林茂森 王俊麗 郭志勇

摘要：分別從造型特征，斜度，圓角等方面，探討零件“結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)”的合理性；從工藝型面構(gòu)建及設(shè)置等方面，提出其“工藝面設(shè)計(jì)”的注意事項(xiàng)；從激光落料排樣闡述了“坯料設(shè)計(jì)”解決材料利用率低下的問(wèn)題；從計(jì)算機(jī)輔助工程仿真過(guò)程闡述了“熱沖壓成型性分析”涉及的開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)與管控。從以上4方面探討“一體式門(mén)環(huán)”開(kāi)發(fā)過(guò)程涉及的熱沖壓成型工藝技術(shù)，為 “一體式門(mén)環(huán)”工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)，以便解決開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在的相關(guān)問(wèn)題，同時(shí)也能更好地降低其開(kāi)發(fā)成本及縮短其開(kāi)發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：一體式門(mén)環(huán) 熱沖壓 結(jié)構(gòu)工藝性 工藝技術(shù)

中圖分類號(hào)：TH16???????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B????DOI： 10.19710/J.cnki.1003–8817.20230008

A Brief Discussion on Hot Stamping Forming Technologyof Automobile “Integrated Door Ring”

Lin Maosen， Wang Junli， Guo Zhiyong

（Geely Automobile Research Institute （Ningbo） Co.， Ltd.， Ningbo 315336）

Abstract： This paper?discussed?the rationality of “structural technology design” of the parts from the aspects of modeling feature， slope， and rounded corners and so on， and?proposed precautions for “process surface design” from aspects such as process surface construction and settings， and?elaborated on “blank design” to solve the problem of low material utilization rate though laser cutting and layout， the paper also?elaborated on the development risks and control involved in “hot stamping formability analysis” from CAE?simulation process. The paper?explored?the hot stamping forming process technology involved in the development process of “integrated door ring” from the above four aspects， providing reference experience for the development of “integrated door ring” process technology， in order to solve the relevant problems in the development process， and also better reduce its development cost and shorten its development cycle.

Keywords： Integrated door ring， Hot stamping， Structural technology， Process technology

1?前言

隨著汽車用戶安全意識(shí)的提升、標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)車身剛強(qiáng)度系數(shù)的要求提高以及汽車廠家對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的追求，在許多新車型開(kāi)發(fā)過(guò)程中，引入了具備輕量化及高強(qiáng)度屬性的“一體式門(mén)環(huán)”產(chǎn)品?！耙惑w式門(mén)環(huán)”是采用硼鋼，如22MnB5、B1500HS、CR950/1300HS等鋼板，經(jīng)熱沖壓成型獲得一體式結(jié)構(gòu)形狀的門(mén)環(huán)。該一體式結(jié)構(gòu)的門(mén)環(huán)避免了傳統(tǒng)門(mén)環(huán)采用幾個(gè)零件進(jìn)行拼焊所產(chǎn)生的加工費(fèi)，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1?300?MP，不僅能夠滿足安全屬性要求，材料厚度比傳統(tǒng)門(mén)環(huán)薄，有利于降低車身質(zhì)量，開(kāi)發(fā)過(guò)程所采用的熱沖壓成型工藝技術(shù)是其開(kāi)發(fā)成功與否的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為此，以某款已成功開(kāi)發(fā)的車型的“一體式門(mén)環(huán)”產(chǎn)品為例，探討其熱沖壓成型工藝技術(shù)。

2?零件結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)

為了確?！耙惑w式門(mén)環(huán)”經(jīng)熱沖壓成型后能夠獲得無(wú)質(zhì)量缺陷的工件，應(yīng)考慮零件結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)方面的要求。常見(jiàn)的“一體式門(mén)環(huán)”質(zhì)量缺陷往往發(fā)生在圖1所示的6個(gè)部位，以下對(duì)這些部位的問(wèn)題及解決方案進(jìn)行闡述。

2.1 后門(mén)洞下圓角部位

后門(mén)洞下圓角部位為圖1的位置1，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

門(mén)洞分縫已定，其后門(mén)洞圓角R受“側(cè)圍外板”保持3?mm間隙的限制，門(mén)檻外板焊接面距離門(mén)洞焊接密封面的落差H較高，門(mén)洞密封面為伸長(zhǎng)類的翻邊成型，其底部圓角及邊界處易開(kāi)裂。解決方案如下：

a. 通過(guò)下門(mén)洞底部圓角盡量做大與緩過(guò)渡，或者做一斜面后再倒圓角，以減少過(guò)多進(jìn)料產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而帶來(lái)底部圓角開(kāi)裂，如圖2的方案1所示。

b. 從毛坯料型設(shè)計(jì)上做處理，將門(mén)洞圓角底部對(duì)應(yīng)的料型邊界設(shè)計(jì)為大弧度邊界，而不采用小弧度邊界，以增強(qiáng)邊界抗撕裂能力，如圖2的方案2所示。

