文/聶飛，劉鵬，尤寶卿，茹承曦，王韋，柯亮·東風(武漢)實業(yè)有限公司

A柱上加強板作為熱成形類模具的代表性零件，在整車安全上起到了至關(guān)重要的作用，目前隨著汽車行業(yè)輕量化需求越來越高，汽車設(shè)計上，A 柱上加強板長度越來越長，造型面越來越多，因此在熱成形后及進行激光切割時都會出現(xiàn)切割變形現(xiàn)象，在這里統(tǒng)稱為熱成形回彈，尺寸超差較多時也會嚴重影響整車的裝配。

目前，解決零件回彈一般采用冷卻水道模擬分析。冷卻系統(tǒng)是熱成形模具設(shè)計的重點，同時也是難點。冷卻系統(tǒng)設(shè)計的是否合理直接影響著熱成形生產(chǎn)的品質(zhì)，在設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，既要保證模具均勻冷卻，也要保證合理的冷卻時間，使熱成形板料在冷卻過程中內(nèi)部組織能夠有效地轉(zhuǎn)化，但在實際生產(chǎn)過程中影響因素眾多，導(dǎo)致理論分析的結(jié)果往往會有偏差。

本文通過我司的實例，對熱成形A 柱上加強板激光切割回彈問題進行了深入分析，希望能夠給以后類似問題的解決帶來幫助。

熱成形工作原理概述

工作原理

一般是將板料加熱到再結(jié)晶溫度以上某個適當?shù)臏囟龋蛊渫耆珚W氏體化后再進行沖壓成形，沖壓成形之后需要保壓一段時間使零件形狀尺寸趨于穩(wěn)定。鋼板熱沖壓是一種將先進高強度鋼板加熱到奧氏體溫度后快速沖壓，在保壓階段通過模具實現(xiàn)淬火并達到所需冷卻速度，從而得到組織為馬氏體，強度在1500MPa 左右的超高強度零件的新型成形技術(shù)；板料放到加熱爐進行加熱，加熱要均勻，溫度達到900℃以上，通過機械手將加熱完畢的料片送到帶有冷卻系統(tǒng)的模具中進行沖壓成形，模具閉合后保壓5 ～10s，使板料在模具內(nèi)快速冷卻淬火，鋼板內(nèi)部組織從奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，制件溫度降至200℃左右取出，最后用激光切割機切割出最終的制件。

生產(chǎn)流程

如圖1 所示，熱成形工藝生產(chǎn)流程為：下料→板料堆垛→加熱(鋼板在輥底式加熱爐中加熱，形成奧氏體組織)→快速轉(zhuǎn)移到壓機(機器人或機械手帶夾持器)→成形、冷卻(快速合模、成形，保壓，冷卻形成馬氏體組織)→隨室溫冷卻，得到抗拉強度很高的零件→激光切割成品。

圖1 熱成形工藝生產(chǎn)流程

工藝分析

該A 柱上加強板采用Autoform 軟件分析。在分析過程中，最關(guān)鍵的是材料特性參數(shù)的輸入，由于熱成形制件在成形過程中內(nèi)部組織由奧氏體轉(zhuǎn)化成馬氏體，材料的力學性能也在不斷發(fā)生變化。所以不是一條簡單的特性曲線。為了進行CAE 分析，通過實驗，根據(jù)不同溫度、不同微觀組織的變化，將材料參數(shù)簡化成多條特性曲線，如圖2 所示。

圖2 材料力學性能特性曲線

輸入材料參數(shù)后，要對一些特性參數(shù)及運動過程進行設(shè)置，如室溫為20℃，模具溫度設(shè)置為75℃，摩擦系數(shù)為0.45，板料溫度為930℃，網(wǎng)格單元采用殼單元及熱傳導(dǎo)率等，設(shè)置完成后再進行計劃。模擬結(jié)果主要參考材料的變薄率，只要不出現(xiàn)開裂和起皺現(xiàn)象即可。

問題解決方案

問題內(nèi)容

圖3 為某車型A 柱上加強板的零件圖，材質(zhì)為22MnB5，料厚為2.0mm，為熱成形零件常用材質(zhì)之一。

圖3 某車型A 柱上加強板零件模型

(1)問題發(fā)生。問題發(fā)生在小頭端頭(圖4)，選取6 個點進行檢測(小頭處與A 柱骨架加強板搭接，熱成形零件激光切割變化后小頭處變形較大，選取6個點進行監(jiān)控及分析解析)，檢測數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)有較大差別。

