汽车高强板梁类零件冲压工艺及模具结构设计 .ppt

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1、一汽模具制造有限公司 张云山 2014.03.23,汽车高强板梁类零件冲压工艺及模具结构设计,一、概述 二、汽车用高强钢板梁类零件工艺设计 （一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较 （二）、高强板梁类零件冲压尺寸精度问题的分类 （三）、高强板梁类零件影响冲压尺寸精度问题因素及发生机理 （四）、工艺方案设计 三、模具结构设计和调试 （一）模具结构设计 （二）模具调试,汽车自诞生以来，已经走过了风风雨雨的一百多年。汽车的性能和外观发生了翻天覆地的变化。当今的车身部件大多采用钢板冷冲压成形，对其尺寸偏差、表面质量和刚性的要求极为严格。车身作为汽车的重要组成部分其质量占汽车总质量的30%-40%，占整车

2、成本的20%以上。,一、概述,安全性成为汽车最重要的评价指标，很多国家都拥有自己的车身碰撞安全检测机构。,中国新车评价规程,日本JNCAP,欧洲NCAP碰撞标准,美国高速公路安全协会,澳大利亚ANCAP,国际上广泛采用高强度钢板提高了车体的抗凹陷性、耐久强度和大变形冲击强度安全性。,一、概述,减轻汽车自重是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%至8%；汽车每减少100kg，百公里油耗可降低0.3至0.6升，二氧化碳排放量可减少约5g/km。,汽车的轻量化不仅可以减小汽车的滚动阻力、加速阻力和爬坡阻力降低燃油消耗，而且也有利于改善汽车的转

3、向加速、制动等多方面的性能，同时还可以降低噪声振动污染。,降低汽车重量的方法有很多种。采用高强度钢板车身，在等强度设计条件下可以减少板厚及重量。钢板厚度分别减小0.05mm、0.1mm和0.15mm时，车身分别减重6%、12%和18%。,一、概述,2012年国内汽车产销1900万辆，预测2013年国内汽车产销将达到1960万辆。,07年国内汽车车身高强板应用为14%-17%左右，超高强板应用为0，NCAP碰撞安全系数多为3星。国外车身高强板应用为50%以上，超高强板应用为6%-7% ， NCAP碰撞安全系数为5星。,高强度钢板车身是兼顾安全（Safety）与环保（Saving）的最佳解决方案。

4、因此，高强度/超高强度钢板及其成形性能的深入研究，已成为支撑发展新型节能汽车、车身自主设计的核心问题。目前对其冲压变形机理、回弹控制与预测、模具设计及其热处理等方面，国内都进行分了深入和广泛的研究。,一、概述,迈腾 70%,马自达6睿翼,5901480MPa 49%,本田雅阁,340MPa以上 48%,一、概述,普通钢板,270MPa,800MPa,高强钢板,超高强钢板,低强度IF钢,低碳钢,外覆盖件,BH钢,C-Mn钢,HSLA钢,部分DP钢,TRIP钢,高强度TRIP钢,DP钢,马氏体钢,TWIP钢,车门防撞杆、保险杠和B柱,骨架件,CP钢,趋势,一、概述,一、概述,由上表可以看出，高强钢

5、板的s和b比低碳钢板高得多，而n值和r值却比较低，因此高强钢板的成形性能比低碳钢板差，成形极限比低碳钢板小。高强钢板虽与低碳钢板一样具有破裂和起皱问题，但由于s和b高，n值和r值低，影响贴模性的几何面缺陷和定形性问题更为突出。因此要保证高强钢板的冲压质量，不仅要避免破裂和起皱问题，更重要的是要想办法解决回弹问题保证零件的形状和尺寸精度。,（一）、高强钢板和普通低碳钢板性能比较,二、汽车用高强板零件工艺设计,（二）、3,高强钢板在满足尺寸公差方面，与薄钢板的冲压成形和其他加工方法（机械加工、锻造）有很大不同，这是由于在冲压加工时所产生应力分布的弹塑性变形对制件尺寸影响很大。因此，工艺方案、成形方

6、法、成形条件，对冲压成形时的尺寸精度影响非常大。经常看到的典型的尺寸精度问题有以下几种： 1、回弹（角度变化）： 夹着弯曲棱线的二个面的 夹角角度和模具型面角度 不相同的现象。如图所示：,二、汽车用高强板零件工艺设计,弯曲棱线,角度变化,2、壁翘曲及内凹 ：侧壁（纵壁）部的平面，变成带有曲率面的现象。如图所示：,3、扭转 ：与纵向轴垂直的二个断面发生回转的现象。如图所示：,二、汽车用高强板零件工艺设计,（三）、高强板梁类零件影响冲压尺寸精度问题因素及发生机理 1、高强板U形拉弯和回弹CAE分析 板料厚向异性系数r0 弯曲线平行于轧制方向成形时， 弯曲切向抗拉能力弱、收缩能力强， 将降低高强板成

