高强度圆筒件拉深工艺研究

文/刘裕中，柴武倩·广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院

随着对汽车车身安全及使用工况的要求不断提高，高强度钢在车身的应用比例也越来越高，且随着冲压仿真分析方法的不断提高，使深冲压零件采用高强钢替代普通强度等级钢材成为可能，从而大幅提升了零件的强度等级。本文以某汽车车型圆筒形零件为研究对象，基于AutoForm R7金属板料成形性分析软件，对S420MC高强度钢的拉深性能进行研究。

产品信息

图1为某车型安装支座产品图，零件尺寸为126mm×126mm×81mm，材质为冷成形热轧结构钢S420MC，料厚为3mm，具体材料参数见表1。

表1 S420MC材料参数

传统工艺方案制定

传统冲压方案

根据高强钢板的成形特点，如果此零件采用一次冲压到位的工艺方案，则会出现零件开裂的现象，因此为防止拉延开裂，制定了五工序冲压成形的工艺方案，如图2所示。

传统冲压方案分析结果

如图3所示，通过对传统冲压工艺方案进行分析，在冲压至工序4时，顶部圆角开始出现开裂风险，到工序5时，顶部圆角部位已经完全裂开，这主要是由两方面原因导致的。首先，高强钢材料的延伸率更低，成形性差，相比普通低碳钢材料更容易开裂。其次，由于采用传统方案，每工序成形之后，上圆角部位的材料减薄就会更严重一些，工艺上难以避免。如果要保证不开裂只能增加工序数，这样势必增加成本。

图1 某车型安装支座产品图

图2 传统冲压方案

图3 传统冲压方案分析结果

通过以上分析结果可以知道，传统工艺方案主要是存在圆角开裂的问题，因此不适合进行高强钢的深冲压，需要新的冲压方案才能满足高强钢的深冲压。

新工艺方案制定

为解决在现有冲压工艺方案下，进行高强度钢板的深拉深过程中圆角开裂的问题，同时不增加模具工序数，就需要增加圆角部位的储料以实现材料在成形过程中流料量更大，成形更均匀充分。通过深入解析传统工艺，可以发现圆角部位开裂主要是由于成形过程中，顶部材料无法流入圆角区域，因此优化方案需要增加顶部材料向圆角的流入，这样就可以解决冲压开裂问题。

冲压方案优化

图4为第1序至第5序的凸模截面图，可以看到与以往传统工艺方案最大的不一样在于从第一序开始是一个圆弧形凸包结构，然后再逐渐过渡到第五序成形至最终形状，主要体现在拔模角和深度的变化。

图4 新冲压方案凸模截面图

工艺补充设计

这种新的成形技术与传统方案的区别在于并不是采用筒形的拉深成形方法，而是从工序1的半圆形凸包状开始成形，后工序逐渐减小拔模角增加深冲压高度，并最终成形为产品形状的过程。图5为优化后的冲压工艺方案，各工序之间为相互紧密联系关系，即前工序与后工序之间存在关联度。首先工序1采用大的拔模角度，上部为球形，这样有利于材料的进料量最大化。接着工序2拔模角减小10°，成形深度增加8.7mm，圆角半径进一步减小，工序3拔模减小10°，成形深度再增加5.6mm，工序4拔模角减小5°，成形深度基本保持不变，工序5为最终产品形状，拔模角减小了3.3°，高度减小4.2mm。

CAE可行性分析

分析参数设置

采用Autoform R7软件进行CAE分析，如图6所示，板料采用直径210mm，料厚3.0mm的圆形板料，工序1采用拉延工艺，压边力设置为100kN，工序2到工序5采用成形工艺，摩擦系数为0.15，分析精度为FV。

分析结果

如图7所示，通过对每一工序进行详细的CAE分析，可以看到材料的减薄情况，圆角部位最大减薄17%，未超过材料的最大减薄要求，成形性可行。

如图8所示，从零件成形极限可以看到在产品底部存在开裂，通过FLD图可以知道，此处开裂位置为压缩-拉深状态，查看此处成形后，料厚为3.6mm，料厚增加21%，因此判断此处不会存在开裂。

通过CAE分析对比传统工艺分析结果可以发现，新工艺通过顶部储料，增加材料进料等优化手段，使顶部圆角材料流动更充分，解决了圆角开裂的问题。

现场验证

经过5工序的冲压，实际试模结果如图9所示，整体质量较好，顶部圆角未发现开裂，法兰边也未出现起皱情况。

图5 优化后的冲压工艺方案

图6 料片形状与大小

图7 优化后方案分析结果

图8 底部开裂结果评判

图9 现场验证结果

如图10所示，测量侧料圆角部位厚度为2.5mm，减薄量为16.7%，实际冲压结果与CAE分析结果基本一致。因此通过对冲压方案进行优化，可以保证零件冲压顺利。

结束语

在对此圆筒形的高强钢零件进行冲压工艺制定过程中，首先通过在冲压工艺上增加顶部储料，可以有效解决在最后一序成形时，由于材料流入不够导致的顶部冲压开裂，其次从第一序起采用了凸包成形，通过后工序逐渐缩小拔模角以及逐步增加成形深度的成形方式，可以使零件在成形过程中得到均匀的变形，材料的流入性能也得到了提高。最终在CAE分析结果及实际冲压验证后，得到了满足使用性能要求的零件。

图10 现场验证结果