高强板门槛部品的冲压成型研究

钟毅

【摘 要】轿车轻量化研究已经成为现代汽车工业的热门课题，高强板在金属车身上的广泛使用，能够有效减轻车身重量，降低油耗。文章介绍了一款轿车高强板门槛部品的冲压成型研究成果，首先通过对高强板材料的试验测试，获取性能参数，利用3D造型和CAE分析，得到成型回弹曲线，最终根据回弹补偿面和多段整形结构，实现部品成型工艺，克服冲压调试过程中，高强板成型性能不好，贴模性差，以及回弹严重等难题，有效缩短了模具开发周期，降低了开发成本。

【关键词】高强板；CAE；回弹补偿；多段整形结构

随着轿车的大众化发展，使地球环境、能燃问题变得日益突出，要求轿车厂家节省能源降低油耗的呼声越来越大，而作为轿车节省能源降低油耗的一种有效办法就是在满足基本要求的情况下降低轿车自重。目前世界各大轿车主机厂，都在想尽一切办法展开轻量化研究，轿车的平均自重已从上世纪的2.2吨降低到1.6吨，其主要手段为：车身部件塑胶化，大量使用高强减薄板，激光拼焊板，发动机用铝合金材料等等。在一系列的措施中，有一个重要手段就是大量使用高强度板，因为用高强度钢材所制造的车身可以得到更薄和更轻的结构，使车身重量减轻达25%以上。高强钢板材料还有另一大好处，也就是让汽车在碰撞测试中得到更高的分数。另外，通过国外专业厂家的研究结果发现：仅仅减轻车身重量就能节省约5%的燃油，而且在降低车身重量的同时，还可有效减轻刹车系统的负荷，提高发动机效能。

通常车身使用高强度板的部位为A柱、井字形结构的地板支架、B柱及车身前部的侧车架，分别使用了拉伸强度为980MPa、780MPa、590MPa及440MPa的高强度板。据统计，国内轿车主机厂高强度板在整车钢板材料的比率已达15%，部分主机厂的部分车型甚至达到40%之多，而且有进一步加大的趋势。

综上所述，高强钢板是轿车最好的节能降耗材料，但是高强钢板的缺点是成型性能不好，贴模性差，以及回弹严重。要使高强板材料部件的形状与车体其他部件的形状相匹配，是相当困难的，因此高强板材料部件的制作工艺较复杂、模具制作和调试费用也非常高。目前，高强钢板材料成型工艺研究一直是国内外行业的研究方向，国内模具厂家更是不遗余力的开展相关研究，以期在此激烈的竞争中，占据制高点。

1.产品分析

1.1产品介绍

门槛部件，是构成车体车身的主要受力和防撞部件，是保证车厢安全不可或缺的重要部件之一。部件与车身安装方式为：点焊装配，要求焊接配合平面精度为±0.5，平面度≤0.5，安装孔孔径精度为±0.15，孔位置度公差为±0.5。材料：SP783-980，厚度：1.6mm。部品属于高强板产品。

图1 某车型980Mpa的门槛部件

1.2工艺选择

欧美国家和日本对此类高强板部件的成型工艺研究较为成熟，已将一系列的研究成果转化到实际生产中去，目前较为新型的成型工艺的有两种：一是辊压成形，主要针对条形制件；另一种是热成型法，主要应用于形状较复杂的制件。在国内，大多还是采用较传统的冷冲压成型工艺。

各成型工艺的特点：

（1）辊压成形对应部件的形状要求较高，通常是杆状，条状形状规则，如果形状稍复杂 此工艺无法实现。

（2）热成型法对专用设备依赖性较高，制造成本高，在没有大批量作为前提下不利于组织生产。

（3）传统冷冲压模具结构相对简单，但尺寸稳定性受材料的品质影响较大，调试周期较长，调试成本较高。

因为目前国内的热成型冲压技术还不成熟，该部品属于形状较复杂的制件，所以我司最终采用冷冲压成型，冲压工艺为： 落料冲孔→成型 →整形→冲孔侧冲孔。

1.3材料分析

通过金相显微分析法，利用金相显微镜研究高强板材料的铁碳成分。

利用万能拉力试验机，对高强板材料进行拉力测试，研究屈服应力曲线。

1.4回弹分析

根据成型工艺，首先制作理论的成型工艺面，参照试验分析的材料性能参数，利用CAE软件，对部品的冷冲压成型工艺进行计算机模拟，通过模拟结果与理论数模型面对比，在特定截面上测量偏差值，得到成型回弹曲线。然后根据回弹量，制作回弹补偿工艺数模，再次进行CAE模拟，对比偏差。最终经过多次循环，直到偏差值在允许范围内（≤0.5），即得到最终的回弹补偿面，后续可展开模具加工工作。

部品截面坐标

图2 成型回弹曲线

2.模具设计

2.1成型工序

成型工序——使用最终的回弹补偿面加工成型镶件，镶件采用分块设计，部品成型面需要TD处理。

工作原理：

（1）顶出器镶件不动，由气顶力支撑，凸模镶件开始下压，完成部品的底面成型。

（2）上模克服机床气顶力，顶出器随之向下运动，材料进入凹模腔，完成侧面成型。

2.2整形工序

整形工序——采用侧整结构设计，校正成型后的型面偏差，部品整形面需要TD处理。

工作原理：

（1）压件器下降，利用氮气弹簧产生压力，完全压紧部件。

（2）上模板继续下降，左右斜楔接触下模导轨，发生运动方向转化，完成侧面整形。

（3）左右斜楔调整块，采用分段式设计，可根据各段不同的回弹变形量调整型面。

3.结论

高强板冲压成型研究，一直是我司近年来的重点科研项目，通过此类门槛部品的冲压成型研究，我司展开了与国内外知名钢厂的合作，不断积累高强板的化学成分及机械性能参数，后期利用CAE模拟分析和工艺调试验证，逐步建立企业内部的专家数据库。同时生产中我们还借助光电子感应设备，实现对冲压成形过程的自动监控及失稳机理分析，以保证产品的品质精度。

据统计，我司高强板门槛部品的全工装开发周期为6个月，比以往同类产品的开发周期缩短30%，产品关键尺寸精度最高达到±0.4mm；产品制程能力指数CPK≥1.33，完全满足客户品质要求。整体开发费用为行业常规的65%。

此冲压成型研究成果可以广泛应用于高强板模具开发中去，将给我国的模具行业创造巨大的市场价值和社会价值，并对我国高强板材料成型工艺的研究和模具技术的整体提升，起到积极的促进作用。

【参考文献】

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[2]李硕本等编著.冲压工艺理论与新技术[M].北京：机械工业出版社，2002，11.

[3]王孝培主编.冲压手册（修订本）[M].北京：机械工业出版社，1990.

[4]Yazheng Liu，Jinghong Sun，et al.Experiment investigation of deep-drawing sheet texture evolution. Journal of Materials processing Technology，140（2003）.