國(guó)內(nèi)乘用車(chē)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視車(chē)身輕量化、碰撞安全性，行駛經(jīng)濟(jì)性等功能需求。加之世界車(chē)身金屬材料工藝發(fā)展的愈發(fā)成熟，高強(qiáng)度鋼板在白車(chē)身結(jié)構(gòu)上運(yùn)用的更加普及。

為實(shí)現(xiàn)而這些功能需求，當(dāng)前國(guó)際主流則是采用熱成型工藝，但是其開(kāi)發(fā)工藝復(fù)雜、制造成本高以及二次成型及翻邊整形相當(dāng)困難的特性，也迫使冷沖超高強(qiáng)鋼板的大量應(yīng)用已經(jīng)普遍存在，將冷沖高強(qiáng)度鋼用于側(cè)圍總成框架上，不僅滿足車(chē)身骨架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的同時(shí)減輕了重量，更是大大保證了行駛倉(cāng)內(nèi)乘員的安全性。

然而冷沖高強(qiáng)板具有屈服應(yīng)力大、抗拉強(qiáng)度高、延伸率低、成型力量大、成型性能弱、以及硬化指數(shù)n值和厚向異性系數(shù)r值低的復(fù)雜特性，也使得其在冷沖壓成型過(guò)程中非常容易產(chǎn)生更大的彈性應(yīng)變，造成制件開(kāi)裂、回彈、扭曲的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)也愈發(fā)突出。

為確保制件的高精度要求，整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工藝環(huán)節(jié)需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、沖壓SE開(kāi)發(fā)、造型優(yōu)化、成型數(shù)值模擬分析、工藝合理排布、模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝參數(shù)設(shè)置、現(xiàn)場(chǎng)維修整改調(diào)試以及潛在性失效模式識(shí)別等眾多方面進(jìn)行細(xì)化分析。

本文重點(diǎn)通過(guò)QP980中支柱里板高強(qiáng)板成形工藝開(kāi)發(fā)及制件回彈整改典型案例進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和探討研究，為車(chē)身高強(qiáng)板冷成形產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了寶貴的指導(dǎo)和借鑒經(jīng)驗(yàn)。

產(chǎn)品研究背景

產(chǎn)品裝車(chē)環(huán)境

中立柱里板屬于汽車(chē)白車(chē)身框架重要零件，上部小端頭主要連接A柱骨架總成，下部大端頭連接門(mén)檻總成，中部法蘭區(qū)域與熱成形高強(qiáng)鋼中立柱點(diǎn)焊無(wú)縫搭接，因此對(duì)其強(qiáng)度、剛度及焊接尺寸都有極其嚴(yán)格的工藝要求，而目前該類(lèi)“弧形”里板類(lèi)零件大多數(shù)采用屈服強(qiáng)度≤590材質(zhì)拉延成型，超過(guò)該屈服強(qiáng)度幾乎均采用熱成型+鐳射切割工藝方案。而此次研究探討對(duì)象為某車(chē)型中立柱里板冷成型生產(chǎn)工藝，其零件材質(zhì)為QP980超高強(qiáng)鋼板，料厚為1.2±0.13mm。

材料力學(xué)性能

QP980鋼板作為為第三代超高強(qiáng)鋼，是一種高強(qiáng)度高塑(韌)性的馬氏體鋼（也成淬火延性鋼），鋼材韌塑性、成型性和延伸凸緣性等顯著提高。其各主要化學(xué)元素含量如表1，通?？梢赃_(dá)到的力學(xué)性能范圍為:抗拉強(qiáng)度800～1500MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)550～1100MPa，延伸率15%～40%，較寬范圍的力學(xué)性能雖然為汽車(chē)鈑金成型材料牌號(hào)提供了多種選擇余地，但另一方面也大大增加了冷成型模具開(kāi)發(fā)及調(diào)試整改難度。

為了讓CAE模擬分析更加準(zhǔn)確有效，使用單項(xiàng)拉伸機(jī)對(duì)寶武鋼QP980材質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，以便獲得板材的基本力學(xué)性能，拉伸試樣如圖1圖2所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)變形的速率約為0.005S，其結(jié)果為：抗拉強(qiáng)度1100MPa，屈服強(qiáng)度820MPa，斷后延伸率在16%以上，基本與后面分析材質(zhì)參數(shù)一致。

