某汽車高強鋼左右門檻梁內板沖壓工藝及其模具設計

文／陳世濤，王海玲，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

某汽車高強鋼左右門檻梁內板沖壓工藝及其模具設計

文／陳世濤，王海玲，王法峰·安徽江淮汽車股份有限公司

通過對先進高強鋼成形特點分析，采用一種“W”形成形工藝方案，可以有效降低立壁回彈及弧形面的質量缺陷。該工藝方案可提高左右門檻梁內板先進高強鋼梁類件的成形質量，減少沖壓工序數，降低模具開發成本，提高生產效率。

隨著汽車輕量化、節能環保及安全性能的發展要求，汽車用鋼板逐漸向高強度化發展已成為必然趨勢。據統計，汽車總重每減輕10%，油耗可減少8%～10%，當鋼板厚度分別減小0.05mm、0.10mm和0.15mm時，車身減重分別為6%、12%和18%，由此可見，增加鋼板強度是減小板厚、減輕車重、節能降耗的主要途徑之一。另一方面，由于高強鋼板具有良好的加工硬化性能及較高的強度，高強鋼零件的應用也將有效提高車身強度和整車安全性能。

高強鋼零件的應用可以實現較好的效果，但是其加工過程相對較為困難，并且隨著高強鋼板強度的增加，成形難度越來越大。其主要原因在于鋼板強度增加的同時，自身塑性及成形性能顯著下降，從而導致成形過程中更容易出現起皺、開裂、回彈、模具磨損等問題，其中回彈最難控制。由于高強鋼板加工性能的特殊性，其成形質量及回彈控制難以保證，通常產生回彈的零件形狀精度較低，使得模具調試和維護工作難度增大，甚至會導致模具報廢。

現有工藝方案分析

梁類沖壓件在汽車車身中應用很多，目前其主要成形工藝方案大致分為兩種：

⑴拉延、整形工藝方案。如圖1a所示，該方案實現產品沖壓成形共需要2～3個工序，第一工序為拉延，由于高強鋼回彈（側壁回彈）的存在，第一工序僅能使工件接近產品形狀，因此后序必須進行整形。第二工序通過扣除回彈量進行整形，使其回彈后恰好與產品形狀相符，主要為調整一定的側壁角度，從而達到補償其回彈的目的。整形在工藝上有正向整形和側向整形之分，正向整形只適合側壁與Z向角度大于0°的情況，而側向整形則適用于側壁與Z向角度為負角的情況。

⑵成形、整形工藝方案，如圖1b所示，該技術方案成形類模具共需要三個工序，第一工序對坯料（點劃線所示）進行成形翻邊加工，成形后狀態如實線所示。第二工序進行二次翻邊，將第一序的半成品（點劃線所示）加工至實線所示狀態。由于存在回彈現象，翻邊后尺寸精度難以達標，需要進行回彈校正。而現有技術水平下，對沖壓鈑金件的回彈量及所需補償量仍無法準確預測，因此在正向整形無法解決回彈的現實情況下，就需要增加側向整形工序。正向整形無法解決回彈的情況是指，產品側壁與Z向角度較?。ㄈ?°拔模角），而解決側壁回彈（需要扣除3°的補償角度），扣除回彈補償角度后就出現了負角的情況，該種情況下正向整形無法解決回彈，如圖1c所示。因產品立壁角度問題，在第二工序無法解決回彈時，需要增加第三工序即側向整形工序。但第三工序不能替代第二工序，第三工序必須以第二工序為基礎，對第二工序進行補充，如預測失誤較大時，雖然設計時規劃了第三序正向整形，在實物調試時，仍發現無法滿足質量要求，而被迫增加第四工序側向整形。