2.2 后車門(mén)下鉸鏈面?zhèn)缺诓课?/p>

后車門(mén)下鉸鏈面?zhèn)缺诓课粸閳D1的位置2，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

鉸鏈安裝面的Y向坐標(biāo)值較大，與門(mén)洞焊接密封面落差大，在熱沖壓成型過(guò)程中此處先觸料（類似凸模圓角區(qū)域），隨著成型過(guò)程中進(jìn)料阻力的作用，此處的材料厚度不斷減薄；其落差面的高度越大，鉸鏈面及側(cè)壁受拉減薄的程度也越大。解決方案如下：

因密封面及鉸鏈面所需平面大小布置空間的限制，無(wú)法通過(guò)調(diào)整鉸鏈面的X向及門(mén)洞分縫，而整體加大側(cè)壁斜度。為此，通過(guò)變相增大開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的斜度，而減小非開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的斜度，以既彌補(bǔ)空間布置上的限制，從而解決減薄超差問(wèn)題，如圖3所示。

2.3 前門(mén)窗框門(mén)洞底部

前門(mén)窗框門(mén)洞底部為圖1的位置3，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

該窗框門(mén)洞的底部也是伸長(zhǎng)類的翻邊成型，因其兩側(cè)壁的銳角夾角a較小，落差H較大，所以在窗框的門(mén)洞底部進(jìn)料較難，易產(chǎn)生過(guò)分減薄開(kāi)裂，如圖4所示，解決方案如下：

• 加大兩側(cè)壁之間的過(guò)渡圓角或者形狀做緩，減小該窗框門(mén)洞底部所需的進(jìn)料量，避免過(guò)分減薄開(kāi)裂，如圖5a所示。
• 通過(guò)附近區(qū)域做平緩減小進(jìn)料阻力，從而避免底部的過(guò)分減薄開(kāi)裂，如圖5b所示。

2.4 A柱部位

A柱部位為圖1的位置4，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

門(mén)環(huán)A柱部位常存在外凸弧造型，零件側(cè)壁及底面屬于壓縮類的翻邊成型，在成型過(guò)程中，板料邊界易起波浪，從而底面產(chǎn)生不平整及褶皺現(xiàn)象，如圖6所示，解決方案如下：

通過(guò)在底面上增加一些加強(qiáng)筋造型，把成型過(guò)程中多余的余料進(jìn)行吸收，避免產(chǎn)生不平整及褶皺現(xiàn)象，如圖7a所示。

通過(guò)工藝補(bǔ)充上做個(gè)鼓包造型，吸收成型過(guò)程邊界不規(guī)則的波浪余料，從而減弱底面的不平整及褶皺現(xiàn)象，如圖7b所示。

2.5 前門(mén)下門(mén)洞圓角部位

前門(mén)下門(mén)洞圓角部位為圖1的位置5，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

許多門(mén)環(huán)此部位兩側(cè)壁間的圓角R較小，而與側(cè)圍外板搭接面到門(mén)洞密封面的高度H較大，R/H比值偏??；從而在門(mén)洞密封面邊界及底部圓角處較易發(fā)生開(kāi)裂，調(diào)試也很困難。A門(mén)環(huán)產(chǎn)品的R/H比值較大，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中該門(mén)環(huán)無(wú)成型性問(wèn)題，無(wú)過(guò)分減薄與開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)；而B(niǎo)門(mén)環(huán)產(chǎn)品的R/H比值較小，其底部圓角及密封面邊界較易開(kāi)裂，如圖8所示，解決方案如下：

a.?對(duì)上下部位的圓角做緩，減小進(jìn)料量及進(jìn)料阻力，如圖9a所示。

b.?在毛坯邊緣對(duì)應(yīng)的模具上增設(shè)上活動(dòng)塊，該活動(dòng)塊預(yù)先接觸門(mén)洞拐角的毛坯料邊緣。因熱板在高溫下比較軟，該活動(dòng)塊在一定程度上能預(yù)先儲(chǔ)備部分材料，有利于減少下門(mén)洞底部成型所需的進(jìn)料量，從而減弱其開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖9b所示。

c.?做結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)R/H≥2.1布置，以避免這種內(nèi)翻孔伸長(zhǎng)類的成型部位發(fā)生開(kāi)裂。

2.6 門(mén)檻前端部位

門(mén)檻前端部位為圖1的位置6，其常見(jiàn)的問(wèn)題如下：

門(mén)檻前端處是外凸圓弧造型，其底部的法蘭面較容易產(chǎn)生不平及褶皺，解決方案如下：

減弱造型的外凸程度，如下圖進(jìn)行構(gòu)造大斜面造型；或在底部增加三角筋或者圓筋特征進(jìn)行吸料以減弱底部法蘭面的不平及褶皺狀態(tài)，如圖10所示。

3?工藝面設(shè)計(jì)

