王光，李雙一，魏元生

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心, 河北保定 071000)

不等厚板在車頂橫梁上的應(yīng)用

王光1，2，李雙一1,2，魏元生1,2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心,河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心, 河北保定 071000)

不等厚技術(shù)是在軋制過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制來(lái)自動(dòng)和連續(xù)地調(diào)節(jié)軋輥間距，從而獲取軋制方向板材厚度均勻變化的板材。主要針對(duì)某汽車公司某車型車頂橫梁應(yīng)用差厚板材料以及沖壓模具的開(kāi)發(fā)進(jìn)行研究，試制成功不等厚頂蓋橫梁零件，驗(yàn)證了不等厚板成形工藝及模具設(shè)計(jì)方法的有效性。

不等厚板；過(guò)渡區(qū)；車頂橫梁；模具設(shè)計(jì)；回彈補(bǔ)償

0 引言

不等厚軋制板( Tailored Rolled Blanks， TRB) 在國(guó)內(nèi)常被稱為差厚板。它是20 世紀(jì)90 年代初，由德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)金屬研究所最早開(kāi)發(fā)出來(lái)的[1]，其核心是“柔性軋制技術(shù)”，即在鋼板軋制過(guò)程中通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制軋輥的間距，以獲取沿軋制方向預(yù)先定制的截面厚度[2]。TRB板由于其厚度組合的靈活性，開(kāi)始被應(yīng)用到汽車零件中，是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的一種先進(jìn)材料工藝[3-4]。

差厚板過(guò)渡區(qū)板材厚度非均一性的特點(diǎn)，使得過(guò)渡區(qū)材料模型的確定成為差厚板利用的前提。國(guó)內(nèi)差厚板研究中，包向軍研究了差厚板的回彈，對(duì)差厚板的材料模型采用插值分區(qū)描述，討論了不同插值方法對(duì)于離散結(jié)果的影響。楊兵等人通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)和圓筒拉深實(shí)驗(yàn)確定了采用插值法進(jìn)行過(guò)渡區(qū)模型構(gòu)建，為建立相對(duì)準(zhǔn)確的差厚度板的材料模型提供了參照。

文中針對(duì)差厚板材質(zhì)進(jìn)行了不同厚度機(jī)械性能差異分析，基于車頂橫梁沖壓模具分別進(jìn)行了仿真和實(shí)際沖壓結(jié)果的對(duì)比分析。

1 材料性能研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

實(shí)驗(yàn)材料選擇為340LA，化學(xué)成分見(jiàn)表1，針對(duì)不同厚度進(jìn)行取樣，測(cè)得力學(xué)性能見(jiàn)表2。考慮到軋輥壓下量對(duì)沖壓零件的影響，Mubea公司指出，差厚板最為經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡區(qū)坡度比為1∶100[5]，因此此次板材為1.4 mm-0.7 mm-1.4 mm，過(guò)渡區(qū)長(zhǎng)度為70 mm(見(jiàn)圖1)。

表1 HC340LA材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 HC340LA等厚度區(qū)材料力學(xué)性能

圖1 差厚板板材示意圖

1.2 晶粒度和硬度檢測(cè)

維氏硬度和金相組織的觀察分別按照GB/T 4340.1和GB/T 13298執(zhí)行。圖2為經(jīng)過(guò)退火后、厚區(qū)到薄區(qū)的金相組織，合金基體為鐵素體+碳化物，隨著厚區(qū)到薄區(qū)，晶粒度增大明顯，晶粒變細(xì)。圖3為不同厚度區(qū)域硬度以及晶粒度測(cè)量數(shù)據(jù)，可以推斷：由于薄區(qū)軋輥壓下量的增大，畸變能增大，碎晶增多，晶粒度變大。

圖2 金相組織

圖3 不同厚度晶粒度以及硬度

1.3 拉伸實(shí)驗(yàn)

材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)按照GB/T 228-2010進(jìn)行，針對(duì)差厚板等厚度區(qū)進(jìn)行性能分析，采用A80試樣(圖4)，測(cè)試薄區(qū)和厚區(qū)基本力學(xué)性能，詳見(jiàn)表2。

圖4 拉伸試樣(A80)

(1)差厚板隨著厚度的增加屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低，延伸率有所上升。由于薄區(qū)和厚區(qū)軋制壓下量不同，致使厚、薄區(qū)域具有不同的加工硬化程度。

(2)要達(dá)到同樣的機(jī)械特性，厚區(qū)和薄區(qū)應(yīng)該采用不同的退火工藝。但對(duì)同一板料鋼帶進(jìn)行退火，針對(duì)連續(xù)變化的不同厚度區(qū)采用不同的退火工藝難度很大。

