汽车高强板零件冲压工艺及模具结构设计课件.ppt

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1、一汽模具制造有限公司 张云山 2014.03.23,汽车高强板梁类零件冲压工艺及模具结构设计,一、概述二、汽车用高强钢板梁类零件工艺设计 （一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较 （二）、高强板梁类零件冲压尺寸精度问题的分类 （三）、高强板梁类零件影响冲压尺寸精度问题因素及发生机理 （四）、工艺方案设计三、模具结构设计和调试 （一）模具结构设计 （二）模具调试,汽车自诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。汽车的性能和外观发生了翻天覆地的变化。当今的车身部件大多采用钢板冷冲压成形，对其尺寸偏差、表面质量和刚性的要求极为严格。车身作为汽车的重要组成部分其质量占汽车总质量的30%-40%，占整车成本

2、的20%以上。,一、概述,安全性成为汽车最重要的评价指标，很多国家都拥有自己的车身碰撞安全检测机构。,中国新车评价规程,日本JNCAP,欧洲NCAP碰撞标准,美国高速公路安全协会,澳大利亚ANCAP,国际上广泛采用高强度钢板提高了车体的抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度安全性。,一、概述,减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%；汽车每减少100kg，百公里油耗可降低0.3至0.6升，二氧化碳排放量可减少约5g/km。,汽车的轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转向加

3、速、制动等多方面的性能，同时还可以降低噪声振动污染。,降低汽车重量的方法有很多种。采用高强度钢板车身，在等强度设计条件下可以减少板厚及重量。钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm和0.15mm时，车身分别减重6%、12%和18%。,一、概述,2012年国内汽车产销1900万辆，预测2013年国内汽车产销将达到1960万辆。,07年国内汽车车身高强板应用为14%-17%左右，超高强板应用为0，NCAP碰撞安全系数多为3星。国外车身高强板应用为50%以上，超高强板应用为6%-7% ， NCAP碰撞安全系数为5星。,高强度钢板车身是兼顾安全（Safety）与环保（Saving）的最佳解决方案。因此

4、，高强度/超高强度钢板及其成形性能的深入研究，已成为支撑发展新型节能汽车、车身自主设计的核心问题。目前对其冲压变形机理、回弹控制与预测、模具设计及其热处理等方面，国内都进行分了深入和广泛的研究。,一、概述,迈腾 70%,马自达6睿翼,5901480MPa 49%,本田雅阁,340MPa以上 48%,一、概述,普通钢板,270MPa,800MPa,高强钢板,超高强钢板,低强度IF钢,低碳钢,外覆盖件,BH钢,C-Mn钢,HSLA钢,部分DP钢,TRIP钢,高强度TRIP钢,DP钢,马氏体钢,TWIP钢,车门防撞杆、保险杠和B柱,骨架件,CP钢,趋势,一、概述,一、概述,由上表可以看出，高强钢板的

5、s和b比低碳钢板高得多，而n值和r值却比较低，因此高强钢板的成形性能比低碳钢板差，成形极限比低碳钢板小。高强钢板虽与低碳钢板一样具有破裂和起皱问题，但由于s和b高，n值和r值低，影响贴模性的几何面缺陷和定形性问题更为突出。因此要保证高强钢板的冲压质量，不仅要避免破裂和起皱问题，更重要的是要想办法解决回弹问题保证零件的形状和尺寸精度。,（一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较,二、汽车用高强板零件工艺设计,（二）、3,高强钢板在满足尺寸公差方面，与薄钢板的冲压成形和其他加工方法（机械加工、锻造）有很大不同，这是由于在冲压加工时所产生应力分布的弹塑性变形对制件尺寸影响很大。因此，工艺方案、成形方法、

6、成形条件，对冲压成形时的尺寸精度影响非常大。经常看到的典型的尺寸精度问题有以下几种：1、回弹（角度变化）： 夹着弯曲棱线的二个面的夹角角度和模具型面角度不相同的现象。如图所示：,二、汽车用高强板零件工艺设计,弯曲棱线,角度变化,2、壁翘曲及内凹 ：侧壁（纵壁）部的平面，变成带有曲率面的现象。如图所示：,3、扭转 ：与纵向轴垂直的二个断面发生回转的现象。如图所示：,二、汽车用高强板零件工艺设计,（三）、高强板梁类零件影响冲压尺寸精度问题因素及发生机理 1、高强板U形拉弯和回弹CAE分析 板料厚向异性系数r0 弯曲线平行于轧制方向成形时，弯曲切向抗拉能力弱、收缩能力强，将降低高强板成形性能和成形极

