高強(qiáng)鋼板結(jié)構(gòu)件沖壓工藝設(shè)計(jì)及回彈控制解決方案

2023-12-09 08:25:18邵翠紅安慶鵬李國(guó)競(jìng)王慧彬張飛一汽模具制造有限公司

鍛造與沖壓 2023年22期

關(guān)鍵詞：變形

文／邵翠紅，安慶鵬，李國(guó)競(jìng)，王慧彬，張飛·一汽模具制造有限公司

通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼板結(jié)構(gòu)件成形過(guò)程中在壓料面上的流動(dòng)特性、對(duì)變形形式的力學(xué)反映，進(jìn)而確定合理的沖壓工藝方案；同時(shí)分析高強(qiáng)鋼板在結(jié)構(gòu)件成形中彈性變形和塑性變形之間的比例和相互影響及其彈性滯后表現(xiàn)，研究高強(qiáng)鋼板對(duì)補(bǔ)充成形的適應(yīng)性，制定結(jié)構(gòu)件回彈的預(yù)測(cè)、控制及相應(yīng)的補(bǔ)償措施。

高強(qiáng)度鋼板已廣泛應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)件制造中。普通材料的沖壓件模具調(diào)試周期為3 ～6 個(gè)月，修模兩次左右即可達(dá)到制件精度要求，模具制造周期滿足產(chǎn)品開發(fā)周期。而目前對(duì)高強(qiáng)鋼冷沖壓變形機(jī)理、回彈控制方法缺乏成熟方案，導(dǎo)致模具開發(fā)周期延長(zhǎng)至6 ～9 個(gè)月。解決高強(qiáng)度鋼板汽車結(jié)構(gòu)件沖壓變形機(jī)理及回彈控制難題，可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼板沖壓模具產(chǎn)業(yè)化，縮短模具開發(fā)周期。

由于高強(qiáng)鋼板汽車零件與普通深沖鋼相比，σs和σb比低碳鋼板高得多，而n 值和r 值卻比較低，因此高強(qiáng)鋼板的成形性能比低碳鋼板差，成形極限比低碳鋼板小。高強(qiáng)鋼板雖與低碳鋼板一樣具有開裂和起皺問(wèn)題，但由于σs和σb高，n 值和r 值低，影響貼模性的幾何面缺陷和定形性問(wèn)題更為突出。因此要保證高強(qiáng)鋼板的沖壓質(zhì)量，不僅要避免開裂和起皺問(wèn)題，更重要的是要想辦法解決回彈問(wèn)題保證零件的形狀和尺寸精度。

高強(qiáng)鋼板回彈影響因素

材料各向異性對(duì)回彈的影響

圖2 為板料軋制方向的各向異性系數(shù)r0 變化時(shí)回彈角的變化情況。可以看出，材料的各向異性系數(shù)越大，變形時(shí)板寬方向變形越大，板厚方向變形越小，切向變形越不充分，因此回彈增大。

板料厚度對(duì)回彈的影響

圖3 為材料性能參數(shù)和工藝條件均相同的條件下，板料厚度改變時(shí)回彈角的變化情況。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凸模圓角半徑R 恒定時(shí)，隨著板料厚度的變化即相對(duì)徑厚比R/t0的變化，回彈會(huì)呈現(xiàn)出負(fù)回彈—正回彈—負(fù)回彈的變化趨勢(shì)，當(dāng)相對(duì)徑厚比恰好為某值時(shí)，回彈角等于零，利用這一規(guī)律，可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)找到最合理的凸模圓角半徑和板厚的組合，實(shí)現(xiàn)回彈的最小化。

凸模圓角半徑對(duì)回彈的影響

圖4 為板厚不變情況下，凸模圓角半徑分別取R=5mm、R=10mm、R=15mm、R=20mm 時(shí)回彈角的變化情況。隨著R 增大，正方向的回彈角明顯增大，凸模圓角半徑增大4 倍，回彈角增大超過(guò)5 倍。

圖5 為不同凸模圓角半徑的等效塑性應(yīng)變分布圖，圓角半徑越大，發(fā)生塑性變形的區(qū)域越大，因此彈性變形區(qū)大，累積回彈量就越大，并且圓角半徑大的板料變形程度越小，彈性卸載量大，回彈也會(huì)增大。

壓邊力對(duì)回彈的影響

圖6 為壓邊力變化時(shí)回彈角的變化情況。當(dāng)壓邊力小于20kN 時(shí)，隨著壓邊力的增大，回彈有明顯的上升趨勢(shì)，之后隨著壓邊力的增大，回彈逐漸減小，當(dāng)壓邊力達(dá)到100kN 時(shí)，回彈角已經(jīng)接近為零。壓邊力對(duì)回彈的影響有兩個(gè)方面，一方面壓邊力會(huì)增大板料厚向應(yīng)變，使板料厚度減薄加劇，根據(jù)前面的分析，板厚越薄，回彈越大。另一方面壓邊力增大切向應(yīng)變，使板料塑性變形更加充分，減小板厚方向內(nèi)外應(yīng)力差，此時(shí)回彈會(huì)減小。

