高強(qiáng)板材質(zhì)側(cè)圍模具開發(fā)

文/楊群輝、謝勇剛、皮勁、朱威·神龍汽車有限公司

高強(qiáng)板材質(zhì)側(cè)圍模具開發(fā)

文/楊群輝、謝勇剛、皮勁、朱威·神龍汽車有限公司

楊群輝，沖壓工程師，主要從事沖壓新項(xiàng)目車型的投放工作，主要完成了神龍M33和M43 車型高強(qiáng)度板側(cè)圍模具開發(fā)，高強(qiáng)度模具散熱，分體式側(cè)面CMT焊接的相關(guān)技術(shù)工作，獲得了一項(xiàng)國家專利技術(shù)，一項(xiàng)神龍公司核心專有技術(shù)。

隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車普及程度越來越高，相關(guān)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)也越來越嚴(yán)格，這給汽車行業(yè)提出了更高的技術(shù)要求。高強(qiáng)度板外觀件就是其中一項(xiàng)，它能夠使車身減重達(dá)到10%左右，節(jié)省約10%的燃油，而且其他排放也會(huì)相應(yīng)降低。因此，提高高強(qiáng)度板在汽車上的利用率，對(duì)于實(shí)現(xiàn)汽車質(zhì)量輕量化、節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、安全性能等方面具有重要意義。

高強(qiáng)度板外觀件應(yīng)用

高強(qiáng)板又稱低合金高強(qiáng)板，主要特點(diǎn)是強(qiáng)度大，屈服點(diǎn)高。國際上把屈服強(qiáng)度在210～550MPa范圍內(nèi)的鋼板稱為高強(qiáng)度板；屈服強(qiáng)度大于550MPa的鋼板稱為超高強(qiáng)度鋼板。

目前，國內(nèi)汽車主機(jī)廠使用的高強(qiáng)度鋼板主要應(yīng)用在汽車底盤、防撞梁和車體框架上，但是高強(qiáng)度板直接用于車身外觀件屬于全新的課題。全新愛麗舍和標(biāo)致301車型的側(cè)圍就運(yùn)用到了高強(qiáng)度板，這兩款車型的側(cè)圍均由五部分組成，其中，前立柱、中立柱和外縱梁均是高強(qiáng)度外觀件，通過焊接復(fù)合為整體，既保證了車輛美觀，又保證了車輛安全性。為了保證其外觀質(zhì)量的穩(wěn)定性，需要對(duì)模具的設(shè)計(jì)和制作進(jìn)行一些差異性處理，圖1為分體式側(cè)圍結(jié)構(gòu)示意圖。

前立柱、外縱梁和中立柱均為高強(qiáng)度板，料厚分別為1.27mm、1.15mm和1.76mm，后期通過焊接技術(shù)將不同厚度、不同材質(zhì)鋼板拼合起來，使材料配置適用于所要求材質(zhì)和使用部位，這樣每一塊鋼板都可充分發(fā)揮自己的性能。

圖1 分體式側(cè)圍結(jié)構(gòu)示意圖

高強(qiáng)度板特性

高強(qiáng)度板具有抗拉強(qiáng)度高、耐腐蝕、耐磨損、抗疲勞等顯著優(yōu)點(diǎn)。鋼板高強(qiáng)度化易引起塑性下降，成形性變差，而屈服強(qiáng)度的提高則引起面變形和回彈效應(yīng)，增加了形狀的不穩(wěn)定性，典型的成形缺陷有開裂、形狀不良和尺寸精度不良等。

高強(qiáng)度板模具的特點(diǎn)

板料強(qiáng)度的提升直接影響到模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝編制，較高強(qiáng)度的板料會(huì)導(dǎo)致零件成形、沖壓件的尺寸精度、重復(fù)性保證難度增加、零件回彈加大、模具本體磨損加快、使用壽命縮短。為了解決以上問題，必須在工藝設(shè)定和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做出相應(yīng)調(diào)整。

模具工藝控制

高強(qiáng)度鋼板類零件在成形過程中，容易出現(xiàn)的缺陷是開裂和起皺。開裂比起皺好控制，需要在分析階段提前識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)R角進(jìn)行放大等優(yōu)化處理；起皺控制主要需要追加造型或強(qiáng)化拉延筋結(jié)構(gòu)，工藝方面歸根到底就是要提前做好產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在前期工藝階段，高強(qiáng)度鋼板制件應(yīng)該盡量保證走料均勻，一次成形。由于一次成形后，材料的應(yīng)力加強(qiáng)，二次成形或整形容易導(dǎo)致破裂，且更容易回彈或扭曲，難以得到理想的形狀。

