國內(nèi)乘用車的開發(fā)越來越重視車身輕量化、碰撞安全性，行駛經(jīng)濟性等功能需求。加之世界車身金屬材料工藝發(fā)展的愈發(fā)成熟，高強度鋼板在白車身結(jié)構(gòu)上運用的更加普及。

為實現(xiàn)而這些功能需求，當(dāng)前國際主流則是采用熱成型工藝，但是其開發(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，也迫使冷沖超高強鋼板的大量應(yīng)用已經(jīng)普遍存在，將冷沖高強度鋼用于側(cè)圍總成框架上，不僅滿足車身骨架結(jié)構(gòu)強度和剛度的同時減輕了重量，更是大大保證了行駛倉內(nèi)乘員的安全性。

然而冷沖高強板具有屈服應(yīng)力大、抗拉強度高、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程中非常容易產(chǎn)生更大的彈性應(yīng)變，造成制件開裂、回彈、扭曲的質(zhì)量風(fēng)險也愈發(fā)突出。

為確保制件的高精度要求，整個產(chǎn)品開發(fā)工藝環(huán)節(jié)需要在產(chǎn)品設(shè)計、沖壓SE開發(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)場維修整改調(diào)試以及潛在性失效模式識別等眾多方面進行細化分析。

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

產(chǎn)品研究背景

產(chǎn)品裝車環(huán)境

中立柱里板屬于汽車白車身框架重要零件，上部小端頭主要連接A柱骨架總成，下部大端頭連接門檻總成，中部法蘭區(qū)域與熱成形高強鋼中立柱點焊無縫搭接，因此對其強度、剛度及焊接尺寸都有極其嚴格的工藝要求，而目前該類“弧形”里板類零件大多數(shù)采用屈服強度≤590材質(zhì)拉延成型，超過該屈服強度幾乎均采用熱成型+鐳射切割工藝方案。而此次研究探討對象為某車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鋼，是一種高強度高塑(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，通常可以達到的力學(xué)性能范圍為:抗拉強度800～1500MPa，屈服強度達550～1100MPa，延伸率15%～40%，較寬范圍的力學(xué)性能雖然為汽車鈑金成型材料牌號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發(fā)及調(diào)試整改難度。

為了讓CAE模擬分析更加準確有效，使用單項拉伸機對寶武鋼QP980材質(zhì)進行實驗測試，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，實驗時變形的速率約為0.005S，其結(jié)果為：抗拉強度1100MPa，屈服強度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

該零件尺寸為：1190mm×340mm×115mm，整個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)，因此對法蘭面回彈進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

通過以上初步CAE分析結(jié)果及成形過程可以看出，零件分開拉延成型（圖3）理論成型力720T基本無較大開裂，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，其它范圍趨勢可接受。而零件雙拼理論形型力達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裂趨勢，材料開裂和刺破后起皺趨勢同樣較為明顯，后期SOP階段存在很大生產(chǎn)質(zhì)量風(fēng)險且雙件回彈比單件更難控制。

正式工藝排布

通過以上工藝方案分析說明，且考慮到超高強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，則采用相對保守有效的方案二沖壓工藝制造該對零件，其工藝方案排布為：M01開卷擺剪——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)化驗證該沖壓工藝方案的合理性，采用AotuformR7軟件膜單元FV精度級別對其進行全工序含回彈仿真計算模擬。模擬參數(shù)及評判邊界條件分別為：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)，屈服強度Rp0.2為737.5MPa，抗拉強度Rm為1082MPa，屈強比為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 實體筋布置

OP10拉延3D實體阻力筋設(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。

實際分析過程中拉延開裂和起皺現(xiàn)象并存，采用先優(yōu)化起皺再優(yōu)化開裂的順序，對其OP10拉延筋位置、形狀、大小、模面工藝補充面形狀和進料圓角大小、壓邊力以及板料尺寸、位置和定位反復(fù)進行優(yōu)化調(diào)整試驗。

為了更好控制材料流動速度和抑制回彈量，沒有直接選擇產(chǎn)品四周法蘭面作為壓料面，而是直接外延增加工藝補充，促使成型過程中材料被充分拉開硬化。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)生明顯趨勢和量變化。

