許天宇 李天奇

摘要：介紹了某車型A柱熱成形件在工業(yè)化中的轉角開裂問題，沖壓成形性仿真分析零件不存在開裂的風險，但零件實際工業(yè)化中開裂。開裂主要發(fā)生在外凸轉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，總結了熱成形零件轉角開裂問題的影響因素，總結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。

關鍵詞：熱成形零件 ALSI鍍層板 轉角 開裂

中圖分類號：TG386? ?文獻標識碼：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，材質為ALSI鍍層板，設計有帶法蘭面的封閉轉角區(qū)域，轉角大小為R126 mm、高度為57 mm、拔模角為12°。沖壓成形性仿真分析結果如圖2所示，零件轉角位置最大減薄8.2%，滿足熱成形件零件成形條件，沒有開裂風險。

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

3 原因分析

A柱內(nèi)板的模具設計如圖4所示，上模轉角區(qū)域設計上壓料體Pad1的間隙值為0.5 mm、行程為70 mm，下模設計下頂出器Pad2的壓料力為60 kN、行程為70 mm。上壓料體Pad1和凹模Die之間設計對頂?shù)獨飧?，實現(xiàn)成形過程中壓料為0.5 mm、沖壓結束時上壓料體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，首先通過調(diào)整上述工藝參數(shù)、有利于板料流進轉角區(qū)域去解決開裂問題，試驗驗證結果如表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；將零件材質由ALSI鍍層板更改為裸板，零件轉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，示例設計封閉轉角區(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很嚴重，因此設置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向側壁的流動，尤其是Pad2附近的翻孔限制了內(nèi)側材料流動，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角區(qū)域切向流進凹?？冢瓿蓚缺诔尚?。

對比實際出件（圖3），不僅零件轉角開裂，法蘭面也嚴重褶皺。過程中形成的褶皺形成了Pad1和Die之間的硬點，導致Pad1上的板料無法流入凹?？?，當加大Pad1的Gap值或者減小行程時，成形過程中的褶皺也會相應加大，轉角外側的材料仍然難以流進凹模口。在Pad1和Pad2的作用下，轉角側壁區(qū)域形成了材料脹形區(qū)域，但對于零件外凸轉角區(qū)域，ALSI鍍層削弱了22MnB5基體的成形性或者加大了摩擦，導致ALSI鍍層板嚴重開裂。AutoForm軟件在進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未設置Gap值的分析結果，零件轉角側壁轉角位置減薄17.2%，零件轉角位置已經(jīng)開裂。由于法蘭面褶皺形成的硬點影響，實際出件的轉角開裂狀態(tài)遠大于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分模線設置在零件法蘭面外側，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，Pad1位置的材料有更大的成形轉角，Pad1遠離易開裂的轉角區(qū)域。沖壓成形初期，零件在凸凹模上有更大的面積，沖壓結束階段，板料完全脫離Pad1的控制，收料在分模線內(nèi)側，有利于防止轉角位置褶皺和開裂的發(fā)生。

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

上述工藝的沖壓成形性仿真分析結果如圖9所示，轉角位置側壁最大減薄10%，即Pad1的Gap設置為0 mm，最大減薄13%，有很大的安全余量。成形過程中，模具下模轉角法蘭面沖壓過程中有褶皺趨勢，但沖壓結束后的零件增厚達7.7%，滿足熱成形件增厚要求，不會產(chǎn)生質量缺陷。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準。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置相符合，避免了熱成形ALSI鍍層板零件同步工程結果失效的問題。

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構仍然按圖5設計，Pad1設計在零件內(nèi)側，但產(chǎn)品設計需要進行優(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

工藝和模具結構仍然按圖5所示，Pad1設計在零件內(nèi)側。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角位置法蘭面褶皺的產(chǎn)生，又保證法蘭面的材料流入凹模口，完成外凸轉角側壁區(qū)域的成形。避免了按照常規(guī)設計方案Pad1和Die之間形成硬點，外凸轉角法蘭材料無法流入凹?？?，在Pad1和Pad2作用下外凸轉角側壁區(qū)域脹形成形，導致開裂發(fā)生。

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

參考文獻：

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[2] 涂明安， 胡松. 車身熱成型開發(fā)應用[J]. 上海汽車， 2016（3）： 58-62．

[3] 王達鵬， 曲智， 楊慶波， 等. 汽車車身熱沖壓成型技術的應用和質量控制綜述[J]. 汽車工藝與材料， 2020（4）： 36-44．