汽车高强板零件冲压工艺及模具结构设计

一汽模具制造有限公司张云山2014.03.23汽车高强板梁类零件冲压工艺及模具结构设计一、概述二、汽车用高强钢板梁类零件工艺设计

（一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较（二）、高强板梁类零件冲压尺寸精度问题的分类（三）、高强板梁类零件影响冲压尺寸精度问题因素及发生机理（四）、工艺方案设计三、模具结构设计和调试（一）模具结构设计（二）模具调试汽车自诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。汽车的性能和外观发生了翻天覆地的变化。当今的车身部件大多采用钢板冷冲压成形，对其尺寸偏差、表面质量和刚性的要求极为严格。车身作为汽车的重要组成部分其质量占汽车总质量的30%-40%，占整车成本的20%以上。一、概述安全性成为汽车最重要的评价指标，很多国家都拥有自己的车身碰撞安全检测机构。中国新车评价规程日本JNCAP欧洲NCAP碰撞标准美国高速公路安全协会澳大利亚ANCAP国际上广泛采用高强度钢板提高了车体的抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度安全性。一、概述减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%；汽车每减少100kg，百公里油耗可降低0.3至0.6升，二氧化碳排放量可减少约5g/km。汽车的轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转向加速、制动等多方面的性能，同时还可以降低噪声振动污染。降低汽车重量的方法有很多种。采用高强度钢板车身，在等强度设计条件下可以减少板厚及重量。钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm和0.15mm时，车身分别减重6%、12%和18%。一、概述2012年国内汽车产销1900万辆，预测2013年国内汽车产销将达到1960万辆。07年国内汽车车身高强板应用为14%-17%左右，超高强板应用为0，NCAP碰撞安全系数多为3星。国外车身高强板应用为50%以上，超高强板应用为6%-7%，NCAP碰撞安全系数为5星。高强度钢板车身是兼顾安全（Safety）与环保（Saving）的最佳解决方案。因此，高强度/超高强度钢板及其成形性能的深入研究，已成为支撑发展新型节能汽车、车身自主设计的核心问题。目前对其冲压变形机理、回弹控制与预测、模具设计及其热处理等方面，国内都进行分了深入和广泛的研究。一、概述迈腾70%马自达6睿翼590~1480MPa49%本田雅阁340MPa以上

48%一、概述普通钢板270MPa800MPa高强钢板超高强钢板低强度IF钢低碳钢外覆盖件BH钢C-Mn钢HSLA钢部分DP钢TRIP钢高强度TRIP钢DP钢马氏体钢TWIP钢车门防撞杆、保险杠和B柱骨架件CP钢趋势一、概述一、概述由上表可以看出，高强钢板的σs和σb比低碳钢板高得多，而n值和r值却比较低，因此高强钢板的成形性能比低碳钢板差，成形极限比低碳钢板小。高强钢板虽与低碳钢板一样具有破裂和起皱问题，但由于σs和σb高，n值和r值低，影响贴模性的几何面缺陷和定形性问题更为突出。因此要保证高强钢板的冲压质量，不仅要避免破裂和起皱问题，更重要的是要想办法解决回弹问题保证零件的形状和尺寸精度。