高强度板和激光焊接板冲压件模具开发的质量控制

车身高强度钢板和激光拼焊钣冲压件模具开发的质量控制
朱树龙葛广跃
（河北兴林车身制造集团有限公司）
【摘要】∶本文从实践的角度总结了车身高强度钢板和激光焊接钣冲压模具开发的相关经验，阐述了此类钢板的冲压工艺设计、模具设计及模具材料选用、热处理、表面处理等方面的注意要点。

着重介绍了车身高强度钢板模具开发时的回弹、扭曲控制及工艺补赏量的选择，以供同行参考。

关键词∶高强度钢板激光拼焊钣冲压工艺模具表面镀覆回弹控制
1．前言
近几年，国内轿车及乘用车新产品开发数量逐年增多，车身设计、冲压件的选材也与国际接轨。

车身设计更讲究安全性、轻量化和精细化。

相应地高强度钢板、激光焊接钣等占车身冲压件中的比例也越来越高。

这给车身冲压模具的开发也提出了新课题，特别是高强度钢板冲压模具的开发较以前成熟的普通钢板冲压模具开发更具挑战性。

同样结构的零件用普通钢板材料可毫不费力地得到合格的冲压件，而用高强度钢板冲压确往往要承担零件回弹、扭曲量超差的风险。

兴林公司先后承接了数批长安福特公司C307、CD340、J48、CD132、J64K/E等项目的部分高强度板零件的模具开发，以及长安公司CV7、CV6的激光拼焊钣和部分高强度板零件的模具开发。

通过上述项目的模具开发，我们积累了一些经验，为今后我们圆满完成此类材质零件的模具开发创造了有力的保证。

以下就有关此类模具开发的几个要点总结如下，供同行参考。

2．高强度板的模具开发
2.1．选用适当的模具材料配以相应的热处理和表面镀覆处理，提高模具的耐磨性，保证模具寿命
由于高强度板材料的抗拉强度和屈服强度较高，一般为普通钢板的1.5～4倍。

高强度板的屈服强度σs≥210MPa,抗拉强度σb≥390 MPa以上，而超强钢的屈服强度
σs≥550MPa,抗拉强度σb≥980MPa. 如日本材料：SPCN590Y-N、SPHM440W-55/55、SS400-PS、SPHN440W-DS、SPCN440W-N、SPCM590Y-55/55等等，对应的宝钢材料：
B340/590DP、B260LYD+ZF、B280VK、B340/590DPD+ZF，甚至采用DP600、SPCN780Y-N、SPCM780Y-55/55、SPCN980Y-N等超强钢钢板材料。

这就要求模具的强度、硬度及耐磨性较冲压普通板材的模具须有显的提高，冲压工艺、模具结构设计、采用的模具材料和热处理方法与普通模具相比都将有所变化。

2.1.1．模具结构设计
由于冲压板材的抗拉强度和屈服强度较高，在模具结构设计时须充分考虑模具的整体强度和刚度，上下模座铸件筋的厚度应根据冲压板材的牌号及板料厚度相应增加。

2.1.2．模具刃口及型面的材料选用、热处理及镀覆处理
为提高模具型面及刃口的强度、硬度和耐磨性，保证模具的使用寿命，拉延模、成形模具，须根据冲压板材的牌号及板料厚度考虑是否采用型面镶拼合金工具钢（Cr12MoV、SKD11等）的结构，通过热处理保证型面硬度达到HRC60以上；
对于修边、翻边、整形类模具，刃口刀块需采用合金工具钢；（如：Cr12MoV、SKD11等）热处理保证硬度达到HRC62以上；
若冲压产品材料为抗拉强度≥590MPa以上的高强度钢板，模具寿命要求≥80万次时，上述合金工具钢材料除常规的淬火处理外，还需进行特殊的镀覆处理，如PVD（物理气相沉积法）处理等。

使模具刃口、型面硬度达到HV1800～3800。

在模具镀覆处理的要求中有的以得到镀膜的名称来命名表面处理方法。

如：TiCN（碳氮化钛）、TiC（碳化钛）、TiN（氮化钛）、CrN（氮化铬）处理等。

2.1.2.1关于PVD处理
PVD处理:它是高温回火材料为得到表面超硬度（HV2000～3800）镀膜的一种镀覆处理方法。

PVD: 即物理气相沉积（Physical Vapor Deposition），向真空装置中通入氩气等惰性气体，在辉光放电和等离子体放电的作用下使镀料温度上升，蒸发出气相镀料，此金属蒸气被辉光放电的阴极加速，并以很高的能量轰击产品表面，从而形成覆盖层的一种镀覆方法。

镀膜的基本特性和适用材质见下表：
表一镀膜的基本特性和适用材质
PVD方法的优点：处理温度在500℃以下，低于高速钢的回火温度，对于模具钢可以在低于高温回火的温度下镀覆。

