超高強度拼焊板B 柱內板冷沖壓成形工藝及應用

文/陳松，劉鵬，羅洪松，馬梨哲，王飛，武涵曦·東實(武漢)實業有限公司

隨著人類文明的進步、社會的發展，地球能源問題、環境污染問題日益嚴峻，節能減排迫在眉睫，人們開始研發新型能源以及可再生能源，如氫能源、光能源、風能源等低污染可再生資源。對于汽車行業，自2004 年發布實施第一版《乘用車燃料消耗量限值》開始，節能減排成為了汽車研發的重要指標之一，目前執行的2020 年乘用車第四階段燃料消耗量標值，要求新車平均油耗在5L/100km 內，執行新歐循環駕駛工況。因此在乘用汽車的節能減排上，局勢同樣嚴峻，既要保證節約能源、減少排放，同時也需要滿足駕駛體驗以及駕駛安全，人們從發動機、變速器、電氫新能源、混合能源、汽車減重以及動力曲線優化等方面進行探索，尋求技術突破，更快捷、更高效的在保證使用性能的情況下進行節能減排。

在汽車正常行駛的過程中，對于傳統燃油車而言，動力來自于發動機提供的動能，發動機將燃料壓縮點火產生的爆炸能量轉換為動能，傳動系統將動能傳遞給輪胎，為汽車行駛提供能量。假設燃料本身蘊含100%的能量，發動機中燃料壓縮點火產生的有效動能僅有30%，有70%的能量轉換為熱能損失，傳動系統有20%的能量損失，輪胎有40%的動力損失，發動機能量轉換效率損失、傳動系統傳動損失、輪胎滾動阻力損失、空氣阻力損失、制動摩擦力阻力損失使可利用的動能降低。隨著近些年汽車技術的升級，動力轉換比例有所提升，想要快速提升汽車性能以及實現節能減排，需要從汽車發動機入手，目前發動機的動能轉換效率仍有很大進步空間，降低汽車整車重量可以在同樣行駛距離以及動力表現下消耗更少的燃料以及更少的碳排放，整車重量減輕10%，油耗就可以減少4%到6%，碳排放也可以降低3%到4%左右，至于汽車傳動系統、輪胎摩擦阻力以及風阻雖然也有進步空間，但是對于日常家用車而言，在不增加成本的情況下很難再有突破性進展，因此最直接的方式就是升級發動機和降低汽車整體重量，這對于電動汽車而言同樣適用，電能的轉換效率同樣存在很大進步空間，而技術的突破存在瓶頸。因此，汽車減重是實現節能減排的最優解決方案。

產品特性及材料性能

汽車輕量化是實現節能減排的主導方向之一，在白車身上使用高強度薄板既可滿足汽車輕量化要求，同時也滿足汽車的安全性能，拼焊板是高強度薄板的技術革新，更進一步減輕了產品重量，同時不影響汽車安全性。本文以某車型B 柱內板為研究對象，根據以往開發經驗，B 柱內板在成形過程中容易出現開裂、起皺、減薄、回彈超差等缺陷。利用有限元模擬軟件，對B 柱內板進行成形性分析以及回彈分析，根據分析結果進行結構設計及開發，最后根據現場生產調試情況分析、整改及消除問題點，生產出合格的產品。

本文中B 柱內板所使用的材料為HC420/780DP，厚度為1.2mm 和1.5mm 的激光拼焊產品，如圖1 所示，材料的屈服強度在420 ～550MPa 之間，抗拉強度不小于780MPa，斷后伸長率A80不小于14%。

圖1 產品數據

由于高強拼焊板的特殊性，材料的力學性能和拼焊區域強度直接影響零件成品狀態，針對零件板料進行了拉伸試驗確定材料力學性能，兩種拼焊材料分別進行了三組拉伸試驗，圖2 為t=1.2mm 試驗材料，圖3 為t=1.5mm 試驗材料，圖4 為材料拉伸曲線及結果，由此可以得出材料力學性能合格，通過對焊縫位置的拉伸試驗可得出焊縫位置力學性能滿足要求，拉伸斷裂位置不在焊縫區域。

圖2 HC420/780DP，t=1.2mm 試驗料片

圖3 HC420/780DP，t=1.5mm 試驗料片

圖4 HC420/780DP 拉伸試驗曲線

產品成形性分析及優化

根據產品特性，先初步對B 柱內板進行工藝排布，工藝為拉延成形→修邊沖孔→翻孔整形→翻孔整形沖孔→修邊沖孔側修邊，五工序完成加工出成品件，根據工藝排布利用有限元分析軟件對產品進行成形性分析。如圖5 所示，零件側面輪廓形狀是一個弧形，這對沖壓成形是非常不利的，若以沖壓方向1為實際沖壓方向，產品壓料面及工藝補充面是呈凹陷的弧面，在模擬分析的過程中，零件凹陷最低點周圍由于多料，且材料無法向外拉伸造成起皺及拉延不充分的缺陷；若以沖壓方向2 為實際沖壓方向，產品壓料面及工藝補充面是呈凸起拱形，雖然可以解決產品成形過程中的起皺問題和成形不充分問題，但是產品翻邊立面高度為60mm，壓料面與成形底面階梯較大，成形過程必然會有開裂減薄的風險。由于開裂問題在產品開發中不允許出現，而輕微的起皺可以接受，并且起皺通過增加壓邊力、設置拉延筋以及優化補充面等方式解決，因此選用沖壓方向1作為實際沖壓方向。