7、限。在冲压深度与板宽比h0/b0=4.5、R/t0=10的条件下， 有限元模拟结果r0越大，宽向变形大、厚向变形小，切向变形不充分使卸载回弹增大。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 压边力对回弹的影响 自由弯曲时，弯曲切向变形不充分，卸载回弹较大。利用压料力拉弯成形时，可增大切向拉变形量，减小或消除板厚弹变形区域，减小卸载回弹。DP600高强板V形件拉弯的有限元模拟结果显示，随压料力增大，卸载回弹明显减小。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 凹模底圆角半径rda对回弹的影响 凹模底角半径rda大，U形件底部变形程度减弱，侧直边的回弹明显增大；减小rda可增强镦死效果，减轻侧壁回弹。 凹模圆角半径r

8、d对回弹的影响 减小rd可增强侧壁刚度并减小回弹，但在较大压料力情况下拉弯，有时可能导致法兰负回弹。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 凸、凹模间隙 凸、凹模间隙大，板面拉变形不充分，导致卸载回弹增大，特别是侧壁回弹随增大而明显增大。 凹模口跨度w 较大凹模口跨度w 使凸模底非变形区面积增大，可能略微增大卸载回弹，但对于有底凹模或带顶出器弯曲时，w 的大小对卸载回弹影响不明显。,凹凸模间隙对回弹的影响,凹模跨度对回弹的影响,二、汽车用高强板零件工艺设计, 拉弯深度h 与拉深变形不同，由于没有周向压缩，拉弯深度h 越大，侧直边中弹性变形积累越多，卸载后产生的回弹也相对增大了。 过大h 拉弯，不仅侧

9、直边刚度不足导致其本身弹性回复，而且降低了法兰直边与凸模底部的平行度。这种情况下，可考虑适当加大压料力以增强侧直边成形刚度。,二、汽车用高强板零件工艺设计,2、回弹（角度变化）产生的机理： 简单压弯梁类零件产生回弹的机理：压弯类零件基本都是几何形状比较简单的零件，他们在实际生产中所产生的缺陷基本都是角度变化缺陷，角度变化产生的原理，图示出的是在简单U字形弯曲成形时，在R部的角度变化例子。从图中可以看见，在弯曲成形中，在弯曲圆角外部，材料由于伸长而产生拉伸的应力，而在弯曲圆角内部，材料由于压缩，又产生了压缩的应力。但是在零件脱模后，由于存在弹性变形和板厚内外应力释放，即发生了力矩，从而产生角度变

10、化。,二、汽车用高强板零件工艺设计,1）、模具形状和产品形状对回弹的影响： 如图所示：这是一个简单U 型件压弯示意图Rp:凸模圆角半径。Rd：凹模圆角半径。C：凸模与凹模间隙。、凸模圆角半径的影响 凸模圆角半径越小角度变化越小，当凸模圆角半径为零时，其角度变化为零。凸模圆角半径越大其角度变化就越大。变形机理是弯曲半径小时，其圆角处的塑性变形量大，所以促进了加工硬化。反之弯曲半径大时，由于塑性变形量小，而使加工硬化变少。、凹模圆角半的影响,在U形件弯曲过程中，当凹模圆角半径变大时，弯曲支点间距离大，在初期成形过程中形成的弯曲范围扩大，这个被弯曲的范围，随着成形的进展，被弯曲回复,二、汽车用高强板

11、零件工艺设计,，而出现弹出因素，因此，凹模圆角半径Rd越大，则角度变化越大。 、凸模与凹模之间的间隙的影响 在U型件弯曲过程中，凸模和凹具的间隙增加时，在成形的最终过程，由于材料和冲模形状不服帖，所以角度变化变大。模具的磨损，使凸模和凹模的间隙发生实质性的增加，因此必然产生角度变大。所以定期修整凸模和凹模间隙。是保证冲压件质量稳定必要手段。、产品零件形状的影响 U型件形弯曲过程中，弯曲角度越大，角度变化增大。这是由于通过减小材料向凸模圆角处的卷绕角度，从而造成回弹发生区域增大，以及加大弯曲支点间距离，在凸模圆角近旁发生材料震动缘故。成形高度H越高，由材料振动引起的弹出也就越大。如图所示,二、汽