OP40翻邊整形工藝對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重趨勢，成品回彈遠遠超過了產(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)果必須進行逐步反向補償優(yōu)化至±1.0mm以內(nèi)方可進行開模。

同時這些回彈趨勢變化表明下步模面設(shè)計過程中需要充分考慮全工序回彈補償，將回彈補償量合理分配到各個工序中去、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

該材質(zhì)為超高強板OP10拉延模模座主筋壁厚采用50mm且隨分模線靠內(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行多倫回彈補償加工，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很好的平衡點。

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程中存在較大的側(cè)向力，因此在下模對應(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，提前進行導(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)，先進行上翻邊和翻孔再進行下翻邊，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處于墩死狀態(tài)。另外在整形過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)計階段通過一系列反復(fù)回彈補償分析，結(jié)構(gòu)上也是重點對可能出現(xiàn)的回彈面進行預(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冷成型零件首次出件回彈趨勢基本與工藝設(shè)計分析結(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），實物左件單向回彈值最大為+1.8mm/-1.0mm，雙向極差達2.8mm，實物右件單向回彈值最大為+1.3mm/-1.6mm，雙向極差達2.9mm。

分析出現(xiàn)這些問題原因主要可能有：①模擬分析過程中材料參數(shù)設(shè)定與實際調(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，實際模面在受力成形過程會存在微觀變形；③模具實物加工型面與數(shù)字模型無法完全做到一模一樣；④現(xiàn)場調(diào)試人員選擇調(diào)試參數(shù)與理論計算有差別；⑤模面研合率及粗糙度與分析過程中存在一定偏差；⑥現(xiàn)場設(shè)備精度失真造成調(diào)試壓力設(shè)置錯誤；⑦生產(chǎn)過程退料造成工序產(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檢具錯誤和三次元等檢測工具精度失真也會造成測量結(jié)果顯示錯誤。

而在實際整改過程中則需要對這些影響因素進行單項試驗分析識別與排除，如此才能制定的出行之有效的方案。

現(xiàn)場回彈常用整改方法與流程

制件實際回彈補償量與實調(diào)結(jié)果（以左件舉例）

圖18 左中支柱里板實物圖

圖19 右中支柱里板實物圖

最終制件關(guān)鍵位置測量狀態(tài)顯示如下：

持續(xù)數(shù)月輪番補償整改后，左/右件型面檢測點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)前針對這些局部超差點采用的是“少量多次”補償整改策略，即每次局部補償量遞減少，提高上機調(diào)試驗證頻次，這樣能夠有效提高模具整改效率。

冷沖高強板開發(fā)經(jīng)驗延伸

高強板零件開發(fā)難度比普板要大的多，重點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。

高強板成形過程中容易產(chǎn)生塑性硬化，因此需要盡可能一次成型到位，應(yīng)避免通過二次成型或是大整形工藝，否則容易造成整形開裂或是整形面不平質(zhì)量缺陷。

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

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

高強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，前后工序模面的符型研合尤其重要，現(xiàn)場驗收檢查該類模具時，需要認真識別一些著色假象。

高強板半工裝出件后不要盲目去進行回彈整改，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。

高強鋼板零件質(zhì)量達到一定質(zhì)量指標后，一些對設(shè)備參數(shù)、精度比較敏感的模具需要盡快進行母線調(diào)試匹配，如此會大大縮短整改周期和調(diào)試成本。高強鋼板成形過程模擬的可靠性和準確性，仍然是CAE分析當(dāng)前重點研究對象，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)品型面趨勢變化判斷，具體各數(shù)值造成的“假象”還需結(jié)合現(xiàn)場實際經(jīng)驗進行靈活的判斷與識別，只有提高高強板工藝和回彈模擬的水平，才能切實提高單出制件精度。

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

制件整改調(diào)試過程中需要逐步做好板料毛坯尺寸，壓機設(shè)備參數(shù)優(yōu)化和固化，同時需做好調(diào)試驗證記錄，方便日后進行經(jīng)驗分析總結(jié)。

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