高强板材质侧围模具开发

文/杨群辉、谢勇刚、皮劲、朱威·神龙汽车有限公司

高强板材质侧围模具开发

文/杨群辉、谢勇刚、皮劲、朱威·神龙汽车有限公司

杨群辉，冲压工程师，主要从事冲压新项目车型的投放工作，主要完成了神龙M33和M43 车型高强度板侧围模具开发，高强度模具散热，分体式侧面CMT焊接的相关技术工作，获得了一项国家专利技术，一项神龙公司核心专有技术。

随着汽车工业的高速发展，汽车普及程度越来越高，相关的各项标准也越来越严格，这给汽车行业提出了更高的技术要求。高强度板外观件就是其中一项，它能够使车身减重达到10%左右，节省约10%的燃油，而且其他排放也会相应降低。因此，提高高强度板在汽车上的利用率，对于实现汽车质量轻量化、节约能源、保护环境、安全性能等方面具有重要意义。

高强度板外观件应用

高强板又称低合金高强板，主要特点是强度大，屈服点高。国际上把屈服强度在210～550MPa范围内的钢板称为高强度板；屈服强度大于550MPa的钢板称为超高强度钢板。

目前，国内汽车主机厂使用的高强度钢板主要应用在汽车底盘、防撞梁和车体框架上，但是高强度板直接用于车身外观件属于全新的课题。全新爱丽舍和标致301车型的侧围就运用到了高强度板，这两款车型的侧围均由五部分组成，其中，前立柱、中立柱和外纵梁均是高强度外观件，通过焊接复合为整体，既保证了车辆美观，又保证了车辆安全性。为了保证其外观质量的稳定性，需要对模具的设计和制作进行一些差异性处理，图1为分体式侧围结构示意图。

前立柱、外纵梁和中立柱均为高强度板，料厚分别为1.27mm、1.15mm和1.76mm，后期通过焊接技术将不同厚度、不同材质钢板拼合起来，使材料配置适用于所要求材质和使用部位，这样每一块钢板都可充分发挥自己的性能。

图1 分体式侧围结构示意图

高强度板特性

高强度板具有抗拉强度高、耐腐蚀、耐磨损、抗疲劳等显著优点。钢板高强度化易引起塑性下降，成形性变差，而屈服强度的提高则引起面变形和回弹效应，增加了形状的不稳定性，典型的成形缺陷有开裂、形状不良和尺寸精度不良等。

高强度板模具的特点

板料强度的提升直接影响到模具设计和冲压工艺编制，较高强度的板料会导致零件成形、冲压件的尺寸精度、重复性保证难度增加、零件回弹加大、模具本体磨损加快、使用寿命缩短。为了解决以上问题，必须在工艺设定和模具结构设计上做出相应调整。

模具工艺控制

高强度钢板类零件在成形过程中，容易出现的缺陷是开裂和起皱。开裂比起皱好控制，需要在分析阶段提前识别风险，对R角进行放大等优化处理；起皱控制主要需要追加造型或强化拉延筋结构，工艺方面归根到底就是要提前做好产品结构设计。

在前期工艺阶段，高强度钢板制件应该尽量保证走料均匀，一次成形。由于一次成形后，材料的应力加强，二次成形或整形容易导致破裂，且更容易回弹或扭曲，难以得到理想的形状。

模具结构控制

⑴模具强度控制。

高强度钢板的料厚往往较厚，成形力和压边力很大，模具设计时需要布置足够的氮气缸或顶杆，并预先验证机床的成形力是否满足要求。对于等级较高的高强度板或板厚较厚的模具凸模和压边圈需要采用Cr12MoV镶块拼接，如图2所示。待模具生产稳定后，为了进一步提高模具硬度，高强钢板拉延模具表面还要做硬化处理（如镀铬和渗氮处理）。

⑵零件外观控制。

由于高强度板模具采用镶块拼接结构，镶块拼接处在生产的过程中，由于受力不均会产生错动，在零件上产生压印缺陷（图3），如果是一般的结构件，这种缺陷是可以接受的，若是外观件则必须尽量避免，因此要求在模具设计时考虑零件成形时的侧推力，通过一些结构设计和调试方法来减轻压印。

图2 中立柱高强度板模具结构示意图

图3 中立柱镶块拼接处压印缺陷

通过现场反复的摸索验证，最终找到了一些方法：①镶块靠背的高度要足够高，保证靠背的高度超过镶块高度的2/3。②做好每一块拼接镶块底面和侧面的研合，减轻生产时产生的错动。③在镶块搭接处上型面开键槽、锁上键，减小镶块生产时受到冲击力而产生的错动量，底面锁键由于镶块一般较深，键所起到的反作用力很容易被镶块内部应力克服。图4为压印缺陷改善方案图片。