圖1 拉伸試片

圖2 拉伸曲線

產(chǎn)品成型特點(diǎn)

該零件尺寸為：1190mm×340mm×115mm，整個(gè)零件有反拉延造型且呈“弓”形，23處沖孔，2處翻，單件凈重1.856Kg。目前采用4道生產(chǎn)工序完成，其分別為：OP10拉延、OP20修邊沖孔、OP30修邊沖孔吊沖孔、OP40“雙活”翻邊整形。產(chǎn)品拉延深度為120mm，成型力要求達(dá)到1150T左右，四周法蘭面差尺寸公差要求在

±0.4mm之內(nèi)，翻孔面角度要求為80°修邊線尺寸公差要求在±0.4mm之內(nèi)，因此對(duì)法蘭面回彈進(jìn)行有效的分析和控制是保證該產(chǎn)品合格的關(guān)鍵所在。

圖3 單件拉延成型云圖

圖4 雙件拉延成型云圖

工藝方案分析

拉延成型數(shù)值模擬初步分析

通過(guò)以上初步CAE分析結(jié)果及成形過(guò)程可以看出，零件分開(kāi)拉延成型（圖3）理論成型力720T基本無(wú)較大開(kāi)裂，產(chǎn)品區(qū)域最大減薄率為12%左右，沖孔廢料區(qū)起皺最大0.04mm，其它范圍趨勢(shì)可接受。而零件雙拼理論形型力達(dá)1400T，采用不太常用的刺破拉延成型（圖4）方式依然存在較大開(kāi)裂趨勢(shì)，材料開(kāi)裂和刺破后起皺趨勢(shì)同樣較為明顯，后期SOP階段存在很大生產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)且雙件回彈比單件更難控制。

正式工藝排布

通過(guò)以上工藝方案分析說(shuō)明，且考慮到超高強(qiáng)板零件成型力量巨大，沖裁噪聲明顯，回彈調(diào)試整改繁雜等方面，則采用相對(duì)保守有效的方案二沖壓工藝制造該對(duì)零件，其工藝方案排布為：M01開(kāi)卷擺剪——OP10拉延——OP20修邊沖孔吊沖孔——OP30修邊沖孔吊沖孔——OP40“雙活”翻邊整形翻孔，具體內(nèi)容如圖4所示。

圖4

正式工藝CAE全工序仿真模擬

為更好優(yōu)化驗(yàn)證該沖壓工藝方案的合理性，采用AotuformR7軟件膜單元FV精度級(jí)別對(duì)其進(jìn)行全工序含回彈仿真計(jì)算模擬。模擬參數(shù)及評(píng)判邊界條件分別為：成形減薄率≤16%，壓邊圈區(qū)域最大起皺≤0.05mm，凸模區(qū)域≤0.03mm，摩擦系數(shù)0.15并采用自由回彈方式分析回彈。

圖5

根據(jù)圖5材質(zhì)參數(shù)卡：分析選用寶武鋼QP980材質(zhì)，屈服強(qiáng)度Rp0.2為737.5MPa，抗拉強(qiáng)度Rm為1082MPa，屈強(qiáng)比為0.682，斷后延伸率A80mm為16.3%，應(yīng)變硬化指數(shù)n值為0.152。

圖6 OP10 拉延3D 實(shí)體筋布置

OP10拉延3D實(shí)體阻力筋設(shè)置分布情況：整體拉延圓筋半徑R8mm，仿照分模線外移擴(kuò)大15mm布置，共分為9段方便局部阻力調(diào)整。其中筋2、筋3、筋4和筋8因流料需要阻力系數(shù)設(shè)置為0，筋5、筋7和筋9因需控制兩端頭走料和回彈阻力系數(shù)設(shè)置分別為0.309（547N/mm）、0.260（461N/mm）和0.381（674N/mm），筋1和筋6因需控制中間法蘭面走料和回彈阻力系數(shù)設(shè)置為0.187（331.0N/mm）。