对淬火、回火母材的硬度及精加工后的形状没有影响。

镀层具有硬度高、厚度均匀、表面光洁度高的特点，在确保产品外形尺寸稳定的前提下可显著提高产品的耐磨性，有效延长产品的使用寿命。

PVD方法的缺点：内孔或沟槽的镀膜效果不好，该方法不适宜于用在有较深沟槽的
模具及深拉延模等方面。

由于PVD 处理的温度为450℃～500℃，故凡是热处理时回火温度低于此温度的材料，均不能进行PVD 处理，否则，会导致产品的硬度下降，尺寸变化。

2.2. 冲压工艺和模具结构设计时要特别注意考虑冲压零件的回弹和扭曲补偿
（1）高强度钢板零件由于其抗拉强度和屈服强度都很高，零件成形后的回弹变形大，
在制定冲压工艺时须充分考虑零件的回弹补偿和整形、校形工序的安排。

参考CAE 分析结果和运用以往开发高强度板模具所积累的经验，确定合理的回弹补偿量，在工艺数模中预先设计做出补偿。

目前的CAE 模拟分析软件，由于版本的原因尚不能对板料成形的回弹、扭曲作准确的模拟和得到考虑回弹补偿后的模具加工用数模，这一工作目前只能靠工艺设计人员来完成。

这就需要设计人员具有较强的专业经验才能做好。

以下是我们开发高强度板模具所积累的一些回弹补偿量数据的选取范围（见表二）
表二 高强度钢板回弹补偿量数据的选取范围
牌号
屈服强度
Mpa
抗拉强
度
Mpa
回弹补赏角度 （单向）
说明
B180P2、B210P2、 WSS-M1A347-A3、 H220YD+Z 、
H220PD+Z 、 H260PD+Z 、
B240/390DP 、 B250P1 ≥210
≥340 2°～ 3.5º
回弹补偿角还与制件的结构、形状、相对折弯半径（r/t)、板料厚度（t)以及
是否经过二次成形等因素有关。

需要根据不同的情况来确定具体的补偿值。

制件相对折弯半径（r/t)大、制件板料厚、折弯处经二次成形（如：拉延后需再翻边整形）
的情况，补赏值取上限数值，相反取下限数值。

SPHN440W-DS 、WSS-M1A347-A6、SPCM440Y-55/55、H340LAD+ZF 、B260LYD+ZF 、B280/440DP 、H300LAD+Z 、
B340LA 、H420LAD+ZF ≥260
≥440
3°～ 5.5º
SPCN590Y-N 、 B340/590DP 、
B410LA ≥340
≥590
4°～ 7º
SPCN780Y-N 、SPCM780Y-55/55、
B400/780DP ≥400
≥780
7°～ 10.5º
SPCN980Y-N
≥550
≥980
10°～13.5º
以下为某轿车的高强度板零件（零件材料为B340/590DP t=0.7）考虑回弹补偿的工艺实例：
图a 考虑回弹补偿量的拉延工艺数模 图b 工艺数模断面形状
保证变形充分性和均匀性的工艺“余肉”
（2）高强度钢板零件对材料变形的均匀性、充分性更为敏感，在工艺设计时，充分关注CAE分析零件变形充分性和各方向变形的均匀性的结果，在工艺补充部分
适当增加保证变形充分性和变形均匀性的工艺“余肉”，(如图a所示) 以减少
零件拉延和修边后的扭曲变形。

图c 拉延成形性CAE分析图片图d 修边回弹后与工艺型面的比较（CAE图片局部）
（3）当无法准确判定制件回弹补偿量时，冲压工艺和模具结构设计时适当增加后工序模具的零件符型面或增加整形工序，待激光切割完成修边件得到回弹、扭曲
量后利用考虑补偿量的整形工序校正零件。

3．激光焊接钣的模具开发
由于车身轻量化和等强度结构的设计要求，以及提高材料利用率等方面的考虑，在承载式车身梁类零件中和内板结构零件中，使用激光拼接板材的零件结构已越来越普遍。

在此类零件的模具开发中应注意以下几方面：
3.1、保证拼焊板接缝处的焊接强度，避免焊缝处拉延开裂。

特别是厚度悬殊较大的拼
焊板，焊缝处易形成应力集中的弱点。

在拉延时由于不同厚度的应变应力的突变，容易造成焊缝从边沿撕裂，必要时需有落料模切齐焊缝边沿面、消除应力集中点。

3.2、合理设定接缝处厚板段向薄板段延伸的拉延间隙让位区间。

此间隙的确定需视零
件在拼缝处的形状、拉延过程中材料的流向来确定。

原则上保证不阻碍厚板段材料流动的情况下，大间隙向小间隙延伸的区间越小越好，以避免薄板段因让位区间隙过大和零件结构形状的原因而可能产生起皱等缺陷。

3.3、通过CAE分析、合理设计工艺造型面，保证零件变形的充分性和变形的均匀性，
减少零件拉延及修边后的变形和扭曲。

下图为兴林公司2005年为长安公司开发的CV7项目左/右前纵梁内板零件照片。

零件材料为DC04的激光拼接板，板材为三段拼接而成，中段料厚t=3mm,两端料厚t=1.8mm。

产品零件型面落差为300mm，零件型面复杂、落差大。

该零件兴林公司已向主机厂送交
了合格制件，完成了整车批量试装。

图e 激光拼焊板制件---左/右前纵梁内板（中段料厚t=3mm, 两端料厚t=1.8mm）
2005.11.16。