圖5 零件沖壓方向

產品工藝面設計如圖6 所示，工藝補充面從最低點向外延伸，盡量保證壓料面弧度平緩及拉延高度一致，另外由于產品為不同厚度的拼焊板，避免在壓料過程中出現部分區域不壓料的情況，因此壓料面需要做成階梯壓料面，保證壓料面均勻受力。

圖6 產品工藝面

按照初步工藝排布針對產品展開分析，成形過程如圖7 所示，產品成形性分析過程中，并沒有出現明顯開裂減薄風險，但在拉延到底前60mm 時產品開始起皺，原因是前面提到的成形凹面走料不均勻。想要消除起皺，需要針對壓邊力、工藝型面、拉延筋等多方面調整，工藝參數對成形過程影響極大，壓邊力的大小以及壓邊圈受力均勻性會影響產品起皺、減薄趨勢，對于工藝面深度大的時候，起皺與減薄開裂的風險更容易發生，合理控制壓邊力大小，是控制風險的最有效措施之一。

圖7 產品成形過程

經測量，產品模具工藝面L=7000mm，S=80mm，根據壓邊力計算公式可以得出，F=1400kN，而在利用有限元分析軟件進行初步的成形性分析中，分析結果壓邊力也是1400kN，因此壓邊力選用1400kN。

確定壓邊力后將壓邊力導入軟件中，由于產品起伏比較大，翻邊立面較高，因此在拉延筋的布置中，不僅要控制材料走料來控制起皺趨勢，還要在合適的位置增大流料來控制產品減薄，拉延筋直接影響材料的走料情況，對產品成形性至關重要，拉延筋一般布置在直線位置和深度較淺的位置，圓弧拐角區域不利于布置拉延筋，本文產品因型面起伏比較大，拉延筋的布置采用間斷式，拉延筋一共分為10 段，主要布置在產品模面的直線部位，拐角區域因需要控制成形充分性以及疊料情況，布置了少量拉延筋，如圖8 所示。

圖8 拉延筋布置

利用現有參數，在有限元分析軟件的分析結果中，零件存在輕微的起皺情況，起皺趨勢不明顯，但是考慮到實際生產中的差異性，在實際生產中，有可能存在起皺趨勢嚴重且無法通過微調拉延筋、壓邊力以及型面等方式控制起皺，因此在模具結構的設計中需要有備用方案來控制起皺，經分析驗證，在起皺區域增加壓料鑲塊可以基本消除產品起皺，如圖9 所示。在有限元分析軟件中驗證控制起皺效果理想，但在尾部廢料區域有輕微起皺現象。

圖9 產品模具壓料裝置(控制起皺)

產品回彈分析及優化

利用有限元軟件針對產品進行回彈分析，OP10拉延工序產品回彈最大為1.4mm，但是大部分回彈位置在工序件的廢料區域，產品區域的回彈主要集中在頂部和中部區域，最大回彈為1.2mm，標準要求產品在有限元分析中自由回彈不超過±1mm，連接面、焊接面要求不超過±0.5mm，目前狀態不符合標準，考慮到其他專業要求，產品型面不允許變更，因此該問題點需要讓步接受。針對回彈缺陷可以通過后期調整壓邊力和模面補償來消除。

在調試生產中，成品件雖然沒有明顯起皺、減薄開裂缺陷，但是在半成品中，產品尾部廢料區域存在輕微的起皺，并且在產品模面的最底部，回彈有超差，這也直接導致法蘭面和中間型面尺寸超差，這與有限元分析軟件中結果一致，雖然通過設置拉延筋和模具壓料結構消除了起皺風險，但是現場調試中，最低點存在成形不充分及回彈嚴重的情況，不充分區域有不明顯內凹情況，成形不充分會影響產品的力學性能，型面處于不緊繃的狀態，本文產品是高強度拼焊板，對回彈問題的控制有一定技術難度。為控制產品起皺以及回彈，我們將壓邊力從1400kN 調整到1600kN，根據有限元分析軟件的分析結果顯示，回彈控制情況理想。

產品缺陷及調整

產品成形參數中1400kN 的壓邊力是在產品設計階段得到的最優解，控制產品減薄率在15%內，有輕微的起皺及回彈，由于產品結構特殊性，產品型面無法進行設計變更，并且缺陷程度在可控范圍內。在實際的生產調試中，產品的成品件的確存在一定缺陷，這與前期成形性分析結果一致，但是相對于分析結果，實際的成品件尺寸狀態要更差一些，需要進行優化調整，這也是產品開發流程中必經的階段。因1400kN 壓邊力下，成品件的減薄率均控制在15%內，實際調試生產中，要求最大減薄率不得超過20%，為消除缺陷，在調試生產中將壓邊力從1400kN 增加到1600kN。