圖7 拉延結(jié)束FLD 圖 圖8 拉延減薄率云圖 圖9 拉延起皺云圖

OP10拉延結(jié)束FLD結(jié)果：成型力理論812T，壓邊力理論120T，大減薄率為13%，產(chǎn)品面區(qū)起皺最大0.04mm。

圖10 OP10 拉延回彈云圖

OP10拉延結(jié)束回彈結(jié)果：非常產(chǎn)品區(qū)域向上最大+7.5mm，產(chǎn)品區(qū)域向下最大-4.5mm。

圖11 OP20/30 修邊回彈云圖

兩序修沖結(jié)束回彈結(jié)果：產(chǎn)品區(qū)域向上最大+5.5mm，向下最大-3.2mm。

圖12 OP40 翻邊整形回彈云圖

OP40翻邊整形結(jié)束回彈結(jié)果：產(chǎn)品區(qū)域向上最大7.28mm，向下最大-3.9mm。

實(shí)際分析過(guò)程中拉延開(kāi)裂和起皺現(xiàn)象并存，采用先優(yōu)化起皺再優(yōu)化開(kāi)裂的順序，對(duì)其OP10拉延筋位置、形狀、大小、模面工藝補(bǔ)充面形狀和進(jìn)料圓角大小、壓邊力以及板料尺寸、位置和定位反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)。

為了更好控制材料流動(dòng)速度和抑制回彈量，沒(méi)有直接選擇產(chǎn)品四周法蘭面作為壓料面，而是直接外延增加工藝補(bǔ)充，促使成型過(guò)程中材料被充分拉開(kāi)硬化。當(dāng)OP20/OP30修沖結(jié)束后，產(chǎn)品局部位置因失去廢料，拉/壓應(yīng)力迅速釋放造成回彈發(fā)生明顯趨勢(shì)和量變化。

OP40翻邊整形工藝對(duì)前工序回彈矯正作用不是非常明顯，局部回彈位置反而有變嚴(yán)重趨勢(shì)，成品回彈遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了產(chǎn)品GD&T中±0.4mm的要求，不能用于指導(dǎo)模具制造和調(diào)試，基于回彈結(jié)果必須進(jìn)行逐步反向補(bǔ)償優(yōu)化至±1.0mm以內(nèi)方可進(jìn)行開(kāi)模。

同時(shí)這些回彈趨勢(shì)變化表明下步模面設(shè)計(jì)過(guò)程中需要充分考慮全工序回彈補(bǔ)償，將回彈補(bǔ)償量合理分配到各個(gè)工序中去、型面鑲塊需要分塊增厚便于型面多次降刀加工等，為后期回彈整改提供便捷。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該材質(zhì)為超高強(qiáng)板OP10拉延模模座主筋壁厚采用50mm且隨分模線靠?jī)?nèi)側(cè)凸模受力部位均勻布置，壓邊圈采用內(nèi)角導(dǎo)向，120T壓邊力采用21根錐形頂桿腿支撐傳遞液壓墊壓力。另外考慮到該模面后期需要進(jìn)行多倫回彈補(bǔ)償加工，凹模和凸模首先采用MoCr合金鑄鐵分塊鑲塊，待后面完成多倫回彈補(bǔ)償加工整改面差在±1.0mm模面之內(nèi)且處于穩(wěn)定狀態(tài)后，方可進(jìn)行改用Cr12MoV硬料鑲塊。壓邊圈壓料面在回彈整改加工內(nèi)容比較少，則直接采用分塊Cr12MoV硬料鑲塊研配合模，如此可以在模具整改加工效率和制造成本兩方面上取得一個(gè)很好的平衡點(diǎn)。

圖13 OP10 拉延模下模結(jié)構(gòu)