綜合考慮厚區(qū)和薄區(qū)，采用一種特定退火工藝使各厚度區(qū)材料力學(xué)特性達(dá)到相對(duì)最優(yōu)且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 零件沖壓

此次試沖的零件為某款車型的車頂橫梁，零件結(jié)構(gòu)如圖5所示。材質(zhì)為HC340LA；厚度為1.4 mm-0.7 mm-1.4 mm。

圖5 頂蓋橫梁示意

2.1 差厚板過(guò)渡區(qū)模擬

差厚板與一般等厚度鋼板的區(qū)別在于板料在軋制過(guò)程中存在一個(gè)連續(xù)厚度變化的過(guò)渡區(qū)，這種厚度上的連續(xù)變化也導(dǎo)致了板料在材料性能上的非均一性，從而導(dǎo)致常規(guī)用于成形模擬單一材料模型參數(shù)不能直接用于差厚板的成形仿真。一方面利用分區(qū)離散的方法，將過(guò)渡區(qū)分區(qū)離散為由不同厚度的板料(見(jiàn)圖6)連接而成，在等厚度區(qū)采用同一材料性能，從而可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)差厚板過(guò)渡區(qū)域材料特性的模擬[6]，其中不同厚度離散區(qū)域的材料參數(shù)通過(guò)2個(gè)厚度區(qū)域材料參數(shù)插值得到。

圖6 差厚板過(guò)渡區(qū)離散化示意圖

2.2 Autoform成形分析

結(jié)合Autoform提供的數(shù)據(jù)構(gòu)建CAD數(shù)模。根據(jù)頂蓋橫梁確定模具設(shè)計(jì)的相關(guān)要求，完成該零件的壓料面及工藝補(bǔ)充設(shè)計(jì)。拉延筋設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 頂蓋橫梁拉延筋設(shè)計(jì)

減薄率分析結(jié)果如圖8所示。Autoform分析中通常需要結(jié)合FLD圖和減薄率對(duì)板料是否開(kāi)裂進(jìn)行分析，該零件兩端減薄率大于中間部位，整體減薄率小于20%，在安全裕度以內(nèi)。

圖8 減薄率分析

通過(guò)以上關(guān)于差厚板板料特性的表征方法及成形工藝進(jìn)行成形仿真參數(shù)設(shè)置和分析，如圖9、圖10所示。結(jié)果表明：該材料特性表征方法用于TRB零件沖壓成形數(shù)值模擬過(guò)程穩(wěn)定，精度高，結(jié)果可靠，該零件采用差厚板方案時(shí)的拉伸成形性能良好，在拉伸件上無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。零件起皺可以通過(guò)起皺準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判，表面起伏高度大于0.03 mm時(shí)可視為該區(qū)域有起皺風(fēng)險(xiǎn)。從仿真分析結(jié)果看，此零件在零件切邊區(qū)域內(nèi)的起皺情況符合要求。

圖9 FLD圖

圖10 起皺分析

2.3 回彈工藝處理

當(dāng)零件成型穩(wěn)定后，將零件回彈計(jì)算加入到后期模擬過(guò)程中，邊界條件采用支撐回彈，計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 局部回彈補(bǔ)償方案

零件兩頭基本上為負(fù)值，最大量0.6 mm左右，零件中間基本上沒(méi)有超差或局部超差不超過(guò)0.3 mm左右，因此可以根據(jù)模擬結(jié)果判定：零件在脫離模具后，表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)是：在沖壓方向上，兩邊向下彎曲，中間向上翹起。

回彈補(bǔ)償?shù)姆绞街饕袃煞N：一種是全局補(bǔ)償，一種是局部補(bǔ)償。由于不等料厚板材的特殊性，并且回彈區(qū)域較明顯，故采用局部補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)進(jìn)行回彈處理。選擇了端頭到接近過(guò)渡區(qū)域的型面進(jìn)行回彈補(bǔ)償，型面最大更改量為0.6 mm。

2.4 樣模模面設(shè)計(jì)

通常情況下，模具的凸凹模和壓邊圈的加工都位于參考面的同一側(cè)，初始凸凹模型面是重合的，利用參考模面偏移，偏移位移為材料的料厚，從而加工出凸凹面和壓邊圈。

針對(duì)差厚板材，由于過(guò)渡區(qū)域和不同厚度的存在，直接采用料厚偏置的方法不適用，因此加工差厚板沖壓模具時(shí)需要針對(duì)凸凹模和壓邊圈的型面進(jìn)行單獨(dú)制作。

