中通道的冲压工艺与质量问题分析

许天宇 贾志洋 李庆伟130011) (一汽轿车股份有限公司,长春

Automobile Technology & Material - - 生 产现场 -

摘要:介绍了白车身零件中通道的产品特点和质量育成过程中的主要尺寸问题;对比了零3件种冲压工艺方案,从解决高强钢回弹、减轻零件褶皱等质量问题角度,确定了最佳冲压工艺方案;总结了零件拉延工序设计要点;通过优化拉延筋参数解决了零件局部褶皱问题,通过优化拉延筋参数减轻了拉延筋槽翘曲问题;阐述了侧壁位置回弹是零件尺寸问题关键,回弹问U题解决顺序是先解决侧壁型面超差问题、后解决法兰面型面和型底面超差问题。侧壁回弹OP10需要通过 拉延工序做回弹补偿解决,先解决基准孔区域侧壁型面回弹、后解决前后端口侧壁型面回弹,避免基准转换带来的工作反复;总结了模具型面补偿方案和回弹整改要点,对产品造型和基准设置提出了优化建议。关键词:中通道 冲压工艺方案 回弹补偿实施 产品优化TG386 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20170018中图分类号: 文献标识码: 1 零件介绍及尺寸问题

零件中通道安装在白车身驾驶室中下部,中通道前部与车身前围挡板总成搭接、后部与地板中部横梁总成搭接、上部焊接前地板。中通道零件的产

1 1 500 mm)品造型如图 所示,零件长度较长(长度 、

( 196 mm)有较大的形状起伏 高度差 、材质是的抗拉

590 MPA 0.9 mm强度 的高强钢零件、料厚 。高强钢材料成形后的回弹问题造成零件质量育成过程中40%出现较大的型面尺寸超差,型面合格率只有 左2 3右,型面超差状态如图 所示,问题点归纳为 类。a. 1, 2侧壁位置型面超差(型面超差位置 如图所示),表现为绕上部圆角( A点)的外张、侧壁根部

1984—), , , ,作者简介:许天宇( 男工程师学士学位研究方向为白车身零件的冲压和焊接技术。

b. 2,法兰面位置型面超差(型面超差位置 如2图 所示),最终表现为绕底部圆角(依次表现为绕A点、B点和C点的旋转)的上翘、端面型面最大超12 mm差尺寸 。c. U 3, 2形底面超差(型面超差位置 如图 所3 mm示),表现为型面向下凹陷、最大超差尺寸 。U总结零件型面超差问题,法兰面平面尺寸和形底面尺寸受侧壁尺寸状态影响;侧壁型面超差是零件最主要的尺寸问题。

2 冲压工艺方案

零件中通道的冲压工艺方案主要考虑侧壁和3 3法兰面回弹问题的处理,如图 所示,有以下 种工艺方案。 a. 1 OP10工艺方案 。 拉延凸模包含零件整个OP30型面, 整形工序分模线在零件上侧圆角内、整1形区域包含侧壁型面和法兰面型面;按工艺方案OP30制定零件回弹问题整改方案为在 翻边整形工序做回弹补偿,解决侧壁和法兰面的型面超差。b. 2 OP10工艺方案 。 拉延凸模包含零件整个OP30凸起的侧壁型面和侧壁第一个台阶面, 翻边整形工序设计为向下整形、向上翻边的“双活结构”,整形区域是侧壁位置型面、翻边区域是最外2侧的法兰边型面。按工艺方案 的拉延工序件的CAE塑性变形程度、零件型面回弹量和冲击线的4 6分析结果如图 、图 和图 所示;零件回弹问题整OP10改方案为在 拉延工序做回弹补偿,主要通过

OP30拉延工序解决零件侧壁型面超差问题;在 翻

OP30边整形工序解决法兰面型面超差点,同时 工序对侧壁型面整形、主要作用是保证面形状的尺寸稳定性。 c. 3 OP10工艺方案 。 拉延凸模仅包含零件凸OP30起的侧壁型面; 翻边整形工序分模线在零件法兰面凹台两侧上圆角、形成凹台并对外侧法兰3面整形。按工艺方案 的拉延工序件的塑性变形CAE程度、零件型回会弹量和冲击线的 分析结果7 8 9如图 、图 和图 所示;零件回弹问题整改方案为OP10在 拉延工序做回弹补偿,主要通过拉延工序解决零件侧壁型面超差问题、保证法兰面型面符OP30合理论;在 翻边整形对法兰面整形。 零件的主要尺寸问题为侧壁型面回弹产生在拉A延工序,主要表现为绕 圆角区域的旋转、外张;零1 3件产品设计有较大的上圆角(区域 和区域 圆角尺