圖4 問題發(fā)生處示意圖

(2)理論分析。理論分析數(shù)據(jù)(圖5)也有回彈現(xiàn)象，甚至個別位置回彈量達到0.55mm。理論與實測數(shù)據(jù)對比如表1 所示。經(jīng)生產(chǎn)過程左右件連續(xù)測量5 臺份，圖示部位最大偏差量為1.2mm。

表1 理論與實測數(shù)據(jù)對比

圖5 理論回彈分析

(3)問題發(fā)生頻率。連續(xù)生產(chǎn)5 件，均有不同程度的偏差，最大偏差1.2mm，與標準值(0 ～0.6mm)最大相差1.2mm，發(fā)生率100%。

(4)制件理論與實際狀態(tài)對比。圖6 所示為制件大小頭偏差位置，沖壓完成后制件兩處區(qū)域與理論狀態(tài)不一致(黑色為理論狀態(tài)，紅色為實際狀態(tài))。

圖6 理論狀態(tài)與實際狀態(tài)對比

問題研究方法

(1)狀態(tài)不一致的影響因素。

通過對眾多影響因素對比，其中回彈補償量為0，以及研合率為70%，均不滿足標準要求，需重點研究對策，如表2 所示。

表2 狀態(tài)不一致影響因素分析

(2)工藝分析流程。工藝分析階段未分析回彈情況，只根據(jù)經(jīng)驗做的模面受熱后膨脹補償，如圖7所示。

圖7 工藝分析流程

問題研究對策

(1)仿真驗證。采用Autoform 軟件進行模擬仿真，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)的變化量，重新設(shè)置模擬參數(shù)，并依據(jù)檢測數(shù)據(jù)制作細化補償數(shù)據(jù)，最大變化量0.6mm。

通過調(diào)整回彈數(shù)據(jù)后重新反算，零件最大還有0.2mm 回彈，分析方案有效，如表3 所示。

表3 回彈補償加入前后數(shù)據(jù)對比

(2)樣件驗證。根據(jù)模擬結(jié)果(表4)，通過實際模具整改并多輪模具回彈補償，提升模具貼合率，并壓件確認，零件上各處點偏差都在公差范圍內(nèi)，整改方案有效，需對數(shù)據(jù)進行進一步優(yōu)化，如表5 所示。

表4 加入回彈補償后模擬結(jié)果

表5 數(shù)據(jù)優(yōu)化前后樣件狀態(tài)對比

模具對應(yīng)型面回彈補償如下，回彈補償方式為凸凹模對應(yīng)型面相應(yīng)機加更改；模具具體更改方案如圖8 所示。

圖8 模具補償方案部分展示

回彈補償在模具調(diào)試階段可能不能一輪整改消除完畢，不能一蹴而就，在這個整改階段內(nèi)需認真記錄整改前后零件對應(yīng)型面變化量，我司在整改該零件過程中前后進行了4 輪回彈補償，在此分享部分數(shù)據(jù)，如圖9 所示。

圖9 模具補償方案部分樣件數(shù)據(jù)展示

通過數(shù)據(jù)的進一步優(yōu)化，使大小頭位置的回彈量均達到標準0 ～0.6mm 要求，滿足裝車條件，且沖壓制件穩(wěn)定，得到了客戶的認可。

結(jié)束語

目前我司后續(xù)自主開發(fā)的幾套熱成形模具已經(jīng)投入生產(chǎn)，生產(chǎn)過程中也會出現(xiàn)大頭回彈量大的問題，均通過此方案更改模具。通過一次次的更改，最終找出了變化規(guī)律，并輸入到最新的參數(shù)設(shè)置中，生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品。

針對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，要層層分析，最后找出問題的真因，同時在過程中需要做好數(shù)據(jù)記錄及總結(jié)，而生產(chǎn)實踐證明此方案效果明顯，沖壓產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，得到了客戶的一致好評，也為后期再次出現(xiàn)類似問題提供了解決思路。

熱成形技術(shù)仍然存在許多問題，比如進行淬火時很難控制冷卻速度；零件不同區(qū)域由于冷卻速度的差異而發(fā)生變形。模具加工的難度增大，成本增加，限制了熱沖壓技術(shù)的推廣和應(yīng)用。相關(guān)企業(yè)及高校也應(yīng)密切的聯(lián)系起來大力發(fā)展熱成形技術(shù)不斷推動和完善相關(guān)制造技術(shù)。汽車輕量化技術(shù)方興未艾，隨著新材料、新工藝和輕量化技術(shù)的不斷發(fā)展，不僅可以為環(huán)保事業(yè)作出貢獻，也可為汽車節(jié)能并提高動力性。而汽車輕量化技術(shù)也漸漸的成為世界汽車發(fā)展的新潮流。