冷沖壓汽車高強度縱梁開發(fā)實例

摘要

基于某MPV車型縱梁前段沖壓件模具設計制造實例, 利用計算機輔助有限元分析、沖壓件結構與模面設計、基準與公差設計等手段, 優(yōu)化縱梁工藝設計。將實物與理論分析相結合, 通過模具加工工藝的優(yōu)化、表面處理技術應用及調試影響參數(shù)控制, 得到符合整車要求的縱梁前段。結果表明:型面回彈補償量為1.251.5倍的回彈值時可得到相對優(yōu)化的模面, 拉延中底面扭曲及側壁內凹的控制可采用頂部壓料機構及拉延檻;縱梁前段側壁設計特殊公差01.0 mm有利于裝配;采用淬火后精加工工藝及表面處理提前實施可減少模具反復的調試;原材料性能的波動直接影響沖壓件穩(wěn)定性。

一、產(chǎn)品特征

該縱梁為MPV車型縱梁前段, 為左右件對稱設計, 設計材質為寶鋼B410LA, 屈服強度為410~560 MPa, 抗拉強度為590 MPa, 料厚為1.6 mm, 產(chǎn)品尺寸為2157 mm×250 mm×198 mm。
縱梁前段沖壓件造型如圖1所示, 該沖壓件主要特征是:在車身坐標Y向呈S型, 同時在車身坐標Z向有臺階, 側壁為縱梁加強板及車架橫梁焊接面, 法蘭面為前地板焊接面, 沖壓件底部和側面孔為安裝過孔。



圖1 縱梁前段(a) 示意圖 (b) 俯視圖 (c) 正視圖

二、工藝設計

1.拉延模面設計

模面設計整體采用開口拉延, 壓料面沿法蘭面展開, 豎直翻邊部分采用修邊后再翻邊工藝, 同時采用拉延檻工藝, 以控制拉延時板料流動。對于造型劇烈變化區(qū)域使用上模局部壓料, 如圖2所示。



圖2 拉延模面(a) 俯視圖 (b) 側視圖

補充完整的模面需要借助有限元軟件CAE分析其成形性, 對分析產(chǎn)生的開裂和起皺問題 (圖3) 首先通過模面優(yōu)化解決, 提出產(chǎn)品設計變更為備用方案, 產(chǎn)品的變更不能影響相關專業(yè)如焊裝、涂裝質量。



圖3 CAE模擬的模面缺陷

使用有限元軟件分析時, 回彈補償非常關鍵。模面的型面補償采用手動補償, 即借助UG或CATIA軟件修改模面, 以解決自動補償帶來的負角及塑性回彈補償缺失等缺陷。型面進行回彈后進行10次以上的“反算”, 通過軟件分析與現(xiàn)場經(jīng)驗 (1.25~1.5 mm補償量) 相結合, 得到相對最優(yōu)的模面。
工藝內容為OP10:拉延;OP20:修邊沖孔;OP30:翻邊整形;OP40:側整形;OP50:沖孔側沖孔。

1.基準與公差設計

保證模具、夾具、檢具采用統(tǒng)一的定位基準, 盡可能與車身定位系統(tǒng)中的定位點保持一致。縱梁定位采用傳統(tǒng)3-2-1定位原則即兩孔+面的形式。根據(jù)工藝內容, 在縱梁前段定位, 第1基準 (面) 比第2、第3基準 (孔) 對其定位穩(wěn)定性影響更大, 優(yōu)選考慮質量容易保證的縱梁底面而非法蘭面作為第1基準?？v梁底面為拉延1次成形到位, 一致性容易保證, 且除底面外, 單件檢具其他區(qū)域不設夾持點, 如圖4所示, 目的在于減少檢測時附加變形。



圖4 檢具定位基準

縱梁的搭接關系屬于典型的杯型件搭接, 如圖5所示?？v梁前段側壁設計正公差為0~1.0 mm, 其內搭接件設計負公差為-1.0~0 mm;特殊公差從底部R角處開始, 涉及有搭接關系的整個側壁;特殊公差的補償值直接體現(xiàn)在模具的加工數(shù)據(jù)中, 最終加工的模面是基于回彈補償、特殊公差補償以及理論分析與實物差異補償合成的型面。



圖5 縱梁焊接面

三、模具加工與調試

1.模具加工

理論分析與實物差異的補償直接影響模具數(shù)控加工模型。為了減小理論與實際的差異造成的加工偏差, 采用非量產(chǎn)模具鋼 (45鋼) 加工出件, 根據(jù)出件狀態(tài), 使用三坐標測量回彈值, 而進行實物的反向補償?；趯嵨锏姆聪蜓a償一般需要至少3輪以上驗證, 在出件狀態(tài)與理論分析基本吻合時, 才對量產(chǎn)的模具材料 (SKD11等) 進行加工。
將傳統(tǒng)加工工藝“粗加工精加工淬火”更改為“半精加工淬火精加工”, 目的是解決淬火后鑲塊變形造成型面偏差, 盡量減少回彈調整的反復。在拉延精加工之后, 不輕易調整拉延模型面, 以更好地控制底面扭曲。

