊方向是90°，允許的修邊角度為正負15°。

2)構建合理的拉延工藝補充模型。確定壓料面的基本原則，拉延深度均勻，板料毛坯接觸凸模面積盡量大。產品都在凸模成形，避免形狀在壓料上尺寸不穩定。

⑵模擬分析。

1)模擬分析材料與實際使用材料相一致，縮小由于材料不對應導致理論與實際差異。板料軋制方向必須滿足項目要求。

2)拉延數模比例放大，綜合考慮零件的尺寸精度、放件狀態、壓料狀態確定合理的比例放大系數。

3)壓料面進行里外拆分，里圈設置所需壓料力，外圈設置5T，實現壓料里緊外松，與加工數模里圈+0.1 加工相一致。

4)拉延后板料控制，單條拉延筋時，成形到底時要保證收料線距拉延筋外側切線至少5mm；雙拉延筋時，保證收料線不能進入外筋中心線。

5)收斂性檢查：drawing/forming 階段迭代次數一般應小于40(最大可放寬至80，但絕不允許發生強行收斂現象)；gravity/locating 階段迭代次數可以超過40，但必須小于300；closing 階段超過40 屬于正常，但需要檢查。

回彈分析及補償設計

根據AutoForm 軟件的回彈分析，首先確定制件回彈產生的時間點及機理，工藝設計上通過調整壓邊力、凸模圓角、凹模口圓角、拉延深度、拉延筋強度等關鍵控制因素綜合考慮優化回彈量，初期對于制件回彈量大或扭曲嚴重的情況，需要通過調整工藝方案或增加上壓料等手段優化，最終得到一個穩定且回彈量小的工藝方案，其次進行精算分析及回彈補償，以達到最優的尺寸精度。

結論

高強鋼板結構件常見的回彈形式主要是角度變化(回彈)、扭曲及壁翹曲，通過對高強鋼板機械性能及回彈產生機理的分析，制定以下4 種方式進行預防。

⑴沖壓工藝設計在產品設計SE 階段給予合理的建議。對于零件的側壁，產品設計應該注意留有翻邊回彈補償的余地，對于高強鋼板產品設計應該考慮至少6°；彎曲半徑小有利于減少回彈；產品形面過渡要平緩，避免急劇的截面變化；盡量避免多料和少料形狀的翻邊，此類形狀成形結束后相應的會產生壓縮和拉伸殘余應力，導致產品發生扭曲。

⑵合理的拉延筋布置(圖9)。普通鋼板可采用周圈拉延筋布置形式，高強鋼板應避免角部布置拉延筋，可以采用“八字筋”形式有效減小材料在角部的受壓狀態。

⑶在合理范圍內采用較小凸模圓角。凸模圓角R盡量小有助于減小回彈和側壁翹曲，凸模圓角半徑越小回彈越小，凸模圓角半徑越大其回彈就越大。彎曲半徑小時，其圓角處的塑性變形量大，所以促進了加工硬化，反之彎曲半徑大時，由于塑性變形量小，而使加工硬化變少。

⑷梁類零件采用上下壓料結構可有效減小回彈。此結構需要下氣墊有延時功能，如氣墊沒有延時功能則需要特殊結構，如圖10 所示。