12、车用高强板零件工艺设计,、材料对角度变化的影响a)、材料强度的影响 U形件在弯曲加工过程中抗拉强度b和屈服强度s的影响。经过对实际生产调试跟踪调查显示，随着抗拉强度和屈服强度的增加，角度的变化（回弹）就越大，这是由于随着抗拉强度和屈服强度的增加，板厚表里应力的弯曲力矩也呈线性增加的缘故。b)、材料厚度的影响 板料厚度越厚，角度变化越小小。这是由于增加了板厚，从而提高了零件件的刚性。,二、汽车用高强板零件工艺设计,2)、回弹（角度变化）控制措施、回弹补偿、在产品许可的条件下，尽可能的减小凸模圆角半径Rp、减小压弯凹模圆角半径Rd、合理的凸凹模间隙、增大压料板压力、产品侧壁增加加强筋,3-6,二、

13、汽车用高强板零件工艺设计,、二次弯曲,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部向纵壁移动,1次的弯曲,一次压弯,二次压弯,一次压弯,二次压弯,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,1次的弯曲,第1次弯曲R部向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,1次的弯曲,压弯凹模,第1次弯曲R部向纵壁移动,压料板,压弯凸模,零件脱模后,二、汽车用高强板零件工艺设计,产品名称：加强梁材料料厚1.2,二、汽车用高强板零件工艺设计,3、

14、壁翘曲及内凹产生的机理 由图所示,圆角内侧板料受压应力而产生压缩变形。圆角外侧板料受拉应力作用产生拉伸变形，当零件脱模后，由于存在残余弹性变形和板厚应力差，使侧壁向外发生角度变化。由图a所示.与图b同理，当零件脱模后零件侧壁向里产生角度变化。零件侧壁上圆角处侧壁向外发生角度变化，零件侧壁下圆角处侧壁向里发生角度变化，发兰向下发生角度变化。在上下两个力矩的作用下使侧壁产生翘曲和内凹。即板厚方向应力差产生翘曲和内凹。,a,b,a,二、汽车用高强板零件工艺设计,凹模,凸模,压料圈,脱模后制件状态,二、汽车用高强板零件工艺设计,1）、凸凹模形状和产品零件形状对壁翘曲的影响 、凹模圆角半径的影响通过减小

15、凹模圆角半径，使壁翘曲从外翘向内翘进行变化，最终形成可使壁翘曲大体为0的凹模圆角半径。内翘现象，是在凹模圆角半径变小时，在凹模圆角处发生材料弯曲变形产生的圆角处内凹形状，这个形状在纵壁的间隙内因为受到反向弯曲而产生的内翘现象。另外，材料强度越高，外翘倾向越强。为了能使壁翘曲达到0的模凹模半径的最佳值变小，必须根据材料强度和板厚，选择适当的模凹模圆角半径和凸凹模间隙。此外，在难以发生弯曲变形产生的加工硬化rd/t 4以上的区域，随着rd/t的减小，壁翘曲在逐渐减少。这是由于当rd变小时，在弯曲、弯曲回复成形过程中产生的塑性变形（加工硬化）变大，板厚表里的应力差变小的缘故。 、凸模与凹具间隙的影响

16、 凸模与凹具间隙c对壁翘曲的影响。凹模口圆角半径rd，作为发生反向弯曲被确认的rd/t=1.9为最佳理想值。间隙很小，c/t在1以下时，由于发生变薄拉深，减少了引起壁翘曲的板厚表里应力差，随着c/t的减少,二、汽车用高强板零件工艺设计,二、汽车用高强板零件工艺设计,，壁翘曲也随之减小。另一方面，即使大于c/t，由于在凸模和凹模的间隙内发生反向弯曲，而使壁翘曲减小。c/t为1（大约）时，壁翘曲达到最小，当c/t大于该值时，由于过大的间隙，使得反向弯曲变得缓慢，再次加大了（向）外翘（曲）的倾向。 、纵壁倾斜角度的影响 梁类零件在拉延成形过程中，倾斜壁和垂直壁不同，倾斜壁一方比垂直壁产生的侧壁翘曲小

