高強度鋼板梁類零件冷沖壓成形技術分析

杜海鵬 夏冰 王紅

摘 要：本文簡要分析了梁類部件的結構與冷沖壓模具的特征，對比了高強度鋼板與一般低碳鋼板特性，詳細介紹了高強度鋼板梁類部件典型沖壓大小精度問題的類型以及影響要素，制定了管理角度回彈、側面翹曲、縱向扭曲的各種處理計劃，簡化了成形方法。

關鍵詞：高強度鋼材;梁類部件;冷沖壓;成形方法

中圖分類號：TG386 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0086-02

1 高強度鋼板與一般低碳鋼板特性對比

高強度鋼板與一般低碳鋼板的重要性能對比結果如表1所示。

通過表1得知，高強度鋼材的бs與бb比低碳鋼材高很多、而n值與r值卻很低。所以高強度鋼材制成性能相對于低碳鋼板差、其極限相較于低碳鋼板低。高強度鋼板盡管與低碳鋼板那樣有破裂與起皺情況，但高強度鋼板部件的幾何尺寸與型面輪廓精度問題更加明顯，特別是回彈與翹曲的情況在同樣的條件下相較于一般鋼板更加嚴重，已變成影響高強度鋼板件生產的重要問題。很多專家就回彈問題進行了諸多理論探究與生產測試，主要涉及回彈預計、回彈管理與回彈補償等反面。盡管獲得了顯著成果，但和實際調試過程的回彈數值相差較大;此外，高強度鋼材CAE數值模擬研究趨勢和具體調試結構比較吻合，可是回彈量的預計量有較大差別。

2 高強度鋼材梁類零件沖壓尺寸精度的影響要素

2.1 高強度鋼材回彈CAE研究影響要素

金屬板材出現塑性變形時，因為其晶體架構與軋制工藝的區別，板材在各個方向上體現出的力學性能存在區別。對板材做單軸拉伸變化時，寬度角度的真實應變和厚度方位的實際應變之比是厚向異性指標，板材順纖維縱向出現的彎曲方位與軋制方位夾角分別是0°、45°和直角的異性指標記作R0°、R45°和R90°。在板材“V”彎曲有限元制成模擬階段，為了和實際的板材沖壓方法相統一，設置彎曲棱線盒軋制方位垂直，指拉、壓變形均在0°方向出現。所以，在沖壓深度與板寬比h0/b0=4.5，具體彎曲徑厚度比為10的狀態下，R0°愈大，回彈越明顯。指板材的厚度異性指標愈大，變化時板寬角度變化越明顯、板厚方位變化愈小，切向變化越不全面，所以回彈加大。