R50 2 R20) 190 mm),寸 、区域 圆角 和大的高度( 上述OP30零件形状因素决定在 整形工序做回弹补偿的A方案只会使侧壁型面产生绕 圆角区域的弹性变形、不能解决侧壁型面超差问题。实际调试中验OP30 A证,即使通过 整形工序将 圆角下侧料厚减薄30% 1 mm的、也仅能控制 左右的回弹量;中通道零6 mm件的侧壁型面有 的回弹量,通过整形工序无法完全解决。 1基于以上分析,工艺方案 不是最优的工艺方

2 3案。工艺方案 和工艺方案 都能在拉延工序解决侧壁尺寸回弹问题,区别如下。a. 2工艺方案的拉延凸模区域更大,拉延工序件的塑性变形更充分,拉延凹模口设计为有台阶的工艺造型、形成过拉深结构[1],在拉延结束阶段形成对侧壁材料的有力拉伸、减少了板料成形后的残余应力;因此,表现的回弹量相对小。b. 3按工艺方案 的拉延工序,板料沿凹模口直接流入侧壁位置、形成高强钢特有的侧壁内凹缺

2陷,而且流入深度比方案 大得多、对侧壁型面影响大。c. 2, 3相比工艺方案 工艺方案 的拉延凸模小、压料面积大;因此,拉延工序件褶皱也相对小。d. 2 OP30工艺方案 的 翻边整形工序模具结构更简单,能更直接的解决法兰面的超差问题。

2综上所述,工艺方案 的拉延工序件回弹量相对小、更有利于解决零件的尺寸问题,而且可以减 小、避免高强钢材料特有的侧壁内凹缺陷。零件2中通道的冲压工艺内容按工艺方案 。

3 拉延工序设计

因高强钢材料经过拉延筋槽后会产生较大的翘曲,高强钢零件拉延工序设计尽量不设置拉延2,筋。按工艺方案 拉延工序不使用拉延筋的冲压CAE 10分析结果如图 所示:零件局部出现较大的褶皱。 褶皱出现的根本原因是零件拉延面设计高度不

17 mm 11一致、有 的台阶(由产品造型决定),如图所示。在拉延凹模和压边圈的作用下,拉延初期坯料底面将产生的材料堆积,随着拉延过程的继续、在拉延凸模上产生褶皱。因此,中通道零件的拉延工序需要设置拉延筋、消除褶皱问题,拉延筋选用槛形

12拉延筋、参数如图 所示。 增加拉延筋后,拉延工序又产生新的质量问题13 10 mm即法兰面翘曲,如图 所示翘曲高度达到 、

翘曲范围到达100 mm。如此大的平面翘曲量会造成如下问题。 a. OP10 OP20拉延工序件与 修边工序件废料

OP20刀干涉、导致拉延工序件无法在 修边工序定位。b. OP30影响 翻边整形工序整形效果,造成法兰面不平。

拉延筋附近平面翘曲缺陷是由于板料拉延过程中沿拉延筋上部圆角流出、产生沿拉延筋圆角

590 MPA的弯曲,常见于抗拉强度 及以上的高强钢

0.9零件。中通道的材料厚度是 、较一般高强钢结构件薄(一般 以上),高度大和圆角小的拉延筋都会加剧这种翘曲问题,尤其是拉延筋上圆角尺

OP30寸对其影响较大。调试验证, 整形对拉延筋翘曲平面有较好的校平效果、整形后的翻边平面不影响正常的点焊。综上所述,板料流出拉延筋槽产生的翘曲无法消除、但可以减轻,板料翘曲的范围需要控制、不能滑移到拉延凸模无后整形的区域。

R4 R10,因此,将拉延筋上R参数由 优化为 通过放大圆角的方案来减轻翘曲问题。按上述方

5 mm;案,板料经过拉延筋最大翘曲量减小为 不影

OP30 OP20响 翻边整形效果和拉延工序件在 修边工序的定位。拉延筋翘曲平面的滑移位置如图所示,对于示例零件不能滑移到凸模平面位置。

OP10中通道零件的侧壁回弹问题主要通过拉延工序解决,拉延工序的工艺造型和工艺参数至关重要,要点总结如下。a.拉延工序需要设置拉延筋,控制褶皱问题的产生。b.拉延筋采用槛形拉延筋、参数设计合理,拉 延筋高度不能太大、上圆角不能太小,否则会产生较大的翘曲现象。c.拉延筋槽产生的平面翘曲滑移位置需要控制,不能影响拉延工序件平面质量。d.拉延工序工艺参数稳定,能有效控制褶皱、减轻拉延筋槽翘曲、保证零件尺寸及型面回弹状态一致。e.拉延工序件尺寸稳定是零件进行回弹补偿的前提。

