許天宇 李天奇

摘要：介紹了某車型A柱熱成形件在工業(yè)化中的轉(zhuǎn)角開裂問題，沖壓成形性仿真分析零件不存在開裂的風(fēng)險，但零件實際工業(yè)化中開裂。開裂主要發(fā)生在外凸轉(zhuǎn)角且有長法蘭面的位置，通過對比零件開裂位置成形狀態(tài)與沖壓仿真分析參數(shù)，分析了問題產(chǎn)生的原因，總結(jié)了熱成形零件轉(zhuǎn)角開裂問題的影響因素，總結(jié)了此類零件沖壓成形性仿真分析策略，分別從產(chǎn)品和工藝角度闡述了解決方案。

關(guān)鍵詞：熱成形零件 ALSI鍍層板 轉(zhuǎn)角 開裂

中圖分類號：TG386? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B? ?DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20220240

Abstract： This article introduced corner cracking of A-pillar hot-stamped part of a vehicle model. Simulation analysis reveals no cracking crisis in stamped part， whereas parts crack in actual industrialization. Cracking mainly incurs at the convex corner with long flange surface. The cause of cracking was analyzed by comparing forming status of parts at cracking position and stamping simulation & analysis parameters， the factors leading to corner cracking of hot-stamped parts were summarized， and simulation & analysis strategy of such parts in stamping was also summarized， the solution of corner cracking was introduced both in product and process perspectives.

Key words： Hot-stamping part， ALSI coated steel plate， Corner fillet， Crack

1 前言

作為車身輕量化的主要手段，熱成形零件在白車身得到廣泛應(yīng)用。將熱成形材料加熱到880～940 ℃，在奧氏體化后的熔融狀態(tài)下完成沖壓成形，以30～50 ℃/s的速度冷卻到＜400 ℃，得到強度極佳的馬氏體化零件。因熱成形件回彈小，熱成形件零件一般都具備很好的可制造性[1-2]。

2 問題概述

某車型熱成形零件A柱內(nèi)板如圖1所示，材質(zhì)為ALSI鍍層板，設(shè)計有帶法蘭面的封閉轉(zhuǎn)角區(qū)域，轉(zhuǎn)角大小為R126 mm、高度為57 mm、拔模角為12°。沖壓成形性仿真分析結(jié)果如圖2所示，零件轉(zhuǎn)角位置最大減薄8.2%，滿足熱成形件零件成形條件，沒有開裂風(fēng)險。

實際工業(yè)化過程中，A柱內(nèi)板轉(zhuǎn)角位置發(fā)生嚴(yán)重開裂，如圖3所示。前期沖壓成形性仿真分析結(jié)果與零件實際狀態(tài)偏離。

3 原因分析

A柱內(nèi)板的模具設(shè)計如圖4所示，上模轉(zhuǎn)角區(qū)域設(shè)計上壓料體Pad1的間隙值為0.5 mm、行程為70 mm，下模設(shè)計下頂出器Pad2的壓料力為60 kN、行程為70 mm。上壓料體Pad1和凹模Die之間設(shè)計對頂?shù)獨飧?，實現(xiàn)成形過程中壓料為0.5 mm、沖壓結(jié)束時上壓料體Pad1和下模間隙值為0 mm，以保證熱成形件的法蘭面型面精度。

零件轉(zhuǎn)角位置開裂與上壓料體Pad1的壓料間隙、上壓料體Pad1工作行程、上壓料體Pad1的壓料力、板料尺寸和下頂出器Pad2的工作行程工藝參數(shù)相關(guān)，首先通過調(diào)整上述工藝參數(shù)、有利于板料流進(jìn)轉(zhuǎn)角區(qū)域去解決開裂問題，試驗驗證結(jié)果如表1所示。

通過調(diào)整上壓料體Pad1和下頂出器Pad2的工藝參數(shù)，零件開裂問題沒有改善；通過在板料噴涂潤滑油、減小零件成形中摩擦阻力，能改善零件開裂；將零件材質(zhì)由ALSI鍍層板更改為裸板，零件轉(zhuǎn)角位置開裂問題得到解決。