因熱沖壓成型的“一體式門(mén)環(huán)”局部成型困難，無(wú)法采取冷沖壓的過(guò)拉延或者過(guò)翻邊的工藝，也無(wú)法采用先修邊后翻邊整形的工藝，其工藝面設(shè)計(jì)需注意以下事項(xiàng)：

a. 工藝面上需包含“一體式門(mén)環(huán)”所有的型面特征，避免在沖壓方向上出現(xiàn)負(fù)角；

b. “一體式門(mén)環(huán)”因涉及與A柱、門(mén)檻、B柱及上邊梁搭接，其空間型面特征較復(fù)雜，需構(gòu)造一些輔助型面彌補(bǔ)原型面的急劇變化，使工藝面整體較平緩，板料均勻走料；

c. 在不影響成型性及材料利用率情況下，應(yīng)避免分模線設(shè)置在門(mén)環(huán)產(chǎn)品的型面內(nèi)部，避免成型后的坯料邊界位于下模壓邊圈上，保持壓邊圈和上模的間隙壓料；在模具閉合時(shí)不需要最終貼合，降低熱成型模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；

d. 工藝面上按進(jìn)料狀態(tài)及成型風(fēng)險(xiǎn)做一些平緩過(guò)渡造型、鼓包造型與加強(qiáng)筋等，并按需拆分各活動(dòng)塊及壓邊圈，彌補(bǔ)成型過(guò)程中可能出現(xiàn)褶皺，開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷。

4 坯料設(shè)計(jì)

“一體式門(mén)環(huán)”矩形門(mén)環(huán)坯料存有門(mén)洞1、門(mén)洞2及A柱上風(fēng)擋區(qū)，該區(qū)域材料無(wú)法利用。為此引入了激光落料的工藝方式，通過(guò)在門(mén)環(huán)門(mén)洞位置及A柱上風(fēng)擋區(qū)等廢料區(qū)域，布置其他熱成型零件坯料的方法，解決其材料利用率偏低問(wèn)題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用激光落料工藝方式，“一體式門(mén)環(huán)”的材料利用率可以從原有42%左右提升至60%以上；從而消除較高的零件開(kāi)發(fā)費(fèi)用。優(yōu)化前后的排樣，如圖11所示。

5?CAE熱沖壓成型性分析

為了提前規(guī)避工藝開(kāi)發(fā)可能存在的成型性風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為模具開(kāi)發(fā)涉及活動(dòng)塊拆分、行程、壓力設(shè)定以及水道初步設(shè)置等提供設(shè)計(jì)依據(jù)，引入了“一體式門(mén)環(huán)”的計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer-Aided Engineering，CAE）的熱沖壓成型性分析技術(shù)。常見(jiàn)的熱沖壓成型性分析的仿真軟件有Auotform、Dynaform及Pam-stamp。以Autoform軟件為例，介紹“一體式門(mén)環(huán)”的熱沖壓成型工藝仿真技術(shù)的運(yùn)用及過(guò)程，如下圖12所示。

通過(guò)以上步驟的CAE模型建立，可以獲得相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于有成型性風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，通過(guò)調(diào)整“一體式門(mén)環(huán)”的工藝面、重新拆分活動(dòng)塊、重新設(shè)置壓力、行程等參數(shù)或合理修改零件結(jié)構(gòu)等方式優(yōu)化后重新計(jì)算分析，直至分析結(jié)果滿足成型性要求，以提前規(guī)避工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)。比如，針對(duì)2.2節(jié)中闡述的后車門(mén)下鉸鏈面?zhèn)缺诓课?，存有分析開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)結(jié)構(gòu)工藝性的優(yōu)化，提前規(guī)避工藝開(kāi)發(fā)上的成型性風(fēng)險(xiǎn)，避免后期產(chǎn)生整改成本及延長(zhǎng)開(kāi)發(fā)周期，優(yōu)化前后的CAE分析結(jié)果如圖13所示。對(duì)于精確的水道布置，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還需通過(guò)流體仿真軟件進(jìn)行精算，以控制板料淬火工藝的冷卻速度符合材料的中文名稱（英文全稱，CTT）曲線等要求，為“一體式門(mén)環(huán)”在高溫下的奧氏體組織向馬氏體組織順利相變提供理論保障。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及低碳排放趨勢(shì)，輕量化屬性的“一體式門(mén)環(huán)”產(chǎn)品在新車型上的運(yùn)用越來(lái)越多，其熱沖壓成型工藝技術(shù)也備受關(guān)注。針對(duì)“一體式門(mén)環(huán)”的常見(jiàn)區(qū)域質(zhì)量問(wèn)題，分析結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計(jì)的解決方案；針對(duì)不同于冷沖壓工藝，分析工藝面設(shè)計(jì)需注意的事項(xiàng)；通過(guò)引入激光落料工藝方式，改善其坯料排樣布置；通過(guò)引入CAE的成型性分析，提前識(shí)別了工藝開(kāi)發(fā)過(guò)程的成型性風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行相關(guān)管控。

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