文/劉裕中，柴武倩·廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院

隨著對汽車車身安全及使用工況的要求不斷提高，高強度鋼在車身的應(yīng)用比例也越來越高，且隨著沖壓仿真分析方法的不斷提高，使深沖壓零件采用高強鋼替代普通強度等級鋼材成為可能，從而大幅提升了零件的強度等級。本文以某汽車車型圓筒形零件為研究對象，基于AutoForm R7金屬板料成形性分析軟件，對S420MC高強度鋼的拉深性能進(jìn)行研究。

產(chǎn)品信息

圖1為某車型安裝支座產(chǎn)品圖，零件尺寸為126mm×126mm×81mm，材質(zhì)為冷成形熱軋結(jié)構(gòu)鋼S420MC，料厚為3mm，具體材料參數(shù)見表1。

表1 S420MC材料參數(shù)

傳統(tǒng)工藝方案制定

傳統(tǒng)沖壓方案

根據(jù)高強鋼板的成形特點，如果此零件采用一次沖壓到位的工藝方案，則會出現(xiàn)零件開裂的現(xiàn)象，因此為防止拉延開裂，制定了五工序沖壓成形的工藝方案，如圖2所示。

傳統(tǒng)沖壓方案分析結(jié)果

如圖3所示，通過對傳統(tǒng)沖壓工藝方案進(jìn)行分析，在沖壓至工序4時，頂部圓角開始出現(xiàn)開裂風(fēng)險，到工序5時，頂部圓角部位已經(jīng)完全裂開，這主要是由兩方面原因?qū)е碌?。首先，高強鋼材料的延伸率更低，成形性差，相比普通低碳鋼材料更容易開裂。其次，由于采用傳統(tǒng)方案，每工序成形之后，上圓角部位的材料減薄就會更嚴(yán)重一些，工藝上難以避免。如果要保證不開裂只能增加工序數(shù)，這樣勢必增加成本。

圖1 某車型安裝支座產(chǎn)品圖

圖2 傳統(tǒng)沖壓方案

圖3 傳統(tǒng)沖壓方案分析結(jié)果

通過以上分析結(jié)果可以知道，傳統(tǒng)工藝方案主要是存在圓角開裂的問題，因此不適合進(jìn)行高強鋼的深沖壓，需要新的沖壓方案才能滿足高強鋼的深沖壓。

新工藝方案制定

為解決在現(xiàn)有沖壓工藝方案下，進(jìn)行高強度鋼板的深拉深過程中圓角開裂的問題，同時不增加模具工序數(shù)，就需要增加圓角部位的儲料以實現(xiàn)材料在成形過程中流料量更大，成形更均勻充分。通過深入解析傳統(tǒng)工藝，可以發(fā)現(xiàn)圓角部位開裂主要是由于成形過程中，頂部材料無法流入圓角區(qū)域，因此優(yōu)化方案需要增加頂部材料向圓角的流入，這樣就可以解決沖壓開裂問題。

沖壓方案優(yōu)化

圖4為第1序至第5序的凸模截面圖，可以看到與以往傳統(tǒng)工藝方案最大的不一樣在于從第一序開始是一個圓弧形凸包結(jié)構(gòu)，然后再逐漸過渡到第五序成形至最終形狀，主要體現(xiàn)在拔模角和深度的變化。

圖4 新沖壓方案凸模截面圖

工藝補充設(shè)計

這種新的成形技術(shù)與傳統(tǒng)方案的區(qū)別在于并不是采用筒形的拉深成形方法，而是從工序1的半圓形凸包狀開始成形，后工序逐漸減小拔模角增加深沖壓高度，并最終成形為產(chǎn)品形狀的過程。圖5為優(yōu)化后的沖壓工藝方案，各工序之間為相互緊密聯(lián)系關(guān)系，即前工序與后工序之間存在關(guān)聯(lián)度。首先工序1采用大的拔模角度，上部為球形，這樣有利于材料的進(jìn)料量最大化。接著工序2拔模角減小10°，成形深度增加8.7mm，圓角半徑進(jìn)一步減小，工序3拔模減小10°，成形深度再增加5.6mm，工序4拔模角減小5°，成形深度基本保持不變，工序5為最終產(chǎn)品形狀，拔模角減小了3.3°，高度減小4.2mm。

CAE可行性分析

分析參數(shù)設(shè)置

采用Autoform R7軟件進(jìn)行CAE分析，如圖6所示，板料采用直徑210mm，料厚3.0mm的圓形板料，工序1采用拉延工藝，壓邊力設(shè)置為100kN，工序2到工序5采用成形工藝，摩擦系數(shù)為0.15，分析精度為FV。

分析結(jié)果

如圖7所示，通過對每一工序進(jìn)行詳細(xì)的CAE分析，可以看到材料的減薄情況，圓角部位最大減薄17%，未超過材料的最大減薄要求，成形性可行。

如圖8所示，從零件成形極限可以看到在產(chǎn)品底部存在開裂，通過FLD圖可以知道，此處開裂位置為壓縮-拉深狀態(tài)，查看此處成形后，料厚為3.6mm，料厚增加21%，因此判斷此處不會存在開裂。

通過CAE分析對比傳統(tǒng)工藝分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，新工藝通過頂部儲料，增加材料進(jìn)料等優(yōu)化手段，使頂部圓角材料流動更充分，解決了圓角開裂的問題。

現(xiàn)場驗證

經(jīng)過5工序的沖壓，實際試模結(jié)果如圖9所示，整體質(zhì)量較好，頂部圓角未發(fā)現(xiàn)開裂，法蘭邊也未出現(xiàn)起皺情況。

圖5 優(yōu)化后的沖壓工藝方案

圖6 料片形狀與大小

圖7 優(yōu)化后方案分析結(jié)果

圖8 底部開裂結(jié)果評判

圖9 現(xiàn)場驗證結(jié)果

如圖10所示，測量側(cè)料圓角部位厚度為2.5mm，減薄量為16.7%，實際沖壓結(jié)果與CAE分析結(jié)果基本一致。因此通過對沖壓方案進(jìn)行優(yōu)化，可以保證零件沖壓順利。

結(jié)束語

在對此圓筒形的高強鋼零件進(jìn)行沖壓工藝制定過程中，首先通過在沖壓工藝上增加頂部儲料，可以有效解決在最后一序成形時，由于材料流入不夠?qū)е碌捻敳繘_壓開裂，其次從第一序起采用了凸包成形，通過后工序逐漸縮小拔模角以及逐步增加成形深度的成形方式，可以使零件在成形過程中得到均勻的變形，材料的流入性能也得到了提高。最終在CAE分析結(jié)果及實際沖壓驗證后，得到了滿足使用性能要求的零件。

圖10 現(xiàn)場驗證結(jié)果