7、形性能和成形极限。 在冲压深度与板宽比h0/b0=4.5、 R/t0=10的条件下， 有限元模拟结 果r0越大，宽向变形大、厚向变 形小，切向变形不充分使卸载回弹 增大。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 压边力对回弹的影响 自由弯曲时，弯曲切向变形不充分，卸载回弹较大。利用压料力拉弯成形时，可增大切向拉变形量，减小或消除板厚弹变形区域，减小卸载回弹。DP600高强板V形件拉弯的有限元模拟结果显示，随压料力增大，卸载回弹明显减小。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 凹模底圆角半径rda对回弹的影响 凹模底角半径rda大，U形件底部变形程度减弱，侧直边的回弹明显增大；减小rda可增强镦死效果，减轻侧

8、壁回弹。 凹模圆角半径rd对回弹的影响 减小rd可增强侧壁刚度并减小回弹，但在较大压料力情况下拉弯，有时可能导致法兰负回弹。,二、汽车用高强板零件工艺设计, 凸、凹模间隙 凸、凹模间隙大，板面 拉变形不充分，导致卸载回弹 增大，特别是侧壁回弹随增 大而明显增大。 凹模口跨度w 较大凹模口跨度w 使凸模 底非变形区面积增大，可能略 微增大卸载回弹，但对于有底 凹模或带顶出器弯曲时，w 的 大小对卸载回弹影响不明显。,凹凸模间隙对回弹的影响,凹模跨度对回弹的影响,二、汽车用高强板零件工艺设计, 拉弯深度h 与拉深变形不同，由于没有 周向压缩，拉弯深度h 越大，侧 直边中弹性变形积累越多，卸载 后产

9、生的回弹也相对增大了。 过大h 拉弯，不仅侧直边刚 度不足导致其本身弹性回复，而 且降低了法兰直边与凸模底部的 平行度。这种情况下，可考虑适 当加大压料力以增强侧直边成形 刚度。,二、汽车用高强板零件工艺设计,2、回弹（角度变化）产生的机理： 简单压弯梁类零件产生回弹的机理：压弯类零件基本都是几何形状比较简单的零件，他们在实际生产中所产生的缺陷基本都是角度变化缺陷，角度变化产生的原理，图示出的是在简单U字形弯曲成形时，在R部的角度变化例子。从图中可以看见，在弯曲成形中，在弯曲圆角外部，材料由于伸长而产生拉伸的应力，而在弯曲圆角内部，材料由于压缩，又产生了压缩的应力。但是在零件脱模后，由于存在弹

10、性变形和板厚内外应力释放，即发生了力矩，从而产生角度变化。,二、汽车用高强板零件工艺设计,1）、模具形状和产品形状对回弹的影响： 如图所示：这是一个简单U 型件压弯示意图 Rp:凸模圆角半径。Rd：凹模圆角半径。C：凸模与凹模间隙。 、凸模圆角半径的影响 凸模圆角半径越小角度变化越小，当凸模圆角半径为零时，其角度变化为零。凸模圆角半径越大其角度变化就越大。变形机理是弯曲半径小时，其圆角处的塑性变形量大，所以促进了加工硬化。反之弯曲半径大时，由于塑性变形量小，而使加工硬化变少。 、凹模圆角半的影响,在U形件弯曲过程中，当凹模圆角半径变大时，弯曲支点间距离大，在初期成形过程中形成的弯曲范围扩大，这

11、个被弯曲的范围，随着成形的进展，被弯曲回复,二、汽车用高强板零件工艺设计,，而出现弹出因素，因此，凹模圆角半径Rd越大，则角度变化越大。 、凸模与凹模之间的间隙的影响 在U型件弯曲过程中，凸模和凹具的间隙增加时，在成形的最终过程，由于材料和冲模形状不服帖，所以角度变化变大。模具的磨损，使凸模和凹模的间隙发生实质性的增加，因此必然产生角度变大。所以定期修整凸模和凹模间隙。是保证冲压件质量稳定必要手段。 、产品零件形状的影响 U型件形弯曲过程中，弯曲角度越大， 角度变化增大。这是由于通过减小材料向 凸模圆角处的卷绕角度，从而造成回弹发 生区域增大，以及加大弯曲支点间距离， 在凸模圆角近旁发生材料震