（一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较二、汽车用高强板零件工艺设计（二二））、、3高强强钢钢板板在在满满足足尺尺寸寸公公差差方方面面，，与与薄薄钢钢板板的的冲冲压压成成形形和和其其他他加加工工方方法法（（机机械械加加工工、、锻锻造造））有有很很大大不不同同，，这这是是由由于于在在冲冲压压加加工工时时所所产产生生应应力力分分布布的的弹弹塑塑性性变变形形对对制制件件尺尺寸寸影影响响很很大大。。因因此此，，工工艺艺方方案案、、成成形形方方法法、、成成形形条条件件，，对对冲冲压压成成形形时时的的尺尺寸寸精精度度影影响响非非常常大大。。经经常常看看到到的的典典型型的的尺尺寸寸精精度度问问题题有有以以下下几几种种：：1、回弹弹（（角度度变变化化））：：夹着着弯弯曲曲棱棱线线的的二二个个面面的的夹角角角角度度和和模模具具型型面面角角度度不相相同同的的现现象象。。如如图图所所示示：：二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计弯曲曲棱棱线线角度度变变化化2、壁壁翘翘曲曲及及内内凹凹：：侧侧壁壁（（纵纵壁壁））部部的的平平面面，，变变成成带带有有曲曲率率面面的的现现象象。。如如图图所所示示：：3、扭扭转转：：与与纵纵向向轴轴垂垂直直的的二二个个断断面面发发生生回回转转的的现现象象。。如如图图所所示示：：扭转二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计（三三））、、高高强强板板梁梁类类零零件件影影响响冲冲压压尺尺寸寸精精度度问问题题因因素素及及发发生生机机理理1、、高高强强板板U形形拉拉弯弯和和回回弹弹CAE分分析析●板板料料厚厚向向异异性性系系数数r0°°弯曲曲线线平平行行于于轧轧制制方方向向成成形形时时，，弯曲曲切切向向抗抗拉拉能能力力弱弱、、收收缩缩能能力力强强，，将降降低低高高强强板板成成形形性性能能和和成成形形极极限限。。在冲冲压压深深度度与与板板宽宽比比h0/b0=4.5、、R/t0=10的的条条件件下下，，有限限元元模模拟拟结结果r0°越大大，，宽宽向向变变形形大大、、厚厚向向变变形小小，，切切向向变变形形不不充充分分使使卸卸载载回回弹弹增大大。。二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计●压压边边力力对对回回弹弹的的影影响响自由由弯弯曲曲时时，，弯弯曲曲切切向向变变形形不不充充分分，，卸卸载载回回弹弹较较大大。。利利用用压压料料力力拉拉弯弯成成形形时时，，可可增增大大切切向向拉拉变变形形量量，，减减小小或或消消除除板板厚厚弹弹变变形形区区域域，，减减小小卸卸载载回回弹弹。。DP600高高强强板板V形形件件拉拉弯弯的的有有限限元元模模拟拟结结果果显显示示，，随随压压料料力力增增大大，，卸卸载载回回弹弹明明显显减减小小。。二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计●凹凹模模底底圆圆角角半半径径rda对对回回弹弹的的影影响响凹凹模模底底角角半半径径rda大大，，U形形件件底底部部变变形形程程度度减减弱弱，，侧侧直直边边的的回回弹弹明明显显增增大大；；减减小小rda可可增增强强镦镦死死效效果果，，减减轻轻侧侧壁壁回回弹弹。。