OP20和OP30工序內(nèi)容為四周共6段分切正修邊,OP20中間沖兩大異形孔，正沖11小孔，小端頭φ12.2圓孔與沖壓方向存在70°夾角；OP30中部孔與沖壓方向存在73°夾角，為保證這些孔形狀與產(chǎn)品數(shù)模一樣，則只能采用在壓料芯內(nèi)部埋入吊斜暗沖孔。OP20小端頭修邊與沖壓方向存在64°修邊夾角，OP30大端頭修邊與沖壓方向存在78°修邊夾角，上模壓料芯和修邊刀塊在壓料沖裁過(guò)程中存在較大的側(cè)向力，因此在下模對(duì)應(yīng)位置特意各增加了3處反側(cè)導(dǎo)板，保證壓料芯和上模在下行工作時(shí)，提前進(jìn)行導(dǎo)向反側(cè)，以便提高修邊質(zhì)量和模具使用壽命。

圖14 OP20 修邊沖孔吊沖孔下模結(jié)構(gòu)

圖15 OP30 修邊沖孔吊沖孔下模結(jié)構(gòu)

OP40工序內(nèi)容為上/下翻邊、翻孔和四周法蘭焊接面整形，采用傳統(tǒng)“雙活”結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行上翻邊和翻孔再進(jìn)行下翻邊，由于既要完成翻邊壓料/托料又要完成整形，部分整形面只能分在下模托料芯上，因此上模壓料芯和下模托料芯均需要在模具閉合時(shí)處于墩死狀態(tài)。另外在整形過(guò)程中上壓料芯同樣受到較大側(cè)向力，故也在下模適當(dāng)位置增加3處反側(cè)導(dǎo)板，以提高整形模工作的穩(wěn)定性。

圖16 OP40 翻邊整形下模結(jié)構(gòu)

模具調(diào)試整改

工藝分析和模具設(shè)計(jì)階段通過(guò)一系列反復(fù)回彈補(bǔ)償分析，結(jié)構(gòu)上也是重點(diǎn)對(duì)可能出現(xiàn)的回彈面進(jìn)行預(yù)防控制，首次出件狀態(tài)如圖17所示。

圖17

左/右中支柱里板超高強(qiáng)冷成型零件首次出件回彈趨勢(shì)基本與工藝設(shè)計(jì)分析結(jié)果一致，零件整體兩端頭呈現(xiàn)向凸側(cè)外張下榻扭曲現(xiàn)象（圖17紅色與藍(lán)色區(qū)域），中部則是向凹側(cè)內(nèi)凸現(xiàn)象，只有介于中部與端頭之間部分位置區(qū)域才能與產(chǎn)品數(shù)據(jù)擬合一致（圖17綠色區(qū)域），實(shí)物左件單向回彈值最大為+1.8mm/-1.0mm，雙向極差達(dá)2.8mm，實(shí)物右件單向回彈值最大為+1.3mm/-1.6mm，雙向極差達(dá)2.9mm。

分析出現(xiàn)這些問(wèn)題原因主要可能有：①模擬分析過(guò)程中材料參數(shù)設(shè)定與實(shí)際調(diào)試材料存在一定的差別；②有限元建模采用的是剛性模面，實(shí)際模面在受力成形過(guò)程會(huì)存在微觀變形；③模具實(shí)物加工型面與數(shù)字模型無(wú)法完全做到一模一樣；④現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員選擇調(diào)試參數(shù)與理論計(jì)算有差別；⑤模面研合率及粗糙度與分析過(guò)程中存在一定偏差；⑥現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備精度失真造成調(diào)試壓力設(shè)置錯(cuò)誤；⑦生產(chǎn)過(guò)程退料造成工序產(chǎn)品變形；⑧檢具夾鉗位置與回彈分析夾持點(diǎn)存在位置和力量偏差；⑨零件碼放重力造成部分位置受力變形；⑩檢具錯(cuò)誤和三次元等檢測(cè)工具精度失真也會(huì)造成測(cè)量結(jié)果顯示錯(cuò)誤。

而在實(shí)際整改過(guò)程中則需要對(duì)這些影響因素進(jìn)行單項(xiàng)試驗(yàn)分析識(shí)別與排除，如此才能制定的出行之有效的方案。