2.2 制件參數的干擾

板材在實施“U”形彎曲變化時，凹凸模圓角半徑Rp、Rd，壓彎深度（h），凹凸模空隙（б）與凹模口跨越（w）等技術參數均會影響板材卸下后的回彈。

（1）凸模圓角半徑（Rp）的干擾。Rp越小，部件的回彈角度改變越小。當Rp半徑是0時，部件的回彈角度改變是0;Rp越大，部件的回彈角度改變會越大。變化機理為：若彎曲半徑較小，圓角位置的塑性變化量大，彈性變化量所占比重很小，所以回彈角很小;若彎曲半徑較大，塑性變化量小，彈性變化量所占比重很大，所以回彈角很大。在沖壓工藝與板材性能參數均一樣的狀態下，Rp不一樣時板材回彈后的外型;通過研究得知，伴隨Rp加大，凹模下部變化程度減小、變化區增大，側直邊的回彈角不斷擴大，但是法蘭角的回彈變形很小。（2）凹模圓角半徑（Rd）的干擾。于“U”形件彎曲階段，當Rd增大時，凹模口離凸模支點之間的彎曲間距大，板材在早期成形階段出現的彎曲范圍加大;這一被彎曲的區域伴隨成形的進展出現彎曲恢復情況（即回彈），所以Rd愈大，零件的回彈角度改變愈大。還能夠發現，伴隨Rd加大，法蘭邊回彈角也明顯減小。（3）凹凸模空隙的干擾。伴隨模具空隙的加大，側壁回彈角產生明顯加大的趨勢。這是因為空隙加大就像側直邊的折彎角度加大，所以板材變化程度降低，變化區擴大，回彈變化;且空隙的增大縮小了入料阻力，板材塑性變化量縮小，回彈也將由此加大。相對比下，法蘭回彈角對制件空隙的敏感度沒有側壁回彈角顯著。（4）凹模口跨越w的干擾。凹模口跨度為20mm、30mm、40mm、與50mm時板材回彈后的形狀比較能夠發現，凹模口跨度加大時，回彈最終的側直邊、法蘭邊都類似平行，指回彈角大致固定[1]。在板材“U”形彎曲時，“U”形下部直邊范圍的大多數是變化死區、變化量較小，擴大凹模口跨度僅僅是加大了變化死區的跨度，幾乎不會干擾塑性變化，所以回彈角基本未改變。（5）壓彎深度h的干擾。壓彎深度在20mm、30mm、40mm、與50mm時板材回彈后的形狀比較能夠發現，伴隨壓彎深度加大，側直邊長度會加大，塑性變化范圍隨之變大，彈性變化成分總量也會增多，所以側直邊回彈角伴隨壓彎深度加大產生了較大的加大趨勢。收彎曲深度干擾，法蘭角的回彈將產生明顯加大。（6）模具形狀的干擾。通過分析發現，在“U”形件彎曲階段，彎曲角度愈大、成形高度H愈高，那么回彈角變形愈大[2]。這是因為在其它條件固定的基礎上，彎曲角度愈大和成形高度愈高，彈性變化累計愈多，造成回彈角愈大。

2.3 板材對回彈角度的干擾

（1）板材強度的干擾。比較剛強度鋼板與一般鋼材的應力-應變曲線能夠發現，在同樣的變化程度狀態下，高強度鋼材塑性變化占總應變的比重明顯低于一般鋼板，因此高強度鋼材的回彈角度超過一般鋼板。（2）材料厚度的干擾。板材厚度愈厚，回彈角度變形愈小。這是因為加大了板厚，進而提升了部件的剛度。

2.4 壁翹曲與內凹出現的機理

板材下部圓角范圍中性層內壁受壓應力而出現壓縮變化，圓角外邊板材受拉應力影響出現拉伸變化[3]。部件脫模后，整體應變中彈性應變引起的殘余應力排放令側壁朝外出現角度變形;同理，脫模后法蘭朝下出現角度變化及翹曲。下面講述凹凸模外形與產品零件外形對壁翹曲的干擾。

（1）凹模口圓角半徑的干擾。經過縮減凹模圓角半徑，令壁翹曲出現由外翹朝內翹的改變，最后確定能夠令壁翹曲大概是0的凹模圓角尺寸。內凹情況是板材通過凹模圓角過程，側面在凹模口圓角位置出現彎曲變化形成的內凹情況。此外，板材強度愈大，外翹傾向愈強。為了令壁翹曲是0的凹模口圓角半徑最優值減小，需要結合板材強度及板厚選取合適的凹模圓角半徑愈凹凸模空隙。通過多次測試，當Rd/t小于4時，伴隨Rd/t的降低，壁翹曲慢慢減小。這是因為當Rd減小時，板材在彎曲、拉延成形階段出現的塑性變形加大，板厚內外的應力差減小的原因[4]。（2）凹凸模空隙б對壁翹曲的干擾。當凹凸模的空隙腳下（指c/t<1時），因為板材出現變薄拉伸，降低了造成壁翹曲的板厚內外應力差;伴隨c/t的降低，壁翹曲也降低;此外，當c/t大于1時，因為板材在凹凸模的空隙中出現反向彎曲，進而導致壁翹曲值出現改變;當c/t處于1.2-1.4范圍時，壁翹曲是最小;當c/t大于1.4時，因為較大的空隙導致反向彎曲比較遲緩，所以再次提高了外翹的趨勢。（3）縱壁傾斜方向的干擾。梁類部件在壓彎成形階段，傾斜壁與垂直壁的壁翹曲大小不一樣，傾斜壁的翹曲相較于垂直比偏小[5]。這是因為除傾斜壁翹曲的出現范圍變小以外，在成形最終，傾斜壁位置凹凸模空隙是零，也降低了該范圍的回彈。（4）縱向變化的梁類部件彎曲曲率半徑R干擾壁翹曲。R愈小，壁翹曲量會愈小。這是因為曲率半徑縮小時，外形的約束力增大的原因。（5）板材強度干擾壁翹曲。伴隨板材強度的提高，彈性應變占整體應變比例不斷加大，造成縱壁翹曲加大。