4 回弹补偿的实施

1 U由节 分析,零件的法兰面型面超差和 型底面的型面超差均受侧壁型面状态影响;因此,零件中通道的回弹补偿方案如下。a. OP10第一步,在 拉延工序做侧壁位置型面的回弹补偿,解决零件侧壁位置型面超差点。b. U第二步,侧壁位置型面合格后,实测 型底OP10面数值、在 拉延工序做回弹补偿解决超差OP30点。同时,在 翻边整形工序做回弹补偿、解决法兰面超差点。c. OP10第三步, 拉延工序模具调试稳定后, 1 mm U以内的侧壁型面尺寸(重点是零件前后 口侧OP30壁的功能尺寸)调整通过 翻边整形工序解决, OP30翻边整形模具在零件上圆角下切点位置采用0.3 mm)强压结构(示例零件强压值 。

4.1 侧壁型面整改方案

中通道零件质量提升的关键是侧壁位置型面回弹的解决,将详细叙述侧壁位置回弹补偿方案的实施。侧壁位置型面回弹补偿量需要多次反复更改、试验得出,具体工作流程如图 所示,数据采集和模具型面补偿方案是关键关节。4.1.1

数据采集的基准中通道零件尺寸大、截面差异大,使用检具很难检测出零件各个位置的理论与实际状态的差值。因此,采用白光扫描仪等逆向扫描设备采集零件数据,并与理论数据对比、精确识别超差位置和超差值、用于修正模具补偿量。

扫描基准的选取决定数据采集和回弹补偿的

15可靠性。如图 所示,中通道产品的加工基准(定位面和定位孔)设置在法兰面位置——零件型面回弹最大的位置,前期的数据扫描和采集无法使用零件的定位点定位。基于以上问题,数据扫描的定位点的选用分两个阶段。 a. U第一阶段选用零件 形底面和底面孔作为数据扫描的定位点,扫描零件自由状态下的数据状态。但由于扫描基准与零件检测基准不一致、存在基准转换问题,扫描数据的回弹状态与检具上零件状态存在一定的差异、主要体现在对区域3和区域 侧壁型面状态的差异。b.第二阶段选用零件的检测基准(基准孔和基准面)作为扫描基准,此时扫描数据状态及零件检测状态一致、是零件在检具体上的真实状态。能1使用零件检测基准作为扫描基准的前提是区域的侧壁回弹问题得到解决,自由状态下基准销可以顺利插入基准孔。4.1.2 模具型面补偿方案。15 U如图 所示的中通道产品, 型截面形状按1上侧圆角的差异可以划分为三个区域,区域 的上 R20 mm圆角 、理论分析表现在侧壁的回弹相对2 3 R50 mm小,区域 和区域上圆角尺寸 、理论分析2 3表现在侧壁的回弹相对大。区域 和区域 的侧1壁型面是零件的关键功能尺寸,区域 侧壁型面影响决定零件基准的状态。1结合节 数据采集状态的基准问题,中通道零1件首先应该解决区域 的侧壁型面回弹、保证零件自由状态下基准销可以顺利插入基准孔;然后以3零件基准孔和基准面定位,解决区域 和区域 的侧壁型面回弹。体现到模具型面补偿实施方案有两种。a. OP10仅补偿 拉延模具,如图 所示。这种模具补偿方案是拉延工序件符合产品的理论尺寸,拉延工序件在后工序模具定位稳定、不能产生变形。

OP10在 拉延工序的侧壁回弹补偿需要多次

OP30整改调试, 翻边整形工序的回弹补偿对侧壁型面没有作用(对于示例零件的拉延和整形工序拉延是带着阻力成形,圆角断面内外层几乎都是拉应力且超过屈服强度,所以回弹补偿效果好。翻整是几乎自由弯曲状态下进行的,圆角内外层

)有压应力、拉应力存在,所以补偿效果差 。基于以上原因,零件侧壁尺寸超差的情况下、选择方案作为侧壁回弹问题的模具补偿的实施方案。但实

1,OP10际调试中验证,按照方案 拉延工序件侧壁型面尺寸在后工序有较大的变化,这种变化量远远超出因修边、零件内残余应力释放导致型面的

U OP20零件中通道有较大的 型凸起,零件在OP30 OP40修边模具、 翻边整形模具和 修边冲孔模具的定位最初设计使用零件型面定位,定位方式无法保证工序件的精确定位。由于回弹补偿后的OP10拉延工序件无法与理论数据状态完全一致, OP20 OP30 OP40导致工序件在 、 和 的压料体作用OP20下产生变形。同时, 修边工序包含侧壁位置的立修边,如果压料体和凸模间隙不好、会造成侧壁型面在修边过程中变形。为了避免上述变形问 题、影响对零件侧壁型面尺寸的判断,采取的措施如下。a. OP20 U