2.表面處理

模具生產(chǎn)中, 板料流動與模具凸模和壓料面摩擦, 在生產(chǎn)約200件時模具表面溫度升高明顯, 導致沖壓件表面產(chǎn)生拉毛缺陷。如不及時處理拉毛問題, 導致碎屑粘連在模具表面, 繼續(xù)生產(chǎn)會導致沖壓件開裂。
在模具批量生產(chǎn)前, 需要對模具表面進行硬化處理, 如圖6所示, 常采用熔鹽滲金屬、滲釩等, 也稱TD覆層技術。通過熱擴散作用于工件表面形成一層數(shù)微米級的碳化釩覆層, 增加模具表面耐磨、抗拉傷性能。
雖然表面處理形成的覆層是微米級別, 但表面處理前后的模具生產(chǎn)的沖壓件狀態(tài)也存在差異。表面處理工作安排在模具出廠前完成, 在模具進入生產(chǎn)場地后的機床匹配性調試內容主要是坯料尺寸、機床壓力和凸凹模及壓邊圈間隙的調整。表面處理后的模具表面不允許補焊。因此, 模具進場后的調試主要通過側整形序模具調整, 目的在于減少拉延模具調試的反復, 減少調試工作量。



圖6 模具表面處理區(qū)域(a) 壓邊圈 (b) 凸模

3.模具調試

(1)機床參數(shù)。模具進廠前的調試參數(shù)確定, 模具首次上機床的機床參數(shù)根據(jù)CAE分析值設定。同時考慮坯料厚度偏差、原材料拉延過程減薄以及機床參數(shù)誤差等因素, 根據(jù)首件狀態(tài)對應調整參數(shù)。通過機床參數(shù)調整無法提升沖壓件質量時, 對模具進行整改。
模具進廠后調試主要是機床匹配性驗證, 參數(shù)一般按照進廠前固化的數(shù)值設定。參數(shù)的調整是基于機床的差異性, 因此應避免改變模具狀態(tài)。生產(chǎn)場地模具調試機床應為量產(chǎn)時的生產(chǎn)機床, 一般情況下不允許變更。
(2)板材性能。高強度鋼板的屈服強度為一個范圍, 如B410l A屈服強度為410~560 MPa, 因此, 不同采購批次的板料性能可能存在很大差異, 導致沖壓件質量波動非常大。保證供貨源的穩(wěn)定性才能相對保證沖壓件質量。
(3)模具整改。模具進廠后的型面修改是不可避免的, 應盡量通過調試整形模來實現(xiàn)調試目的, 拉延模型面的改動對縱梁調試工作是顛覆性的。拉延模的調試主要是驗證拉延件的一致性, 因拉延件屬于過程件, 其不能使用檢具檢測, 而采用游標卡尺測量開口尺寸來判斷是否合格。
模具調試時, 工序件存儲最好使用專用工位器具, 工序件之前不能有堆積, 如圖7所示, 目的是避免工序件堆積導致張口外張引起的測量數(shù)據(jù)失真, 而影響模具整改量的計算。



圖7 模具調試

沖壓件符合檢具后, 在焊裝白車身零件時仍會出現(xiàn)搭接間隙過大或搭接干涉等問題, 這是由公差累積、定位誤差導致的。因此, 在制件整改時還需重點關注法蘭面的相對偏差及搭接面的開口寬度。因當前工藝水平限制而難以解決的問題, 應綜合考慮工藝水平、開發(fā)周期、調試成本及對工裝的壽命等因素的影響, 必要時整改縱梁匹配件, 以保證白車身質量為最終目的。

四、結論

(1)CAE分析的起皺、開裂等缺陷首選通過模面優(yōu)化解決, 提出產(chǎn)品設計變更為備用方案, 產(chǎn)品的變更不能影響相關專業(yè)質量。
(2)模面的型面補償采用手動補償, 通過軟件分析與現(xiàn)場經(jīng)驗相結合, 可以得到相對最優(yōu)的模面。
(3)定位系統(tǒng)設計由各專業(yè)協(xié)同完成, 特殊公差的設計采用傳統(tǒng)經(jīng)驗設計, 可進一步探索3D公差分析軟件的應用, 使公差設計更合理。
(4)拉延模調試穩(wěn)定后再進行后序側整形調整, 拉延模的表面處理在進廠前完成, 模具進廠后的調試主要通過側整形序模具調整。
(5)使用量產(chǎn)時的生產(chǎn)機床進行模具調試、保證板料貨源穩(wěn)定及使用工位器具可有效保障模具調試工作的進行。

作者：楚偉峰 崔禮春 趙烈偉 孫連福 來源：鍛壓技術