壓邊力的大幅度增加必然會造成成品件減薄率的增大，在有限元分析軟件減薄分析中，成品件最大減薄率為21.35%，已經嚴重超差，并且在實際生產中，由于諸多不確定因素，實際成品件的減薄可能更加嚴重，不過分析中成形充分性和回彈的控制都有很大提升，考慮到產品回彈問題和成形充分性問題直接影響成品件的尺寸，必須要解決，而有限元成形分析中局部減薄問題雖然嚴重超差，但是由于減薄超差位置正好處于型面補充位置(補充吸料凸臺)附近，可以通過補充型面調整和產品型面的回彈補償得到解決，這一方式我們通過有限元軟件也得到了驗證。

為驗證優化方向是否準確，我們僅輕微優化局部模面后就加大壓邊力進行調試生產，成品件因回彈得到了很好的控制，尺寸狀態較好，并且拉延工序件廢料區域的起皺得到了控制，但是在翻邊立面區域出現了傷線缺陷，傷線肉眼觀察不明顯，但是用手去觸摸有明顯的凹陷，經調研，傷線缺陷在第一序拉延工序已經出現，為便于觀察并且驗證傷線區域的力學性能，我們利用特制夾具對產品傷線區域進行拉伸試驗，在拉伸應力到450MPa 時，產品沿傷線位置開裂，如圖10 示。其他區域雖沒有傷線，但是有一處區域減薄率超過了20%，該區域在開裂區域的對向側，這與前面的有限元分析結果一致，雖然調整壓邊力和拉延筋也可以消除減薄開裂缺陷，但是在現場調試中，這兩種方式并不保守，很可能引起其他缺陷。由于產品特殊性，在兩個缺陷之間有一個翻孔特征，該翻孔在第一序拉延工序中，壓邊力為1400kN 時為控制起皺，廢料區域設置有一個吸料凸臺，而壓邊力增大到1600kN 時局部走料不足導致出現了減薄開裂缺陷，根據有限元的回彈補償分析進行模具模面補償加工，優化凸臺型面后，缺陷得到了解決，利用頂針千分尺測量，最大減薄率為10.9%，如圖11 所示。

圖10 成品件傷線位置及拉伸試驗

圖11 優化凸臺后減薄率

結束語

本文產品相比其他車型B 柱內板而言，形狀比較復雜，產品本身起伏比較大，并且立面較高，材質為HC420/780DP 不同料厚拼焊產品，前期產品的同步開發階段，成形性問題相對其他產品要更多，通過不同方向和不同維度的更改建議，以及各個專業的支持，利用有限元仿真技術成功控制了大部分的風險點，但是因專業角度不同，產品的優化方向存在沖突，沒有明確的優先級關系，需要組織會議共同討論解決，在特定情況下特定專業需要做出讓步，因此對于復雜的產品，成形風險很難完全消除，最終產品固化數據分析結果中有輕微風險存在，可以通過工藝設計、結構設計以及現場生產調試解決，理論上是可以接受的。現場實際生產調試結果相對分析結果，尺寸狀態相對要差一些，但是產品外觀狀態更好，因為在現場成品件中，輕微外觀缺陷無法判定出來，因此零件整體狀態以及實際優化方向需要結合有限元分析結果一同判定。

本文產品因型面無法再進行針對性變更，到產品固化階段仍存在輕微的起皺缺陷和回彈缺陷，因為有限元分析軟件和實際調試生產本身存在差異性，如本文產品中部輕微的起皺缺陷，在實際調試生產中，由于實際模具走料系數并不如分析軟件中那么平衡理想，并且有限元軟件可視化功能強大，通過云圖可以識別，在生產的成品件中，輕微的起皺缺陷并不明顯，因此，無法確認這塊區域是否成形充分，只能用厚度檢測設備來評估產品成形充分性。回彈問題的方向與有限元分析軟件的結果一致，由于產品型面特殊性，最快速、最穩妥的方式就是增加壓邊力和模面補償調整，當然，調整方向也需要有限元分析結果的支持。在成品零件中，壓邊力的確認需要綜合有限元分析結果和經驗公式計算共同確認，以目前行業的有限元分析技術，結果準確度較高，在壓邊力的選用中可以更加偏向有限元分析的結果，尤其是在產品補充面極不規則的情況下，有限元分析結果至關重要。本產品前期已經確定了壓邊力，為進一步控制產品回彈，提升產品尺寸狀態，壓邊力由1400kN 提升到1600kN，雖然出現了局部減薄開裂缺陷，但是在可控范圍內，優化后尺寸狀態得到了明顯提升。因此產品前期設計開發工作至關重要，可以在產品開發初期充分識別風險并解決風險，但是由于諸多不確定因素，大多數情況下，并不能完全消除風險，這就需要后期通過調試生產來解決，這也是解決全部問題點的唯一途徑。