文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

轎車梁類沖壓件回彈的原因分析及解決措施

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

在非承載式汽車車身中，梁類沖壓件是轎車車身中最重要的零件，如邊梁內(nèi)板、縱梁內(nèi)板等沖壓件。梁類沖壓件具有高強度、高硬度、形狀復(fù)雜、板材厚等特點，梁類沖壓件的成形是在力的作用下發(fā)生的復(fù)雜彈塑性變形，成形過程中可能出現(xiàn)多種缺陷，如開裂、起皺、回彈等，回彈是梁類沖壓件最常出現(xiàn)的問題，直接影響沖壓件的裝配質(zhì)量和使用壽命。

本文重點對轎車梁類沖壓件回彈產(chǎn)生的原因進行分析，通過幾種典型梁類沖壓件回彈解決方案，從沖壓工藝、模具設(shè)計、模具調(diào)試、產(chǎn)品設(shè)計等方面提出梁類沖壓件回彈的控制措施。

轎車梁類沖壓件成形工藝及回彈缺陷分析

轎車梁類沖壓件的成形工藝

梁類沖壓件截面多為“幾”字形，沖壓板材多為高強板，屈服強度一般為210～550MPa，隨著轎車車身輕量化的發(fā)展，梁類沖壓件采用超高強板已經(jīng)成為一種趨勢，其板材的屈服強度達到550MPa以上，以滿足整車結(jié)構(gòu)對梁類沖壓件的安全性要求，梁類沖壓件形狀復(fù)雜，屬于變截面成形，梁類沖壓件的這些特性增加了沖壓成形的難度，特別是沖壓件的側(cè)壁回彈控制，是沖壓成形工藝重點研究的對象。

梁類沖壓件多為變截面，轎車梁類沖壓件的沖壓工藝通常采用拉延的成形工藝，然后對其進行修、沖的分離工藝，最后采用翻、整的成形工序?qū)α侯悰_壓件進行最終校形。在各工藝中拉延工藝是主要的成形工藝，拉延工藝的優(yōu)劣直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

典型轎車梁類沖壓件拉延工藝模具結(jié)構(gòu)如圖1所示，模具由凸模、凹模和壓料圈組成，拉延成形時凹模和壓料圈壓住板料四周一起向下運動，使板料包裹在凸模上，最終板料被凸模和凹模形成的型腔約束成一定形狀的拉延工序件。

轎車梁類沖壓件回彈的原因分析

圖1 典型轎車梁類沖壓件拉延模具結(jié)構(gòu)

轎車梁類沖壓件拉延成形時，板料內(nèi)外緣表層纖維進入塑性狀態(tài)，而板料中心仍處于彈性狀態(tài)，這時當(dāng)拉延成形力去除后，板料就會產(chǎn)生塑性變形，金屬的塑性變形總是伴有彈性變形。所以板料彎曲時，即使內(nèi)外層纖維全部進入塑性狀態(tài)，在去除拉延的成形力時，彈性變形消失也會出現(xiàn)回彈，如圖2所示。梁類高強板零件回彈問題尤為突出。

圖2 梁類件拉延成形及回彈缺陷示意

通過對拉延成形過程分析可知，板料在流過凹模圓角時產(chǎn)生很大的變形，在此過程中板料內(nèi)外層的變形情況為：零件內(nèi)側(cè)板料先產(chǎn)生線長伸長的變形，后產(chǎn)生線長縮短的變形；零件外側(cè)板料先產(chǎn)生線長縮短的變形，后產(chǎn)生線長伸長的變形，成形完成后，零件內(nèi)側(cè)板料產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，零件外側(cè)板料產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。如圖3所示，當(dāng)模具所施加的成形力去除后，零件內(nèi)的板厚方向殘余應(yīng)力削弱，彈性變形釋放，零件產(chǎn)生回彈翹曲。板料的屈服強度越高，在塑性變形前彈性變形量就越大，相比強度較低板料零件回彈趨勢更大，回彈的控制更加困難。

沖壓拉延成形過程板料變形復(fù)雜，各處應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不一致，而且隨著變形而變化，控制困難，這對沖壓工藝提出了挑戰(zhàn)。沖壓工藝和模具的設(shè)計要根據(jù)具體零件進行具體分析，充分考慮到零件成形過程中可能存在的困難和缺陷，同時要保證模具制造維修便利，保證模具強度和提高模具壽命，提高生產(chǎn)效率，降低成本，還要考慮材料的利用率，不能造成不必要的材料消耗。

轎車梁類沖壓件成形過程回彈控制

典型實例一：某轎車邊梁內(nèi)板

圖3 轎車梁類沖壓回彈原因分析示意

圖4 某轎車邊梁內(nèi)板

圖4 為某轎車邊梁內(nèi)板沖壓件，沖壓件材料為780Y，材料厚度為1.0mm，屈服強度＞400MPa，材料屬于高強板。

通過分析發(fā)現(xiàn)邊梁內(nèi)板沖壓件形狀較簡單，零件截面趨近于等截面。對于此類形狀簡單的梁類零件的沖壓工藝應(yīng)避免采用拉延成形一次到位，而是先進行落料沖孔，再采用壓彎預(yù)成形，最后采用翻邊整形工藝得到最終產(chǎn)品形狀，工藝如圖5所示。