前期的沖壓成形性仿真分析可知，帶ALSI鍍層板的熱成形材料、不帶ALSI鍍層的裸板熱成形材料的材料曲線和摩擦系數(shù)均相同，如圖5所示。但實際試驗驗證后，示例設(shè)計封閉轉(zhuǎn)角區(qū)域的零件裸板材料不開裂，而ALSI鍍層板則出現(xiàn)開裂。這說明外凸轉(zhuǎn)角位置的ALSI鍍層削弱了22MnB5基體的成形性或者加大了摩擦，這也是AutoForm軟件沖壓成形性仿真時無法分析出差異的根本原因[3]。

如圖6所示，板料僅在凸模Puch和凹模Die的作用下成形，會產(chǎn)生褶皺1和褶皺2，尤其是法蘭面的褶皺1很嚴(yán)重，因此設(shè)置Pad1和Pad2控制成形過程中的褶皺1和褶皺2。但Pad1和Pad2也會限制材料由上下兩側(cè)向側(cè)壁的流動，尤其是Pad2附近的翻孔限制了內(nèi)側(cè)材料流動，這也是調(diào)整Pad2行程不能解決開裂的原因。將Pad1與下模Die成形過程中的間隙值設(shè)置為0.5 mm，使Pad1控制法蘭面褶皺的情況下，保證材料可以容易沿著轉(zhuǎn)角區(qū)域切向流進(jìn)凹?？冢瓿蓚?cè)壁成形。

對比實際出件（圖3），不僅零件轉(zhuǎn)角開裂，法蘭面也嚴(yán)重褶皺。過程中形成的褶皺形成了Pad1和Die之間的硬點，導(dǎo)致Pad1上的板料無法流入凹?？?，當(dāng)加大Pad1的Gap值或者減小行程時，成形過程中的褶皺也會相應(yīng)加大，轉(zhuǎn)角外側(cè)的材料仍然難以流進(jìn)凹模口。在Pad1和Pad2的作用下，轉(zhuǎn)角側(cè)壁區(qū)域形成了材料脹形區(qū)域，但對于零件外凸轉(zhuǎn)角區(qū)域，ALSI鍍層削弱了22MnB5基體的成形性或者加大了摩擦，導(dǎo)致ALSI鍍層板嚴(yán)重開裂。AutoForm軟件在進(jìn)行沖壓成形性仿真分析零件成形性的時候，無法模擬出褶皺增厚對Gap值的影響，這也是前期沖壓成形性仿真分析結(jié)果與實際出件產(chǎn)生差異的直接原因，也是調(diào)整Pad1行程和壓力值工藝參數(shù)無法解決開裂的原因。

圖7是Pad1未設(shè)置Gap值的分析結(jié)果，零件轉(zhuǎn)角側(cè)壁轉(zhuǎn)角位置減薄17.2%，零件轉(zhuǎn)角位置已經(jīng)開裂。由于法蘭面褶皺形成的硬點影響，實際出件的轉(zhuǎn)角開裂狀態(tài)遠(yuǎn)大于Gap=0 mm的情況。

4 解決措施

4.1 方案一

如圖8所示，上模壓料板Pad1分模線設(shè)置在零件法蘭面外側(cè)，分模線到零件邊緣距離L為5～10 mm。由于Pad1分模線在零件外側(cè)，Pad1位置的材料有更大的成形轉(zhuǎn)角，Pad1遠(yuǎn)離易開裂的轉(zhuǎn)角區(qū)域。沖壓成形初期，零件在凸凹模上有更大的面積，沖壓結(jié)束階段，板料完全脫離Pad1的控制，收料在分模線內(nèi)側(cè)，有利于防止轉(zhuǎn)角位置褶皺和開裂的發(fā)生。