模具結(jié)構(gòu)控制

⑴模具強(qiáng)度控制。

高強(qiáng)度鋼板的料厚往往較厚，成形力和壓邊力很大，模具設(shè)計(jì)時(shí)需要布置足夠的氮?dú)飧谆蝽敆U，并預(yù)先驗(yàn)證機(jī)床的成形力是否滿足要求。對(duì)于等級(jí)較高的高強(qiáng)度板或板厚較厚的模具凸模和壓邊圈需要采用Cr12MoV鑲塊拼接，如圖2所示。待模具生產(chǎn)穩(wěn)定后，為了進(jìn)一步提高模具硬度，高強(qiáng)鋼板拉延模具表面還要做硬化處理（如鍍鉻和滲氮處理）。

⑵零件外觀控制。

由于高強(qiáng)度板模具采用鑲塊拼接結(jié)構(gòu)，鑲塊拼接處在生產(chǎn)的過程中，由于受力不均會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，在零件上產(chǎn)生壓印缺陷（圖3），如果是一般的結(jié)構(gòu)件，這種缺陷是可以接受的，若是外觀件則必須盡量避免，因此要求在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮零件成形時(shí)的側(cè)推力，通過一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)試方法來減輕壓印。

圖2 中立柱高強(qiáng)度板模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 中立柱鑲塊拼接處壓印缺陷

通過現(xiàn)場反復(fù)的摸索驗(yàn)證，最終找到了一些方法：①鑲塊靠背的高度要足夠高，保證靠背的高度超過鑲塊高度的2/3。②做好每一塊拼接鑲塊底面和側(cè)面的研合，減輕生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)。③在鑲塊搭接處上型面開鍵槽、鎖上鍵，減小鑲塊生產(chǎn)時(shí)受到?jīng)_擊力而產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)量，底面鎖鍵由于鑲塊一般較深，鍵所起到的反作用力很容易被鑲塊內(nèi)部應(yīng)力克服。圖4為壓印缺陷改善方案圖片。

⑶零件起皺控制。

高強(qiáng)度鋼板由于成形性能較差，無法通過傳統(tǒng)工藝解決開裂和起皺的矛盾問題，只能通過好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)來減少兩方面矛盾的風(fēng)險(xiǎn)，例如在產(chǎn)品易起皺的部位增加吸料筋包。另外，高強(qiáng)度鋼板料厚往往比較厚，材料在厚向應(yīng)變相對(duì)于薄板材料來說影響更大，舉升力有時(shí)甚至大于阻力，因此，無法通過強(qiáng)化拉延筋的方式來消除起皺。

起皺是高強(qiáng)度板零件最主要，也是最難克服的問題點(diǎn)，如果通過追加吸料造型和強(qiáng)化拉延筋均未能完全消除折皺缺陷，對(duì)于起皺缺陷，后期通過不斷的嘗試，發(fā)現(xiàn)最有效的調(diào)試方法就是做負(fù)間隙。如：外縱梁在CAE分析階段就發(fā)現(xiàn)，門檻四個(gè)R角位置均有折皺現(xiàn)象，CAE分析追加臺(tái)階可以減輕折皺缺陷，但無法完全消除，在后期模具調(diào)試過程中通過強(qiáng)化拉延筋仍效果不大，此零件在進(jìn)行外觀扣分判定時(shí)，每一個(gè)R角均由于折皺的緣故扣了B級(jí)缺陷，并且無法返修，無法用于裝車，圖5為外縱梁外觀扣分圖片。

為了解決此缺陷問題，模具結(jié)構(gòu)上最后通過減小凸凹模成形時(shí)的間隙，用強(qiáng)壓的方式來使成形更加充分，讓多余的料有地方可去，從而成功解決外縱梁折皺缺陷，達(dá)到了預(yù)期效果，如圖6所示。