3 回彈角度改變、壁翹曲愈扭曲的防范方法

（1）壓邊力的干擾。在壓邊力高的位置，板材塑性變化比例增加、殘留彈性變化削減。縱壁部出現彎曲、反彎曲的單一拉應力加大，令側邊的殘留彈性變形大幅度削減，而且令縱向曲面中含有的變形應力明顯降低，因此可以令部件的壁翹曲、回彈以及扭曲變小。由此，為降低壁翹曲、扭曲與回彈，提升壓邊力屬于有效的方法之一。但是，若壓邊力較大，那么零件有出現裂痕的風險，采取可變壓邊力方法就可以控制裂痕與降低壁翹曲。（2）梁類部件拉延側邊階梯式補充辦法。梁類部件選擇拉延側面階梯式補充辦法，也是降低壁翹曲的重要計劃之一。其原理和管理壓邊力機理一樣，是能夠通過制件結構規劃實現的重要技術計劃。階梯式拉深指在金屬模臺肩位置設置階梯形狀，經過在成形末期成形這一階梯狀對縱面施加附屬張力，以降低壁翹曲的成形辦法，但板材使用率大幅度下降了[6]。（3）滑塊鎖定架構成形方式。滑塊鎖定架構成形方式是通過在拉延制件上安裝滑動凸輪結構，旨在成形后半程把壓料筋慢慢鎖緊，進而提升尺寸精度的辦法。（4）在側壁加入增強筋去除壁翹曲的辦法。（5）凸、凹模口圓角半徑管理。實驗表明，凸模圓角半徑愈大，模具壁翹曲愈大，反而愈小;凹模圓角半徑愈小，壁翹曲愈小。（6）后序整形與翻邊模空隙的把控。后序整形模、凹凸翻邊模的空隙不得根據1個料厚空隙取值，由于板材通過拉伸變化后變薄。反復調試測試表明，當整形與翻邊凹凸模空隙c/t-0.9時，調整壁翹曲的成效最好。

4 結語

總之，為提高汽車安全性、得到車體輕量化，高強度鋼板于車體零件上的使用比例不斷增加。因為高強度鋼板成型效果沒有一般鋼板好，且成型后有明顯的回彈與扭曲情況。所以，有關高強度鋼板部件的沖壓新方法與回彈補償管理等方面的問題探究深受學術界與工程界的重視，而且上文對此進行了詳細介紹。

參考文獻

[1] 趙運運.汽車B柱加強板熱成形工藝研究[D].合肥工業大學，2017.

[2] 張永亮，李雪剛，張鑫.高強度鋼板熱沖壓成形研究與進展[J].汽車工藝與材料，2015（02）：41-46+49.

[3] 吳國峰，張云山.高強度鋼板梁類零件冷沖壓成形技術研究[J].汽車工藝與材料，2014（8）：37-42.

[4] 景盛，胡雪梅.高強度鋼零件小直徑超深孔精密加工關鍵技術[J].江蘇航空，2012（04）：22-25.

[5] 蔣崢嶸.高強度鋼板熱沖壓工藝研究及有限元分析[D].重慶大學，2011.

[6] 夏成寶，楊蘋，李洪青.飛機高強度鋼零件超音速電弧噴涂鋁基防護層工藝[J].材料保護，2003（7）：32-33.