17、。这是由于在成形过程中中，当倾斜角度变大时，除了壁翘曲的发生区域变小之外，还在纵壁部发生了抵消外翘的材料振动的缘故。另外一种方法是在第1工序，进行在纵壁加上倾斜角度的成形，用以抑制壁翘曲；在第2工序，利用二次弯曲，来抑制角度变化。但是纵壁如果没有倾斜角度，是垂直壁，则在拉延成型过程中侧壁内凹现象比较严重。 、零件纵向弯曲的影响 纵向弯曲的梁类零件弯曲形状的曲率半径R对壁翘曲的影响。R越小，壁翘曲量也越小。这是由于曲率半径变小时，形状的约束力变大的缘故。 、材料对壁翘曲的影响,二、汽车用高强板零件工艺设计,a) 材料强度的影响 屈服强度（s），及抗拉强度（b）对壁翘曲的影响。结果当凹模口圆角半径

18、Rd=5mm，纵壁翘曲和b的相关性比s还要强，因此，随着b的增加，纵壁翘曲呈直线性的增加。这是由于和角度变化时的情况一样，凹模口圆角半径为5mm时，由于弯曲、弯曲回复而引入的塑性变形量较大，加工硬化得到发展，因此和s具有较强的相关性。 2）、回弹（角度变化）、壁翘曲及扭曲的预防措施 、压边力的控制 压边力对壁翘曲和扭曲的影响：在压边力强的区域，材料经过凹模口圆角半径弯曲变形程度增强。在纵壁部发生反向弯曲单向拉应力增大，从而使得反向弯曲变形加强，这样一反一正的弯曲变形在大的拉应力作用下使侧壁的残余弹性变形大大减小，同时使得纵向曲面内存在变形应力差大幅减小，所以能使壁翘曲、回弹和扭曲变小。另一方面

19、，这是由于在纵壁部上单向拉应力增大，使得板料经过凹模口弯曲变形部分的材料在到达纵壁时经过单向,二、汽车用高强板零件工艺设计,拉应力的作用，使得反向弯曲变形塑性变形程度大大提高，残余弹性变形得到消除。从而减小了引起壁翘曲的板厚表里应力差的缘故。由此可见，为了减少壁翘曲、扭曲和回弹，提高压变力是有效的措施之一。但是，如果压边力过大，则有发生裂纹的危险。因此，作为角度变化的解决方案，如果应用可变压边力技术（初期成形：低压成形终期：高压），则能够抑制裂纹和减少壁翘曲一举两得的效果。 、阶梯式拉深 采取阶梯拉深也是减小壁翘曲一个有效方案，他的原理与控制压边力机理相同，通过模具结构可以实现的有效技术方案。

20、阶梯式拉深，是在金属模台肩部分设定阶梯形状，在成形终期，通过把这个阶梯形状进行成形，对纵壁附加张力，来减小壁翘曲的一种拉深方法。在阶梯式成形时，就能对纵壁附加上较大的张力，所以，能够减小壁翘曲（加大曲率半径）。但是材料利用率大大降低了。,二、汽车用高强板零件工艺设计,阶梯式拉深成形的断面,压边圈,凹模,凸模,、滑块锁定拉深成形法 这是通过在拉延模具上设置滑动凸轮机构，在冲压成形前半程，采用拉延成形，在后半程采用压料筋锁死要素，防止尺寸精度不良（缺陷）的一种方法,二、汽车用高强板零件工艺设计,、侧壁增设加强筋消除壁翘曲,二、汽车用高强板零件工艺设计,、距离拉延到底10mm-12mm增设锁死压料筋

21、消除壁翘曲及回弹,二、汽车用高强板零件工艺设计,、拉延凹模口圆角的控制、后序整形和翻边模间隙的控制,二、汽车用高强板零件工艺设计,、调试研配着色率的控制： 高强钢板模具压料面研配着色率必须达到百分之九十以上，且着色保证均匀。、工艺方案的控制 对于高强钢板零件，在分析工艺方案时，对制件成形工序分析首先要考虑尽可能的在一次成形工序中把制件几何形状全部成出来，避免二次成形。如果必须有二次成形，对二次成形区域和工艺方法及模具结构采取有效的控制。、回弹补偿控制 对于高强钢板零件，在拉延工序中做回弹补偿。,4、扭转 产生的机理 由于存在板厚应力差和面内应力差而造成扭转,二、汽车用高强板零件工艺设计,1）、