●凹凹模模圆圆角角半半径径rd对对回回弹弹的的影影响响减减小小rd可可增增强强侧侧壁壁刚刚度度并并减减小小回回弹弹，，但但在在较较大大压压料料力力情情况况下下拉拉弯弯，，有有时时可可能能导导致致法法兰兰负负回回弹弹。。二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计●凸、、凹凹模模间间隙隙δ凸、、凹凹模模间间隙隙δ大，，板板面面拉变变形形不不充充分分，，导导致致卸卸载载回回弹弹增大大，，特特别别是是侧侧壁壁回回弹弹随随δ增大而而明明显显增增大大。。●凹模模口口跨跨度度w较大大凹凹模模口口跨跨度度w使凸凸模模底非非变变形形区区面面积积增增大大，，可可能能略略微增增大大卸卸载载回回弹弹，，但但对对于于有有底底凹模模或或带带顶顶出出器器弯弯曲曲时时，，w的大小小对对卸卸载载回回弹弹影影响响不不明明显显。。凹凸凸模模间间隙隙对对回回弹弹的的影影响响凹模模跨跨度度对对回回弹弹的的影影响响二、、汽汽车车用用高高强强板板零零件件工工艺艺设设计计●拉拉弯弯深深度度h与拉深变形不不同，由于没没有周向压缩，拉拉弯深度h越大，侧直边中弹性变变形积累越多多，卸载后产生的回弹弹也相对增大大了。过大h拉弯，不仅侧侧直边刚度不足导致其其本身弹性回回复，而且降低了法兰兰直边与凸模模底部的平行度。这种种情况下，可可考虑适当加大压料力力以增强侧直直边成形刚度。二、汽车用高高强板零件工工艺设计2、回弹（角角度变化）产产生的机理：：简单压弯梁类类零件产生回回弹的机理：：压弯类零件件基本都是几几何形状比较较简单的零件件，他们在实实际生产中所所产生的缺陷陷基本都是角角度变化缺陷陷，角度变化化产生的原理理，图示出的的是在简单U字形弯曲成成形时，在R部的角度变变化例子。从从图中可以看看见，在弯曲曲成形中，在在弯曲圆角外外部，材料由由于伸长而产产生拉伸的应应力，而在弯弯曲圆角内部部，材料由于于压缩，又产产生了压缩的的应力。但是是在零件脱模模后，由于存存在弹性变形形和板厚内外外应力释放，，即发生了力力矩，从而产产生角度变化化。压弯成形时的应力状态零件脱模后的应力状态二、汽车用高高强板零件工工艺设计1）、模具形形状和产品形形状对回弹的的影响：如图所示：这这是一个简单单U型件压压弯示意图Rp:凸模圆圆角半径。Rd：凹模圆圆角半径。C：凸模与凹凹模间隙。①、凸模圆角角半径的影响响凸模圆角半径径越小角度变变化越小，当当凸模圆角半半径为零时，，其角度变化化为零。凸模模圆角半径越越大其角度变变化就越大。。变形机理是是弯曲半径小小时，其圆角角处的塑性变变形量大，所所以促进了加加工硬化。反反之弯曲半径径大时，由于于塑性变形量量小，而使加加工硬化变少少。②、凹模圆角角半的影响在U形件弯曲曲过程中，当当凹模圆角半半径变大时，，弯曲支点间间距离大，在在初期成形过过程中形成的的弯曲范围扩扩大，这个被被弯曲的范围围，随着成形形的进展，被被弯曲回复凸模压料板二、汽车用高高强板零件工工艺设计，而出现弹出出因素，因此此，凹模圆角角半径Rd越越大，则角度度变化越大。。③、凸模与凹凹模之间的间间隙的影响在U型件弯曲曲过程中，凸凸模和凹具的的间隙增加时时，在成形的的最终过程，，由于材料和和冲模形状不不服帖，所以以角度变化变变大。模具的的磨损，使凸凸模和凹模的的间隙发生实实质性的增加加，因此必然然产生角度变变大。所以定定期修整凸模模和凹模间隙隙。是保证冲冲压件质量稳稳定必要手段段。④、产品零件件形状的影响响U型件形弯曲曲过程中，弯弯曲角度越大大，角度变化增大大。