圖5 邊梁內(nèi)板沖壓DL圖

采用此沖壓工藝板料變形區(qū)域主要集中在零件R角位置，R角位置變形量大，塑性變形充分，彈性變形占總變形比重較小，而零件側(cè)壁位置基本不產(chǎn)生變形，避免了由于變形殘余應(yīng)力導(dǎo)致的側(cè)壁回彈翹曲。同時，采用此工藝與拉延成形相比較模具結(jié)構(gòu)簡單，模具制造維修便利，板料尺寸小，成形力小，可以降低零件的生產(chǎn)成本。因此，對于形狀簡單的制件，優(yōu)先采用先落料后成形的工藝，此工藝既可以減小側(cè)壁的回彈變形，又降低了零件的生產(chǎn)成本。如圖6所示，零件成形后側(cè)壁平直，尺寸與產(chǎn)品符合度高。

圖6 前地板后縱梁

典型實例二：某轎車縱梁內(nèi)板

縱梁內(nèi)板是轎車上重要的梁類零件，對車身的強度、剛度影響極大，是車身重要的承載、安全零件。圖7為某車型縱梁內(nèi)板沖壓件，可以看出縱梁內(nèi)板形狀復(fù)雜，零件截面變化劇烈，零件縱向呈圓弧形。板料材質(zhì)為590YD+Z-60/60，屈服強度＞300MPa，屬于高強板，增加了沖壓成形的難度。

圖7 縱梁內(nèi)板

此零件在沖壓工藝設(shè)計時，采用開口拉延的成形工藝，未能解決零件側(cè)壁回彈的問題，生產(chǎn)調(diào)試過程中制件側(cè)壁回彈嚴重，尺寸偏差過大，無法滿足裝車要求。缺陷如圖8所示，側(cè)壁回彈嚴重，零件翹曲。經(jīng)長時間調(diào)試此問題未能解決。

圖8 縱梁內(nèi)板側(cè)壁回彈

現(xiàn)對零件進行分析，零件形狀復(fù)雜，無法采用落料成形工藝，必須采用拉延工藝，這就需要找到合理措施來控制拉延零件側(cè)壁回彈的問題。零件開口夾角為10°，若在凸凹模具上做出足夠回彈補償量，將出現(xiàn)拉延負角，因此此方案不可行。考慮到零件產(chǎn)品形狀及匹配關(guān)系，最終從產(chǎn)品設(shè)計角度增加零件剛性，更改產(chǎn)品設(shè)計，在零件側(cè)壁增加形狀凍結(jié)筋，增加零件側(cè)壁成形后的穩(wěn)定性，減小側(cè)壁回彈量，如圖9所示。

調(diào)試結(jié)果表明，縱梁內(nèi)板增加形狀凍結(jié)筋后，零件側(cè)壁回彈缺陷得到明顯改善，側(cè)壁變得平直，零件開口尺寸與前期相比減小4～5mm。同時，在調(diào)試過程中，還采用大壓邊力，增加進料阻力，這樣使側(cè)壁產(chǎn)生一定的附加拉應(yīng)力，在一定程度上減小板料內(nèi)外兩側(cè)內(nèi)應(yīng)力不同帶來的彈性變形。試驗表明采用300t壓邊力比采用200t壓邊力零件開口尺寸小1～2mm。

圖9 縱梁內(nèi)板增加形狀凍結(jié)筋

對于側(cè)壁開口夾角較小而且形狀復(fù)雜的梁類零件，沖壓工藝在拉延成形時無法做出回彈補償量矯正側(cè)壁的回彈，只能增加成形工序來解決。在產(chǎn)品設(shè)計時應(yīng)考慮側(cè)壁的剛性，適當(dāng)增加形狀凍結(jié)筋可有效提高零件側(cè)壁剛性，減小拉延成形后側(cè)壁回彈問題，同時在滿足零件不縮頸及開裂情況下采用大的壓邊力有利于減小零件側(cè)壁回彈問題。

結(jié)束語

回彈對于汽車梁類沖壓件來說是較難解決的問題，減少或消除回彈最佳的時機是在產(chǎn)品設(shè)計和模具開發(fā)階段。借助分析，準(zhǔn)確預(yù)測回彈量，對產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計進行優(yōu)化，利用產(chǎn)品形狀、工藝和補償來減小回彈，這些措施并不能完全控制回彈，還需要在模具調(diào)試階段彌補分析回彈量的不足。最終生產(chǎn)出符合產(chǎn)品要求的零件，通過積累產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗、模具設(shè)計經(jīng)驗及模具調(diào)試經(jīng)驗，是解決轎車梁類沖壓件生產(chǎn)難的最有效方法。