高強(qiáng)鋼板工藝設(shè)計(jì)案例

產(chǎn)品名稱為A 柱左/ 右上加強(qiáng)板；料厚為1.8mm；材料為590YD；屈服強(qiáng)度σs為340MPa；抗拉強(qiáng)度σb為650MPa；各向異性r 為1.05；硬化指數(shù)n 為0.19；產(chǎn)品模型如圖7 所示。

沖壓工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵要素

⑴ 工藝規(guī)劃，如圖8 所示。

1)沖壓方向的確定。①保證在拉延工序成形出的產(chǎn)品沒有負(fù)角，對(duì)于高強(qiáng)鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮至少6°拔模角，此產(chǎn)品最小拔模角10°，為回彈補(bǔ)償留出預(yù)留量；形狀盡量在拉延實(shí)現(xiàn)，避免后序由整形產(chǎn)生回彈扭曲等變形。凸模開始拉延時(shí)與拉延毛坯的接觸狀態(tài)，凸模開始拉延時(shí)與拉延毛坯的接觸面積要大，接觸面積盡量靠近制件中心位置。②理想的修邊方向是90°，允許的修邊角度為正負(fù)15°。

2)構(gòu)建合理的拉延工藝補(bǔ)充模型。確定壓料面的基本原則，拉延深度均勻，板料毛坯接觸凸模面積盡量大。產(chǎn)品都在凸模成形，避免形狀在壓料上尺寸不穩(wěn)定。

⑵模擬分析。

1)模擬分析材料與實(shí)際使用材料相一致，縮小由于材料不對(duì)應(yīng)導(dǎo)致理論與實(shí)際差異。板料軋制方向必須滿足項(xiàng)目要求。

2)拉延數(shù)模比例放大，綜合考慮零件的尺寸精度、放件狀態(tài)、壓料狀態(tài)確定合理的比例放大系數(shù)。

3)壓料面進(jìn)行里外拆分，里圈設(shè)置所需壓料力，外圈設(shè)置5T，實(shí)現(xiàn)壓料里緊外松，與加工數(shù)模里圈+0.1 加工相一致。

4)拉延后板料控制，單條拉延筋時(shí)，成形到底時(shí)要保證收料線距拉延筋外側(cè)切線至少5mm；雙拉延筋時(shí)，保證收料線不能進(jìn)入外筋中心線。

5)收斂性檢查：drawing/forming 階段迭代次數(shù)一般應(yīng)小于40(最大可放寬至80，但絕不允許發(fā)生強(qiáng)行收斂現(xiàn)象)；gravity/locating 階段迭代次數(shù)可以超過(guò)40，但必須小于300；closing 階段超過(guò)40 屬于正常，但需要檢查。

回彈分析及補(bǔ)償設(shè)計(jì)

根據(jù)AutoForm 軟件的回彈分析，首先確定制件回彈產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)及機(jī)理，工藝設(shè)計(jì)上通過(guò)調(diào)整壓邊力、凸模圓角、凹?？趫A角、拉延深度、拉延筋強(qiáng)度等關(guān)鍵控制因素綜合考慮優(yōu)化回彈量，初期對(duì)于制件回彈量大或扭曲嚴(yán)重的情況，需要通過(guò)調(diào)整工藝方案或增加上壓料等手段優(yōu)化，最終得到一個(gè)穩(wěn)定且回彈量小的工藝方案，其次進(jìn)行精算分析及回彈補(bǔ)償，以達(dá)到最優(yōu)的尺寸精度。

結(jié)論

高強(qiáng)鋼板結(jié)構(gòu)件常見的回彈形式主要是角度變化(回彈)、扭曲及壁翹曲，通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼板機(jī)械性能及回彈產(chǎn)生機(jī)理的分析，制定以下4 種方式進(jìn)行預(yù)防。

⑴沖壓工藝設(shè)計(jì)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)SE 階段給予合理的建議。對(duì)于零件的側(cè)壁，產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該注意留有翻邊回彈補(bǔ)償?shù)挠嗟兀瑢?duì)于高強(qiáng)鋼板產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮至少6°；彎曲半徑小有利于減少回彈；產(chǎn)品形面過(guò)渡要平緩，避免急劇的截面變化；盡量避免多料和少料形狀的翻邊，此類形狀成形結(jié)束后相應(yīng)的會(huì)產(chǎn)生壓縮和拉伸殘余應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生扭曲。

⑵合理的拉延筋布置(圖9)。普通鋼板可采用周圈拉延筋布置形式，高強(qiáng)鋼板應(yīng)避免角部布置拉延筋，可以采用“八字筋”形式有效減小材料在角部的受壓狀態(tài)。

⑶在合理范圍內(nèi)采用較小凸模圓角。凸模圓角R盡量小有助于減小回彈和側(cè)壁翹曲，凸模圓角半徑越小回彈越小，凸模圓角半徑越大其回彈就越大。彎曲半徑小時(shí)，其圓角處的塑性變形量大，所以促進(jìn)了加工硬化，反之彎曲半徑大時(shí)，由于塑性變形量小，而使加工硬化變少。

⑷梁類零件采用上下壓料結(jié)構(gòu)可有效減小回彈。此結(jié)構(gòu)需要下氣墊有延時(shí)功能，如氣墊沒有延時(shí)功能則需要特殊結(jié)構(gòu)，如圖10 所示。