这是由于于通过减小材材料向凸模圆角处的的卷绕角度，，从而造成回回弹发生区域增大，，以及加大弯弯曲支点间距距离，在凸模圆角近近旁发生材料料震动缘故。。成形高度H越高，，由材料振动动引起的弹出出也就越大。如图所示示压料板凹模凹模凸模图60二、汽车用高高强板零件工工艺设计⑤、材料对角角度变化的影影响a)、材料强强度的影响U形件在弯曲曲加工过程中中抗拉强度σσb和屈服强强度σs的影影响。经过对对实际生产调调试跟踪调查查显示，随着着抗拉强度和和屈服强度的的增加，角度度的变化（回回弹）就越大大，这是由于于随着抗拉强强度和屈服强强度的增加，，板厚表里应应力的弯曲力力矩也呈线性性增加的缘故故。b)、材料厚厚度的影响板料厚度越厚厚，角度变化化越小小。这这是由于增加加了板厚，从从而提高了零零件件的刚性性。二、汽车用高高强板零件工工艺设计2)、回弹（（角度变化））控制措施①、回弹补偿偿②、在产品许可可的条件下，，尽可能的减减小凸模圆角角半径Rp③、减小压弯凹凹模圆角半径径Rd④、合理的凸凸凹模间隙⑤、增大压料料板压力⑥、产品侧壁壁增加加强筋筋3°-6°二、汽车用高高强板零件工工艺设计⑦、二次弯曲压料板压弯凸模一次压弯二次压弯第1次弯曲R部向纵壁移动1次的弯曲一次压弯二次压弯一次压弯二次压弯压弯凸模一次压弯二次压弯压料板压弯凸模一次压弯二次压弯第1次弯曲R部向纵壁移动压料板压弯凸模一次压弯二次压弯第1次弯曲R部向纵壁移动压料板压弯凸模一次压弯二次压弯1次的弯曲第1次弯曲R部向纵壁移动压料板压弯凸模一次压弯二次压弯1次的弯曲压弯凹模第1次弯曲R部向纵壁移动压料板压弯凸模零件脱模后二、汽车用高高强板零件工工艺设计产品名称：加加强梁材料ＤＰ６０００料厚1.2二、汽车用高高强板零件工工艺设计3、壁翘曲及及内凹产生的的机理由图所示,圆圆角内侧板料料受压应力而而产生压缩变变形。圆角外外侧板料受拉拉应力作用产产生拉伸变形形，当零件脱脱模后，由于于存在残余弹弹性变形和板板厚应力差，，使侧壁向外外发生角度变变化。由图a所示.与图图b同理，当当零件脱模后后零件侧壁向向里产生角度度变化。零件件侧壁上圆角角处侧壁向外外发生角度变变化，零件侧侧壁下圆角处处侧壁向里发发生角度变化化，发兰向下下发生角度变变化。在上下下两个力矩的的作用下使侧侧壁产生翘曲曲和内凹。即即板厚方向应应力差产生翘翘曲和内凹。。aba二、汽车用高高强板零件工工艺设计凹模凸模压料圈脱模后制件状状态二、汽车用高高强板零件工工艺设计1）、凸凹模模形状和产品品零件形状对对壁翘曲的影影响①、凹模圆角角半径的影响响通过减小凹模模圆角半径，，使壁翘曲从从外翘向内翘翘进行变化，，最终形成可可使壁翘曲大大体为0的凹凹模圆角半径径。内翘现象象，是在凹模模圆角半径变变小时，在凹凹模圆角处发发生材料弯曲曲变形产生的的圆角处内凹凹形状，这个个形状在纵壁壁的间隙内因因为受到反向向弯曲而产生生的内翘现象象。另外，材材料强度越高高，外翘倾向向越强。为了了能使壁翘曲曲达到0的模模凹模半径的的最佳值变小小，必须根据据材料强度和和板厚，选择择适当的模凹凹模圆角半径径和凸凹模间间隙。此外，，在难以发生生弯曲变形产产生的加工硬硬化rd/t<4以以上的区域，，随着rd/t的减小，，壁翘曲在逐逐渐减少。这这是由于当rd变小时，，在弯曲、弯弯曲回复成形形过程中产生生的塑性变形形（加工硬化化）变大，板板厚表里的应应力差变小的的缘故。②、凸模与凹凹具间隙的影影响凸模与凹具间间隙c对壁翘翘曲的影响。。凹模口圆角角半径rd，，作为发生反反向弯曲被确确认的rd/t=1.9为最佳理想想值。