上述三種梁類件沖壓工藝方案可以實現沖壓成形，但存在以下問題：⑴開發成本較高。由于回彈量的不可預測，第三工序側向整形難以節省，否則產品精度比較差，因此模具開發成本高，而方案二模具工裝開發成本更高。⑵產品成形質量差。除角度回彈外，產品易出現側壁面不平整、立壁面為弧形的卷曲回彈現象。主要原因為：成形過程中，坯料直接從平板料狀態成形至接近產品狀態，板料接近90°變形，形狀變化劇烈，變形過程中板料僅靠凹?？谔幍耐筊角與板料接觸并促使板料逐步成形至接近產品形狀，與R角接觸變形后的板料處有內應力的積聚，成形結束后，沖壓件沒有模腔約束，內應力釋放，最終出現與產品面形狀不相符的弧形面，如圖2所示。該弧形面與立壁面的深度緊密相關，深度越大，立壁面上的弧形面越明顯。

圖1 梁類件拉延、成形翻邊工藝方案

圖2 產品側壁出現弧形示意圖

新沖壓工藝方案

鑒于以上分析，本文以我公司某新車型左/右門檻梁內板沖壓件開發為例，講述一種高強鋼梁類件沖壓工藝方案及其模具結構設計。該零件實物如圖3所示，采用材質DP780的先進高強鋼，板件料厚1.6mm，材料利用率達72.54%，由于先進高強鋼的屈服強度大，產品成形難度較大。

圖3 左/右門檻梁內板先進高強鋼沖壓件實物圖

如圖4a所示，該梁類件大致為“幾”字形工件，其沖壓成形主要通過兩步成形實現。第一工序將坯料加工至“W”形并完成一端的上翻邊，如圖4b所示?！癢”工件側壁與Z向角度可在30°～60°之間，其具體角度選擇原則為：⑴該角度介于0°與產品狀態之間；⑵當側壁最大深度與產品件上平面寬度比小于1∶1.5時，角度可大于45°；當深寬比大于1∶1.5時，角度需小于45°。第二工序通過斜楔機構進行側整成形，將“W”形半成品件側向整形加工到與產品相符的“幾”字形最終狀態，如圖4c所示。圖4d為第一工序、第二工序成形后兩種狀態的產品截面對比示意圖。

圖4 “W”形成形工藝方案

成形模結構設計及成形原理

第一工序成形模具結構設計

第一工序主要工作內容為“W”形成形、端頭上翻邊，其模具結構如圖5所示。上模工作部分中，上模成形鑲塊固定安裝在上模座上，與下模成形鑲塊配合，工作時可以促使兩側W成形。由于高強鋼、超高強鋼材料屈服強度大、板料較厚，成形時所需要力較大，該模具壓料芯采用氮氣彈簧提供成形所需的壓料力，保證成形時板料不會發生竄動。下模工作部分中，下模成形鑲塊固定安裝在下模托芯上，下模托芯通過機床頂桿實現上下運動，其工作運動過程中，下模座與下模托芯通過導滑板導向。

圖5 第一工序成形模具結構示意圖

初始狀態時，下模托芯在機床頂桿作用下處于上浮狀態，上模壓芯在自重及氮氣彈簧組件作用下處于伸展狀態。把坯料放置于下模上并通過定位板對坯料邊界進行定位，隨上模在機床滑塊作用下逐步下行，上模壓芯首先接觸坯料并與下模成形鑲塊的中間部分配合將板料壓住，對板料進行初步加工，完成板料與上模壓芯接觸部位具備“W”形沖壓件的一部分特征。由于壓料氮氣彈簧的力小于機床頂桿的力，在此過程中，下托料芯不發生運動。上模隨壓機繼續向下運動，機床頂桿在壓機壓力的作用下開始向下運動，板件進行端頭部分的上翻邊工作內容，最終將坯料完全加工成“W”形的沖壓半成品件，完成第一工序成形加工。

回彈主要包括角度回彈、卷曲回彈、扭曲回彈，而卷曲回彈則是回彈后側壁上曲率發生變化，與角度回彈不同，卷曲回彈后零件側壁回彈角度并非定值。它主要是由于零件在彎曲變形過程中上下兩側的變形不一致導致的厚度方向的應力分布不均或者是應力變化不均造成的。