圖4 壓印缺陷改善方案圖片

圖5 外縱梁零件外觀扣分示意圖

圖6 外縱梁零件外觀整改效果圖

具體實(shí)施方式是：對(duì)拉延模凸模四個(gè)R角位置進(jìn)行燒焊，燒焊范圍兩側(cè)從R止點(diǎn)向外延伸15mm，上下齊R止點(diǎn)，然后重新進(jìn)行機(jī)械加工，使R角區(qū)域凸凹模的間隙減小約10%，原來的間隙等于板厚1.15mm，更改完成后的間隙約1.0mm。

⑷零件回彈控制。

由于模具結(jié)構(gòu)和材料性能等方面的原因，工程上準(zhǔn)確模擬高強(qiáng)鋼板的回彈特別是卷曲是非常困難的，對(duì)于高強(qiáng)鋼板回彈的防治必須從好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始，工藝上預(yù)先考慮可能的回彈及其防治手段。例如，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在翻邊面加筋或者臺(tái)階，工藝上采用補(bǔ)償回彈角或者斜楔整形方式等。

高強(qiáng)度板回彈缺陷除了參照CAE分析數(shù)據(jù)抓回彈量，現(xiàn)階段最直接有效的方式就是根據(jù)回彈參考量制作簡單的試制模具，將模具上的鑲塊先用S45C材質(zhì)制作，待零件試制出來，檢測零件的回彈，根據(jù)回彈量來制作最終的鑲塊，鑲塊材質(zhì)選用Cr12MoV，這樣才能更好的將回彈控制在公差范圍內(nèi)。另外模具設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮到回彈的處理措施，包括后期可能的鑲塊追加墊片、更換鑲塊，甚至于減小閉合高度重新加工的情況等。

模具散熱

高強(qiáng)度板在成形的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若這些熱量不能及時(shí)散出，鑲塊熱脹型面間隙發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致零件生產(chǎn)不穩(wěn)定，拉延模走料不一致，容易出現(xiàn)滑移線，甚至?xí)?dǎo)致后序修邊卡廢料，所以高強(qiáng)度板類零件的模具在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮設(shè)計(jì)散熱裝置，鑲塊上要開散熱孔，鑲塊底面要開散熱通道，并接入氣管及時(shí)將熱量帶出，才能保證模具的穩(wěn)定生產(chǎn)，模具的使用壽命才能得到保證。圖7為外縱梁模具散熱不暢生產(chǎn)的零件。

高強(qiáng)度板模具散熱結(jié)構(gòu)，按照散熱形式可以大致分為內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)和外部散熱結(jié)構(gòu)兩種。中立柱凹模鑲塊表面開φ6mm的散熱孔，鑲塊底面開散熱通道，然后接入氣管，通過空氣循環(huán)給模具進(jìn)行風(fēng)冷散熱，這種內(nèi)部散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果明顯。

圖7 外縱梁模具散熱不暢生產(chǎn)的零件

在設(shè)計(jì)之初在鑲塊上沒有開散熱孔，模座上也沒有開散熱通道，在大批量生產(chǎn)過程中，模具發(fā)熱量大，零件質(zhì)量波動(dòng)較大，最后只有考慮在模具外部結(jié)構(gòu)上追加外部散熱裝置。具體實(shí)施方式：在下模座和壓邊圈上布置φ25mm的鋼管，鋼管上每隔15mm鉆一個(gè)φ3mm的孔，這樣的孔鉆一排，方向?qū)?zhǔn)上模鑲塊，同樣在上模也布置氣管，方向?qū)?zhǔn)下面凸模，然后通過塑料氣管將鋼管和機(jī)床的氣源連接起來，在生產(chǎn)的過程中達(dá)到下模氣管吹上模，上模氣管吹下模的效果，這樣就可以很好的給模具降溫，模具生產(chǎn)零件的穩(wěn)定性也可以得到保證。

結(jié)束語

高強(qiáng)度板外觀件模具開發(fā)是一個(gè)全新的課題，現(xiàn)在仍處于一個(gè)探索開發(fā)的階段，工藝問題，模具結(jié)構(gòu)問題和外觀件質(zhì)量問題均存在一定的欠缺，在現(xiàn)場調(diào)試的過程中或許會(huì)碰到更多更復(fù)雜的問題，一定要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況靈活判斷，給出合適的整改指令。隨著高強(qiáng)度板外觀件應(yīng)用越來越多，本文可為今后不斷提高高強(qiáng)度板外觀件質(zhì)量，不斷提高高強(qiáng)板模具水平作為參考。