间隙很很小，c/t在1以下时时，由于发生生变薄拉深，，减少了引起起壁翘曲的板板厚表里应力力差，随着c/t的减少少二、汽车用高高强板零件工工艺设计rprd二、汽车用高高强板零件工工艺设计，壁翘曲也随随之减小。另另一方面，即即使大于c/t，由于在在凸模和凹模模的间隙内发发生反向弯曲曲，而使壁翘翘曲减小。c/t为1（（大约）时，，壁翘曲达到到最小，当c/t大于该该值时，由于于过大的间隙隙，使得反向向弯曲变得缓缓慢，再次加加大了（向））外翘（曲））的倾向。③、纵壁倾斜斜角度的影响响梁类零件在拉拉延成形过程程中，倾斜壁壁和垂直壁不不同，倾斜壁壁一方比垂直直壁产生的侧侧壁翘曲小。。这是由于在在成形过程中中中，当倾斜斜角度变大时时，除了壁翘翘曲的发生区区域变小之外外，还在纵壁壁部发生了抵抵消外翘的材材料振动的缘缘故。另外一一种方法是在在第1工序，，进行在纵壁壁加上倾斜角角度的成形，，用以抑制壁壁翘曲；在第第2工序，利利用二次弯曲曲，来抑制角角度变化。但但是纵壁如果果没有倾斜角角度，是垂直直壁，则在拉拉延成型过程程中侧壁内凹凹现象比较严严重。④、零件纵向向弯曲的影响响纵向弯曲的梁梁类零件弯曲曲形状的曲率率半径R对壁壁翘曲的影响响。R越小，，壁翘曲量也也越小。这是是由于曲率半半径变小时，，形状的约束束力变大的缘缘故。⑤、材料对壁壁翘曲的影响响二、汽车用高高强板零件工工艺设计a)材料强强度的影响屈服强度（σs），及抗拉拉强度（σb）对壁翘曲曲的影响。结结果当凹模口口圆角半径Rd=5mm，纵壁翘曲曲和σb的相关性比比σs还要强，因因此，随着σb的增加，纵纵壁翘曲呈直直线性的增加加。这是由于于和角度变化化时的情况一一样，凹模口口圆角半径为为5mm时，，由于弯曲、、弯曲回复而而引入的塑性性变形量较大大，加工硬化化得到发展，，因此和σs具有较强的的相关性。2）、回弹（（角度变化））、壁翘曲及及扭曲的预防防措施①、压边力的的控制压边力对壁翘翘曲和扭曲的的影响：在压压边力强的区区域，材料经经过凹模口圆圆角半径弯曲曲变形程度增增强。在纵壁壁部发生反向向弯曲单向拉拉应力增大，，从而使得反反向弯曲变形形加强，这样样一反一正的的弯曲变形在在大的拉应力力作用下使侧侧壁的残余弹弹性变形大大大减小，同时时使得纵向曲曲面内存在变变形应力差大大幅减小，所所以能使壁翘翘曲、回弹和和扭曲变小。。另一方面，，这是由于在在纵壁部上单单向拉应力增增大，使得板板料经过凹模模口弯曲变形形部分的材料料在到达纵壁壁时经过单向向二、汽车用高高强板零件工工艺设计拉应力的作用用，使得反向向弯曲变形塑塑性变形程度度大大提高，，残余弹性变变形得到消除除。从而减小小了引起壁翘翘曲的板厚表表里应力差的的缘故。由此此可见，为了了减少壁翘曲曲、扭曲和回回弹，提高压压变力是有效效的措施之一一。但是，如如果压边力过过大，则有发发生裂纹的危危险。因此，，作为角度变变化的解决方方案，如果应应用可变压边边力技术（初初期成形：低低压→成形终终期：高压）），则能够抑抑制裂纹和减减少壁翘曲一一举两得的效效果。②、阶梯式拉拉深采取阶梯拉深深也是减小壁壁翘曲一个有有效方案，他他的原理与控控制压边力机机理相同，通通过模具结构构可以实现的的有效技术方方案。阶梯式式拉深，是在在金属模台肩肩部分设定阶阶梯形状，在在成形终期，，通过把这个个阶梯形状进进行成形，对对纵壁附加张张力，来减小小壁翘曲的一一种拉深方法法。在阶梯式式成形时，就就能对纵壁附附加上较大的的张力，所以以，能够减小小壁翘曲（加加大曲率半径径ρ）。但是是材料利用率率大大降低了了。