以此項(xiàng)目為例，設(shè)計(jì)工藝階段，參考型面為上型面(凹模)，該型面不變，針對(duì)沖壓零件，位于等厚區(qū)域的工藝凸模型面直接通過(guò)偏移料厚獲得，不同厚度之間通過(guò)橋接方式連接。

2.5 樣模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拉延方式采用常用的單動(dòng)拉延。根據(jù)成型模擬反饋的結(jié)果，將模具受力和運(yùn)動(dòng)的基本參數(shù)設(shè)置如下：壓邊圈的壓邊力為80×104N，模具成型力為4 MN，壓邊圈行程為30 mm，選定6.3 MN的機(jī)床為生產(chǎn)設(shè)備。

下模座材質(zhì)選用灰鐵HT300，凸模、壓邊圈和上模用合金鑄鐵。

單動(dòng)拉延分為內(nèi)導(dǎo)向、盒式導(dǎo)向和四角導(dǎo)向，考慮到頂蓋第二號(hào)橫梁是細(xì)長(zhǎng)型且是差厚板，需要模具導(dǎo)向穩(wěn)定，所以作者選擇了四角導(dǎo)向方式。

樣模結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 開(kāi)發(fā)模具

2.6 結(jié)果分析

對(duì)實(shí)際沖壓部件進(jìn)行白光掃描，檢測(cè)位置42處，合格數(shù)40處(與數(shù)模偏差±0.5 mm)，合格率95%，沖壓結(jié)果良好。

3 結(jié)論

(1)差厚板隨著厚度的增加屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均降低，延伸率有所上升。

(2)結(jié)合零部件特征和板料厚度分布采用局部補(bǔ)償回彈。

(3)由于頂蓋橫梁成形過(guò)程不存在明顯的過(guò)渡區(qū)偏移，因此過(guò)渡區(qū)不用特殊處理，結(jié)合零部件和板材進(jìn)行橋接過(guò)渡即可。

(4)差厚板在厚度方面的非均一性要求模具零件加工工藝需要相應(yīng)改變，必須對(duì)模具加工進(jìn)行分區(qū)偏置處理。

(5)采用上述成形工藝及模具設(shè)計(jì)方法，經(jīng)試模順利生產(chǎn)出滿足尺寸精度要求的零件。

【1】HAUGER.Tailor Rolled Blanks for Automotive Lightweight Engineering[C]//Automotive Circle International Conference,Frankfurd,2008.

【2】杜繼濤.TRB軋制建模及其在汽車覆蓋件上應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

【3】楊兵,高永生,張文,等.基于變厚板(VRB)的汽車前縱梁內(nèi)板開(kāi)發(fā)[J].塑性工程學(xué)報(bào),2014,21(2):76-80. YANG B,GAO Y S,ZHANG W,et al.Development of Vehicle Front Side Member Based on Variable-thickness Rolled Blank[J].Journal of Plasticity Engineering,2014,21(2):76-80.

【4】姜銀方,王勇良,袁國(guó)定,等.連續(xù)變截面橫梁回彈特性及控制[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010,27(1):10-13. JIANG Y F,WANG Y L,YUAN G D,et al.Research on Resilience Characteristics and Control of Continuous Variable Cross Section Beams[J].Journal of Machine Design,2010,27(1):10-13.

【5】MEYER A,WIETBROCK B,HIRT G.Increasing of the Drawing Depth Using Tailor Rolled Blanks-numerical and Experimental Analysis[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2008,48:522-531.

【6】吳昊,楊兵,高永生,等.變厚板材料模型表征方法的比較研究[J].鍛壓技術(shù),2014,39(6):37-44. WU H,YANG B,GAO Y S,et al.Comparison Study of Description Methods for Material Model of Variable-thickness Rolled Blank[J].Forging & Stamping Technology,2014,39(6):37-44.

Application of Tailor Rolled Blanks on Roof Cross Beam

WANG Guang1,2, LI Shuangyi1,2,WEI Yuansheng1,2

(1.Research & Development Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000, China；2.Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding Hebei 071000, China)

Tailor rolling blank(TRB)is also called flexible rolling blank, by changing the roll gap during rolling which is characterized by a controlled online adjustment based on a target thickness profile, longitudinal thickness transitions are produced. Characteristics of TRB material and development of stamping die for a roof cross beam were focused on. Finally, the prototype of the TRB roof cross beam was accomplished. The results show that the forming process of TRB and the forming die design method are available.

Tailored rolled blanks; Transition area; Roof cross beam; Die design; Springback compensation

2016-11-05

王光(1988—)，男，工學(xué)學(xué)士，研究方向?yàn)槠囕p量化，新材料應(yīng)用。E-mail:michealwang2011@me.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.008

U465.1+1

B

1674-1986(2017)03-033-04