12、动缘故。成形 高度H越高，由材料振动引起的弹出也就越 大。如图所示,二、汽车用高强板零件工艺设计,、材料对角度变化的影响 a)、材料强度的影响 U形件在弯曲加工过程中抗拉强度b和屈服强度s的影响。经过对实际生产调试跟踪调查显示，随着抗拉强度和屈服强度的增加，角度的变化（回弹）就越大，这是由于随着抗拉强度和屈服强度的增加，板厚表里应力的弯曲力矩也呈线性增加的缘故。 b)、材料厚度的影响 板料厚度越厚，角度变化越小小。这是由于增加了板厚，从而提高了零件件的刚性。,二、汽车用高强板零件工艺设计,2)、回弹（角度变化）控制措施 、回弹补偿 、在产品许可的条件下，尽可能的减小凸模圆角半径Rp 、减小压弯

13、凹模圆角半径Rd 、合理的凸凹模间隙 、增大压料板压力 、产品侧壁增加加强筋,3-6,二、汽车用高强板零件工艺设计,、二次弯曲,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部 向纵壁移动,1次的弯曲,一次压弯,二次压弯,一次压弯,二次压弯,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部 向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,第1次弯曲R部 向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,1次的弯曲,第1次弯曲R部 向纵壁移动,压料板,压弯凸模,一次压弯,二次压弯,1次的弯曲,压弯凹模,第1次弯曲R部 向纵壁移动,压料板,压弯凸模,零件脱模

14、后,二、汽车用高强板零件工艺设计,产品名称：加强梁 材料 料厚1.2,二、汽车用高强板零件工艺设计,3、壁翘曲及内凹产生的机理 由图所示,圆角内侧板料受压应力而产生压缩变形。圆角外侧板料受拉应力作用产生拉伸变形，当零件脱模后，由于存在残余弹性变形和板厚应力差，使侧壁向外发生角度变化。由图a所示.与图b同理，当零件脱模后零件侧壁向里产生角度变化。零件侧壁上圆角处侧壁向外发生角度变化，零件侧壁下圆角处侧壁向里发生角度变化，发兰向下发生角度变化。在上下两个力矩的作用下使侧壁产生翘曲和内凹。即板厚方向应力差产生翘曲和内凹。,a,b,a,二、汽车用高强板零件工艺设计,凹模,凸模,压料圈,脱模后制件状态,

15、二、汽车用高强板零件工艺设计,1）、凸凹模形状和产品零件形状对壁翘曲的影响 、凹模圆角半径的影响 通过减小凹模圆角半径，使壁翘曲从外翘向内翘进行变化，最终形成可使壁翘曲大体为0的凹模圆角半径。内翘现象，是在凹模圆角半径变小时，在凹模圆角处发生材料弯曲变形产生的圆角处内凹形状，这个形状在纵壁的间隙内因为受到反向弯曲而产生的内翘现象。另外，材料强度越高，外翘倾向越强。为了能使壁翘曲达到0的模凹模半径的最佳值变小，必须根据材料强度和板厚，选择适当的模凹模圆角半径和凸凹模间隙。此外，在难以发生弯曲变形产生的加工硬化rd/t 4以上的区域，随着rd/t的减小，壁翘曲在逐渐减少。这是由于当rd变小时，在弯

16、曲、弯曲回复成形过程中产生的塑性变形（加工硬化）变大，板厚表里的应力差变小的缘故。 、凸模与凹具间隙的影响 凸模与凹具间隙c对壁翘曲的影响。凹模口圆角半径rd，作为发生反向弯曲被确认的rd/t=1.9为最佳理想值。间隙很小，c/t在1以下时，由于发生变薄拉深，减少了引起壁翘曲的板厚表里应力差，随着c/t的减少,二、汽车用高强板零件工艺设计,二、汽车用高强板零件工艺设计,，壁翘曲也随之减小。另一方面，即使大于c/t，由于在凸模和凹模的间隙内发生反向弯曲，而使壁翘曲减小。c/t为1（大约）时，壁翘曲达到最小，当c/t大于该值时，由于过大的间隙，使得反向弯曲变得缓慢，再次加大了（向）外翘（曲）的倾向。 、纵壁倾斜角度的影响 梁类零件在拉延成形过程中，倾斜壁和垂直壁不同，倾斜壁一方比垂直壁产生的侧壁翘曲小。这是由于在成形过程中中，当倾斜角度变大时，除了壁翘曲的发生区域变小之外，还在纵壁部发生了抵消外翘的材料振动的缘故。另外一种方法