二、汽车用高高强板零件工工艺设计阶梯式拉深成成形的断面压边圈凹模凸模③、滑块锁定定拉深成形法法这是通过在拉拉延模具上设设置滑动凸轮轮机构，在冲冲压成形前半半程，采用拉拉延成形，在在后半程采用用压料筋锁死死要素，防止止尺寸精度不不良（缺陷））的一种方法法二、汽车用高高强板零件工工艺设计④、侧壁增设设加强筋消除除壁翘曲二、汽车用高高强板零件工工艺设计⑤、距离拉延延到底10mm-12mm增设锁死死压料筋消除除壁翘曲及回回弹二、汽车用高高强板零件工工艺设计⑤、拉延凹模模口圆角的控控制⑥、后序整形形和翻边模间间隙的控制二、汽车用高高强板零件工工艺设计⑦、调试研配配着色率的控控制：高强钢板模具具压料面研配配着色率必须须达到百分之之九十以上，，且着色保证证均匀。⑧、工艺方案案的控制对于高强钢板板零件，在分分析工艺方案案时，对制件件成形工序分分析首先要考考虑尽可能的的在一次成形形工序中把制制件几何形状状全部成出来来，避免二次次成形。如果果必须有二次次成形，对二二次成形区域域和工艺方法法及模具结构构采取有效的控控制。⑨、回弹补偿偿控制对于高强钢板板零件，在拉拉延工序中做做回弹补偿。。4、扭转产产生的机理由于存在板厚厚应力差和面面内应力差而而造成扭转二、汽车用高高强板零件工工艺设计1）、凸凹模模形状和产品品零件形状对对扭转的影响响①、成形高度度的影响浅拉深结构件件的扭转，在在成形高度低低的范围，内内部应力随着着成形高度的的增加而增加，，所以扭转变变大。另一方方面，当成形形高度变高时时，由于刚性性也随之变高，所以以扭转立即变变小。扭转达达到最大时的的成形高度，，越是屈服强强度高的材料，扭转转也越大。在在成形高度高高的领域，扭扭转依其材料料的不同，其其差异也更加明显。。②、结构件弯弯曲曲率的影影响③、材料对扭扭转的影响a)材料强度度的影响b)材料厚度度的影响2）扭转的控控制措施二、汽车用高高强板零件工工艺设计左/右后边梁梁冲压工艺方方案OP10:拉拉延OP30:冲冲孔、斜楔翻翻边成形OP10:修修边冲孔OP40:修修边冲孔、斜斜楔修边冲孔孔二、汽车用高高强板零件工工艺设计二、汽车用高高强板零件工工艺设计1、左/右后后边梁材料：590YD（四）、工艺艺方案设计由于该零件属属于S形梁，，拉延成形后后必然产生回回弹、壁翘曲曲和内凹。侧侧壁做3°°-5°°不等的回弹弹补偿。二、汽车用高高强板零件工工艺设计高强钢板冷冲冲压模具工程程验证拉延侧壁局部部负间隙和拉拉延筋结构二、汽车用高高强板零件工工艺设计高强钢板冷冲冲压模具工程程验证零件成形极限模拟结果零件厚度分布模拟结果第二主应变分布第一主应变分布第一主应力分布第二主应力分布二、汽车用高高强板零件工工艺设计2、左/右侧侧B立柱加强强板工艺方案案设计材料：拼焊板板590R/780Y/590RD二、汽车用高高强板零件工工艺设计左/右侧B立立柱加强板冲冲压工艺方案案二、汽车用高高强板零件工工艺设计3、左/右侧侧铰链支架材料：590YD图37产产品模型二、汽车用高高强板零件工工艺设计左/右铰链支支架冲压工艺艺方案OP40:修修边冲孔OP10:拉拉延OP20:修修边冲孔OP30:翻翻边整形图33工艺艺流程图二、汽车用高高强板零件工工艺设计二、汽车用高高强板零件工工艺设计4、仪表板右侧内内板材料：DP450仪表板左/右右侧内板冲压压工艺方案二、汽车用高高强板零件工工艺设计OP20:拉拉延OP30:修修边冲孔OP40:修修边冲孔、CAM冲孔OP40:整整形二、汽车用高高强板零件工工艺设计5、左右侧围围内板上部材料：DP600二、汽车用高高强板