⑶零件起皱控制。

高强度钢板由于成形性能较差，无法通过传统工艺解决开裂和起皱的矛盾问题，只能通过好的产品设计来减少两方面矛盾的风险，例如在产品易起皱的部位增加吸料筋包。另外，高强度钢板料厚往往比较厚，材料在厚向应变相对于薄板材料来说影响更大，举升力有时甚至大于阻力，因此，无法通过强化拉延筋的方式来消除起皱。

起皱是高强度板零件最主要，也是最难克服的问题点，如果通过追加吸料造型和强化拉延筋均未能完全消除折皱缺陷，对于起皱缺陷，后期通过不断的尝试，发现最有效的调试方法就是做负间隙。如：外纵梁在CAE分析阶段就发现，门槛四个R角位置均有折皱现象，CAE分析追加台阶可以减轻折皱缺陷，但无法完全消除，在后期模具调试过程中通过强化拉延筋仍效果不大，此零件在进行外观扣分判定时，每一个R角均由于折皱的缘故扣了B级缺陷，并且无法返修，无法用于装车，图5为外纵梁外观扣分图片。

为了解决此缺陷问题，模具结构上最后通过减小凸凹模成形时的间隙，用强压的方式来使成形更加充分，让多余的料有地方可去，从而成功解决外纵梁折皱缺陷，达到了预期效果，如图6所示。

图4 压印缺陷改善方案图片

图5 外纵梁零件外观扣分示意图

图6 外纵梁零件外观整改效果图

具体实施方式是：对拉延模凸模四个R角位置进行烧焊，烧焊范围两侧从R止点向外延伸15mm，上下齐R止点，然后重新进行机械加工，使R角区域凸凹模的间隙减小约10%，原来的间隙等于板厚1.15mm，更改完成后的间隙约1.0mm。

⑷零件回弹控制。

由于模具结构和材料性能等方面的原因，工程上准确模拟高强钢板的回弹特别是卷曲是非常困难的，对于高强钢板回弹的防治必须从好的产品设计开始，工艺上预先考虑可能的回弹及其防治手段。例如，产品设计时，在翻边面加筋或者台阶，工艺上采用补偿回弹角或者斜楔整形方式等。

高强度板回弹缺陷除了参照CAE分析数据抓回弹量，现阶段最直接有效的方式就是根据回弹参考量制作简单的试制模具，将模具上的镶块先用S45C材质制作，待零件试制出来，检测零件的回弹，根据回弹量来制作最终的镶块，镶块材质选用Cr12MoV，这样才能更好的将回弹控制在公差范围内。另外模具设计时必须充分考虑到回弹的处理措施，包括后期可能的镶块追加垫片、更换镶块，甚至于减小闭合高度重新加工的情况等。

模具散热

高强度板在成形的过程中会产生大量的热量，若这些热量不能及时散出，镶块热胀型面间隙发生变化，会导致零件生产不稳定，拉延模走料不一致，容易出现滑移线，甚至会导致后序修边卡废料，所以高强度板类零件的模具在设计时必须考虑设计散热装置，镶块上要开散热孔，镶块底面要开散热通道，并接入气管及时将热量带出，才能保证模具的稳定生产，模具的使用寿命才能得到保证。图7为外纵梁模具散热不畅生产的零件。

高强度板模具散热结构，按照散热形式可以大致分为内部散热结构和外部散热结构两种。中立柱凹模镶块表面开φ6mm的散热孔，镶块底面开散热通道，然后接入气管，通过空气循环给模具进行风冷散热，这种内部散热结构的散热效果明显。

图7 外纵梁模具散热不畅生产的零件

在设计之初在镶块上没有开散热孔，模座上也没有开散热通道，在大批量生产过程中，模具发热量大，零件质量波动较大，最后只有考虑在模具外部结构上追加外部散热装置。具体实施方式：在下模座和压边圈上布置φ25mm的钢管，钢管上每隔15mm钻一个φ3mm的孔，这样的孔钻一排，方向对准上模镶块，同样在上模也布置气管，方向对准下面凸模，然后通过塑料气管将钢管和机床的气源连接起来，在生产的过程中达到下模气管吹上模，上模气管吹下模的效果，这样就可以很好的给模具降温，模具生产零件的稳定性也可以得到保证。

结束语

高强度板外观件模具开发是一个全新的课题，现在仍处于一个探索开发的阶段，工艺问题，模具结构问题和外观件质量问题均存在一定的欠缺，在现场调试的过程中或许会碰到更多更复杂的问题，一定要根据现场实际情况灵活判断，给出合适的整改指令。随着高强度板外观件应用越来越多，本文可为今后不断提高高强度板外观件质量，不断提高高强板模具水平作为参考。