22、凸凹模形状和产品零件形状对扭转的影响、成形高度的影响 浅拉深结构件的扭转，在成形高度低的范围，内部应力随着成形高度的增加而增加，所以扭转变大。另一方面，当成形高度变高时，由于刚性也随之变高，所以扭转立即变小。扭转达到最大时的成形高度，越是屈服强度高的材料，扭转也越大。在成形高度高的领域，扭转依其材料的不同，其差异也更加明显。、结构件弯曲曲率的影响 、材料对扭转的影响 a)材料强度的影响 b)材料厚度的影响2）扭转的控制措施,二、汽车用高强板零件工艺设计,左/右后边梁冲压工艺方案,OP10:拉延,OP30:冲孔、斜楔翻边成形,OP10:修边冲孔,OP40:修边冲孔、斜楔修边冲孔,二、汽车用高强板

23、零件工艺设计,二、汽车用高强板零件工艺设计,1、左/右后边梁材料：590YD,（四）、工艺方案设计,由于该零件属于S形梁，拉延成形后必然产生回弹、壁翘曲和内凹。侧壁做3 - 5不等的回弹补偿。,二、汽车用高强板零件工艺设计,高强钢板冷冲压模具工程验证,拉延侧壁局部负间隙和拉延筋结构,二、汽车用高强板零件工艺设计,高强钢板冷冲压模具工程验证,二、汽车用高强板零件工艺设计,2、左/右侧B立柱加强板工艺方案设计材料：拼焊板 590R/780Y/590RD,二、汽车用高强板零件工艺设计,左/右侧B立柱加强板冲压工艺方案,二、汽车用高强板零件工艺设计,3、左/右侧铰链支架材料：590YD,图37 产品模

24、型,二、汽车用高强板零件工艺设计,左/右铰链支架冲压工艺方案,OP40:修边冲孔,OP10:拉延,OP20:修边冲孔,OP30:翻边整形,图33 工艺流程图,二、汽车用高强板零件工艺设计,二、汽车用高强板零件工艺设计,4、仪表板右侧内板材料：DP450,仪表板左/右侧内板冲压工艺方案,二、汽车用高强板零件工艺设计,OP20:拉延,OP30:修边冲孔,OP40:修边冲孔、CAM冲孔,OP40:整形,二、汽车用高强板零件工艺设计,5、左右侧围内板上部材料：DP600,二、汽车用高强板零件工艺设计,OP20:拉延,OP30:斜楔修边冲孔,OP40:修边冲孔、CAM修边冲孔,OP40:整形,左右侧围内

25、板上部冲压工艺方案,补偿前的回弹结果,补偿后的回弹结果,二、汽车用高强板零件工艺设计,二、汽车用高强板零件工艺设计,6、左右B柱加强板材料：DP600,左/右铰链支架冲压工艺方案,二、汽车用高强板零件工艺设计,7、横梁材料：SAPH590Y-RS 高强度酸洗钢板,二、汽车用高强板零件工艺设计,横梁冲压工艺方案,二、汽车用高强板零件工艺设计,（一）模具结构设计,由于高强度钢板的屈服强度和抗拉强度很高，导致在调试试模时拉延模具磨损严重。所以高强度钢板模具的制造过程需要试制模，以便确定零件的回弹程度，并逐渐修正。在回弹稳定和确定之后，再下批量生产的模具材料（主要是镶块）。并对其进行调试。因此，在模具

26、结构上，模具采用镶块式结构，特别是要求控制回弹的镶块，必须采用堆焊性能好的模具材料。 对 后序翻边整形模具，一定要注意力的平衡，一旦受力不均衡，就会导致局部受力过大，从而造成局部间隙过大，打不到整形要求。,三、模具结构设计和调试,（二）模具调试,注意模具镶块的装配质量，即使是试制模具，这将有利于正式模具的调试。注意检查镶块的贴合率，这是控制回弹和回弹补偿估计的关键。注意拉延圆角和拉延筋的研配，不要轻易进行更改，并注意对称。这将有利于回弹的二次调整。零件测量的基准选择要一致，以便回弹的可对比性。 压料面着色率要要达到90%以上。凹角该控开的要控开，避免干涉，保证进料均衡,三、模具结构设计和调试,