修边冲孔工序在零件 形底面冲出OP30 OP40 OP30

和 工序模具定位孔,工序件在 和OP40工序采用孔定位。b. OP20 OP10

修边冲孔工序下模按照 拉延工序下模做模具型面补偿。综上,零件中通道侧壁型面的模具补偿方案22 OP10 OP20如图 所示, 拉延工序和 修边冲孔工序做模具型面补偿,回弹补偿的理想结果是经OP20

工序修边、拉延工序件内应力释放后,侧壁位置型面符合产品理论尺寸。 中通道侧壁型面( A旋转点的回弹)尺寸超差问题解决后,零件法兰平面尺寸超差成为主要问题(依次表现为绕B旋转点和C旋转点的回弹)。因绕B旋转点的型面回弹不仅影响C旋转点的型面回弹状态,而且也造成基准孔的尺寸超差、影响3区域 和区域 的侧壁回弹整改。因此,应先解决绕B旋转点的回弹、后解决C旋转点的回弹。4.2.1 B圆角区的型面回弹解决23 B 3 mm,如图 所示, 圆角区的回弹量 同时造2 3成基准孔超差、影响区域 和区域 侧壁型面状态15 (如图 所示)。零件理论立壁型面与冲压方向夹7°, A角 有较小的回弹补偿角度;但部分 圆角区域7°侧壁回弹的回弹补偿已经消耗了这 回弹补偿B角。因此,绕 旋转点做回弹补偿抵消立壁位置mm回弹量的方案不是最有效的方案。

B R8.7,量受上圆角影响较大; 区域上圆角设计为同时,没有装配关系。因此,对上述回弹的解决措OP10 B R8.7施:在 拉延工序将 区域上圆角由 减小R6.7( 23 24为 如图 、图 所示),通过减小旋转点圆角的方法控制回弹;经调试验证:零件的立壁型面3 mm 0.5 mm,回弹量由 减小为 基准孔超差问题也得到解决。 4.2.2 C旋转点的型面回弹解决。A旋转点和B旋转点的回弹解决后,绕C旋转25点的的回弹形式如图 所示:功能尺寸法兰面型1.5 mm,面最大回弹量仅有 回弹具体表现为绕下圆角和上圆角两部分。由于这部分型面均在翻边工序的分模线一侧,属于典型的翻边回弹问题;同时回弹量较小,通过减小无装配关系的圆角或者型面补偿的方案都可以解决,不做详细描述。

4.3 U型底面的整改方案

零件截面线长度不变原则,当零件侧壁型面U较理论尺寸外张时,型面表现为向下凹陷;当零U件侧壁型面较理论尺寸内收时, 型面表现为向上U凸起。零件 型底面的超差点受侧壁型面状态影U响;因此,先解决零件侧壁位置回弹问题,实测OP10型面底面超差状态,在 拉延工序做型面补偿解决超差问题。实际调试中验证,零件侧壁位置型面回弹解1 U ±0.5 mm)决后,区域 的 型底面的型面公差( 、满U 2.0 mm足产品要求;而区域 的 型底面超差 、区 3 U 0.8 mm U域 的 型底面超差 。区域 和区域 的OP10型底面需要在 拉延工序做回弹补偿、回弹补偿系数按 。

4.4 拉延模具型面补偿数据 4.5 回弹问题整改要点

拉延工序最终的模具型面及理论数模对比如26图 所示。 a. 1 4.5 mm区域 侧壁位置回弹补偿量最小 、区2 6.6 mm, 1 U域 侧壁回弹补偿量最大 区域 的 型底2 3U面不需要做回弹补偿,而区域 和区域 的 型底面2 mm 0.8 mm均需要做回弹补偿、补偿量分别是 和 。b. U侧壁和 型底面的回弹补偿量和回弹量的0.7~1); 1比值系数范围( 区域 比值系数最小。c. B C 2°拉延凸模 和截面向内旋转 、拉延凸模A 3°;截面向内旋转 从便于加工角度,压料面平面4.6 mm保持原有的冲压角度,实测高度降低 。1 2区域 、区域 和区域主截面回弹状态和回弹补偿状态均有差异,造成这种差异的原因主要是产品设计的不同:区域 上圆角尺寸较区域 和U区域 小,区域 较区域 侧壁和型底面设计有加强筋。 总结本例的中通道零件的回弹整改要点如下。a.侧壁位置型面回弹是关键,需要先解决。侧壁位置型面回弹主要通过拉延模具的型面补偿解决,翻边整形模具做型面补偿的方案没有效果。b.侧壁位置型面回弹整改有先后顺序,规避基准转换带来的整改工作反复。先解决区域 的侧壁回弹问题、保证零件基准孔的理论位置;然后以

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