現(xiàn)場(chǎng)回彈常用整改方法與流程

制件實(shí)際回彈補(bǔ)償量與實(shí)調(diào)結(jié)果（以左件舉例）

圖18 左中支柱里板實(shí)物圖

圖19 右中支柱里板實(shí)物圖

最終制件關(guān)鍵位置測(cè)量狀態(tài)顯示如下：

持續(xù)數(shù)月輪番補(bǔ)償整改后，左/右件型面檢測(cè)點(diǎn)面差值基本已落在公差要求范圍之內(nèi)，左件超差最大位置在小端頭，最大值為-0.9mm，右件超差最大位置在大端頭，最大值為-0.8mm。當(dāng)前針對(duì)這些局部超差點(diǎn)采用的是“少量多次”補(bǔ)償整改策略，即每次局部補(bǔ)償量遞減少，提高上機(jī)調(diào)試驗(yàn)證頻次，這樣能夠有效提高模具整改效率。

冷沖高強(qiáng)板開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)延伸

高強(qiáng)板零件開(kāi)發(fā)難度比普板要大的多，重點(diǎn)在于型面回彈整改控制，既要考慮產(chǎn)品工藝性，又要考慮模具結(jié)構(gòu)性，回彈多倫整改調(diào)試的方便性，還要考慮生產(chǎn)設(shè)備噸位的局限性。

高強(qiáng)板成形過(guò)程中容易產(chǎn)生塑性硬化，因此需要盡可能一次成型到位，應(yīng)避免通過(guò)二次成型或是大整形工藝，否則容易造成整形開(kāi)裂或是整形面不平質(zhì)量缺陷。

高強(qiáng)板成形過(guò)程中通常需求的力量非常大，一些模具部件需要重點(diǎn)關(guān)注考慮反側(cè)向力問(wèn)題，否則很容易會(huì)造成沖裁產(chǎn)生毛刺或是薄弱鑲塊頻繁損壞。

高強(qiáng)板零件質(zhì)量狀況多需要結(jié)合焊裝總成綜合來(lái)判斷，當(dāng)某一缺陷及其難以從根本上消除時(shí)，需考慮嘗試對(duì)其環(huán)境件進(jìn)行匹配優(yōu)化，最終確保整個(gè)總成能夠滿足裝車(chē)要求，而不僅僅只是一味地追求單件的質(zhì)量狀況，否則整改效果會(huì)適得其反。

高強(qiáng)鋼板的模具型面研合率是決定產(chǎn)品型面回彈穩(wěn)定的關(guān)鍵點(diǎn)，前后工序模面的符型研合尤其重要，現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收檢查該類(lèi)模具時(shí)，需要認(rèn)真識(shí)別一些著色假象。

高強(qiáng)板半工裝出件后不要盲目去進(jìn)行回彈整改，激光鐳射邊孔與模具修沖工藝有著較大的差別，因此需要盡快完成全工裝模具進(jìn)行聯(lián)調(diào)改模，各工序綜合分析才能制定出合理有效的整改方案。

高強(qiáng)鋼板零件質(zhì)量達(dá)到一定質(zhì)量指標(biāo)后，一些對(duì)設(shè)備參數(shù)、精度比較敏感的模具需要盡快進(jìn)行母線調(diào)試匹配，如此會(huì)大大縮短整改周期和調(diào)試成本。高強(qiáng)鋼板成形過(guò)程模擬的可靠性和準(zhǔn)確性，仍然是CAE分析當(dāng)前重點(diǎn)研究對(duì)象，全工序模擬(Fully cycle simulation)和回彈穩(wěn)定性分析是必然的選擇，當(dāng)前的軟件數(shù)值模擬大多數(shù)用于產(chǎn)品型面趨勢(shì)變化判斷，具體各數(shù)值造成的“假象”還需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行靈活的判斷與識(shí)別，只有提高高強(qiáng)板工藝和回彈模擬的水平，才能切實(shí)提高單出制件精度。

采用仿真模擬過(guò)程中，材質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)以及各工序力量設(shè)定須與實(shí)際生產(chǎn)材料接近，可以提高仿真模擬的精準(zhǔn)性。

制件整改調(diào)試過(guò)程中需要逐步做好板料毛坯尺寸，壓機(jī)設(shè)備參數(shù)優(yōu)化和固化，同時(shí)需做好調(diào)試驗(yàn)證記錄，方便日后進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)。

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