回彈是整個沖壓成形過程的累積效應，回彈的存在必然會造成沖壓件的形狀和尺寸誤差，進而影響沖壓件表面品質和裝配性能等。而本文所述“W”形成形工藝方案，由于板料從平板料狀態加工到W形狀態，其側壁部分變化幅度較小，成形深度較現有工藝方案淺，角度變化在45°左右，遠小于接近90°的角度大幅變化，使上模成形鑲塊的凸R角對板料的作用相對平緩、柔和，成形時內應力積聚大大減少，從而有效緩解了側壁卷曲回彈導致弧形面缺陷的問題。

此外，該左/右門檻梁內板先進高強鋼沖壓件的第一工序成形模還可以通過另一種模具結構實現，具體如圖6所示，不同之處在于，該模具工裝下模工作機構成形部分分為兩部分：下模托芯和下模成形鑲塊。

圖6 第一工序成形模具結構二示意圖

第二工序成形模具結構設計

第二工序主要主要進行側整形，將第一序成形的“W”形工件通過斜楔側整至板件最終狀態，其結構如圖7所示，該成形模模具結構工作原理與現有技術中的帶有斜楔機構的側向整形模具相同，不再贅述。該整形模結構中，側整形凹模鑲塊安裝在側整斜楔機構上，可以方便拆卸、加工，進而滿足沖壓件調試與整改需要。此外，需要注意的是，設計時側整斜楔運動方向與水平面的夾角要大于“W”形工件左右端面與水平面的夾角，否則會造成側整形凹模鑲塊向工件靠近時與“W”形工件左/右兩端面干涉。

圖7 第二工序側整形模具結構圖

推廣應用

本文所述“W”形沖壓工藝方案及模具結構不僅適用于規則的“幾”字形沖壓件，還適用于不完全規則、不對稱的類似件。如圖8a所示沖壓件，該零件兩側的側壁深度相差較大，同一側的側壁深度也相差較大，且法蘭邊形狀有較多臺階，但同樣可采用“W”形成形工藝。圖8b所示為第一工序成形后產品結構，將平板鋼板加工成不對稱的W形狀，再通過圖8c所示第二工序的側向整形加工得到最終產品，進而完成沖壓件產品形狀的沖壓加工。圖8d為第一工序及第二工序成形后兩種狀態的截面對比示意圖。

圖8 不規則形狀沖壓件推廣應用

另一方面，對于無法蘭邊的“N”字形沖壓件，或者一側有法蘭邊，另一側無法蘭邊的制件，該工藝方案同樣適用。沖壓件成形時，第一工序的半成品形狀仍可完全延用“W”形狀成形；也可作相應變動改為側壁開口，如圖9所示，與Z向呈30°～60°夾角的倒“V”字形形狀或者“N”字形，將其分別在第一工序和第二工序分步完成即可解決回彈和弧形面質量差的問題。特別的，當無法蘭邊的“N”字形沖壓件側壁較深，且側壁面還具有豎向臺階或類似特征時，該倒“V”字形工藝的應用可以使側壁質量更好，優勢更為明顯。

圖9 倒“V”字形及“N”字形工藝方案示意圖

結束語

隨著汽車工業的快速發展，汽車沖壓零件高強鋼、先進高強鋼的應用已成為必然趨勢，在實現車身輕量化的同時也提高了車體的抗凹陷性、耐久強度和大變形沖擊強度的安全性能。

本文通過對左/右門檻梁內板先進高強鋼零件成形特點及現有梁類件沖壓工藝成形缺點分析，采用新的“W”形工藝方案及其模具結構，將側壁大角度沖壓加工合理的分到第一工序和第二工序實現，通過分步、小角度加工，有效地減小了側壁大角度加工成形而產生的材料內應力積聚，進而減輕了側壁弧形面質量缺陷的發生幾率和程度。此外，該種沖壓工藝方案及模具結構的應用也可以縮短模具調試周期，降低工作量，提高生產效率。