上模壓料板Pad1的工作行程設(shè)置為40 mm，在轉(zhuǎn)角位置不發(fā)生明顯褶皺的情況下（增厚率約10%），Pad1的行程盡量小。同時設(shè)置Pad1和下模Die之間隙值為0.5 mm，保證材料更容易流入模口成形。與圖4的模具結(jié)構(gòu)相比，在Pad1區(qū)域的材料增厚趨勢減小，同時在沖壓結(jié)束階段，Pad1區(qū)域的板料全部流入凹?？?，避免了Pad1和Die之間形成硬點，影響材料流入。Pad1既控制住外凸轉(zhuǎn)角位置法蘭面褶皺的產(chǎn)生，又保證法蘭面材料流入凹模口，完成外凸轉(zhuǎn)角側(cè)壁區(qū)域的成形。

上述工藝的沖壓成形性仿真分析結(jié)果如圖9所示，轉(zhuǎn)角位置側(cè)壁最大減薄10%，即Pad1的Gap設(shè)置為0 mm，最大減薄13%，有很大的安全余量。成形過程中，模具下模轉(zhuǎn)角法蘭面沖壓過程中有褶皺趨勢，但沖壓結(jié)束后的零件增厚達(dá)7.7%，滿足熱成形件增厚要求，不會產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。開裂和褶皺情況均滿足熱成形件的沖壓成形性仿真分析標(biāo)準(zhǔn)。材料的實際成形過程與同步工程的沖壓成形性仿真過程及其工具體設(shè)置相符合，避免了熱成形ALSI鍍層板零件同步工程結(jié)果失效的問題。

4.2 方案二

為了降低模具更改費用和周期，示例零件工藝方案和模具結(jié)構(gòu)仍然按圖5設(shè)計，Pad1設(shè)計在零件內(nèi)側(cè)，但產(chǎn)品設(shè)計需要進(jìn)行優(yōu)化。如圖10所示，產(chǎn)品更改方案中上圓角更改為大斜角（傾角130°），下圓角由原來的R6.6 mm更改為R15 mm。試驗驗證表明，產(chǎn)品進(jìn)行如此大的更改才能解決零件開裂問題。

4.3 方案三

工藝和模具結(jié)構(gòu)仍然按圖5所示，Pad1設(shè)計在零件內(nèi)側(cè)。將零件的材料由ALSI鍍層板更改為裸板。更改材料能解決零件開裂的問題，但車身A柱內(nèi)板區(qū)域一般有較高的防腐等級要求，使用裸板的方案一般難以實現(xiàn)。

5 結(jié)束語

前期的沖壓成形性仿真分析可知，帶ALSI鍍層板的熱成形材料、不帶ALSI鍍層的裸板材料和22MnB5材料曲線和摩擦系數(shù)均相同，對于截面開口的梁類零件，二者的成形性沒有發(fā)現(xiàn)大的差別。對于帶長法蘭面的外凸轉(zhuǎn)角區(qū)域的零件，二者的成形效果是不同的。ALSI鍍層削弱了22MnB5基體的成形性或者加大了摩擦，但零件前期的沖壓成形性仿真無法分析出這種差別，這是同步工程與實際出件狀態(tài)差別的根本原因[3]。

方案一的Pad1作用即控制住外凸轉(zhuǎn)角位置法蘭面褶皺的產(chǎn)生，又保證法蘭面的材料流入凹?？?，完成外凸轉(zhuǎn)角側(cè)壁區(qū)域的成形。避免了按照常規(guī)設(shè)計方案Pad1和Die之間形成硬點，外凸轉(zhuǎn)角法蘭材料無法流入凹模口，在Pad1和Pad2作用下外凸轉(zhuǎn)角側(cè)壁區(qū)域脹形成形，導(dǎo)致開裂發(fā)生。

對于本文設(shè)計有帶長法蘭面的外凸轉(zhuǎn)角區(qū)域的熱成形零件，前期的同步工程工藝設(shè)計和后期的模具結(jié)構(gòu)方案均建議參照方案一，方案一能保證最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和材料選擇。

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