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      高強度板汽車零件的工藝設計和模具開發

      放大字體  縮小字體 發布日期:2015-02-24  來源:化工原料網  瀏覽次數:2344
      核心提示:現代汽車結構、性能和技術的重要發展方向是減重、節能、降低排放和提高安全性。汽車的質量和能源消耗成線性

      現代汽車結構、性能和技術的重要發展方向是減重、節能、降低排放和提高安全性。汽車的質量和能源消耗成線性關系。據統計,汽車質量每降低1%則燃耗可降低0.6%~1.0%。能耗又與尾氣排放密切相關。因此,汽車輕量化對節能和環保意義重大。為了適應現代汽車生產需要,板料供應商開發了具有成型性好、強度高等優點的高張力鋼板。對于模具供應商來說,板料性能是影響零件成型性能和模具使用壽命的關鍵因素。板料強度的提升直接影響到模具設計和沖壓工藝編制。較高強度的板料會導致零件成型、沖壓件的尺寸精度、重復性保證難度提高,零件回彈加大、模具本體磨損加快、使用壽命縮短。為了解決以上問題,必須在工藝設定、模具結構設計上做出相應調整。

          汽車用高強度板料的種類和特點

          汽車用鋼板按其用途應用了各種強化機理。傳統的汽車用鋼板主要是采用向低碳鋼中添加合金元素形成固溶強化型鋼以及晶粒細化的析出強化型鋼2種方式來實現低碳鋼的高強度化。而現代汽車高強度鋼板則是采用鋼在冶煉及熱處理過程中使其金相組織得到強化的機理,而獲得組織強化、復合組織強化、相變強化、熱處理強化、冷作硬化強化和時效強化等現代高強度鋼。近幾年,這些高強度鋼軋制的鋼板在汽車制造中獲得了廣泛使用。

          (1)烘烤硬化鋼(BH鋼)。

          BH鋼的金相顯微組織以鐵素體為基體,并主要以固溶的形式進行強化。BH鋼的特點是所添加的化學元素磷在鋼的冶煉過程中能與碳、氮形成固溶強化,實現了固溶體強化。在車身制造過程中,當進行沖壓成型加工時,基體(鐵素體)內“位錯”密度增加,碳、氮原子向“位錯”擴散的距離縮短。當用BH鋼制造的車身進行涂裝時,車身在各烘干爐中被加熱/烘烤,此時便賦予了固溶體中碳、氮原子擴散的熱激活能量,使碳、氮原子在“位錯”處析出,從而增強了制品的屈服強度,故將其稱為烘烤硬化鋼。BH鋼常用于車門、行李箱外板等零件的加工。

          (2)雙相鋼(DP鋼)。

          DP鋼具有很軟的鐵素體和堅硬的馬氏體2種相。由于金相組織中含有大量的鐵素體(即金相組織的基體為鐵素體),它的伸長率相當高,塑性相當好,接近于添加磷等元素形成含有固溶體的傳統高強度鋼板。此外,鋼中硬質相馬氏體和軟質相鐵素體之間的應變不協調,但進行壓力加工時會引起相當高的加工硬化,從而引起DP鋼相當高的加工硬化,致使它具有相當高的抗拉強度,限制了拉伸時出現“縮頸”,具有良好的延展性和成形性。因此,它被用于對加工性有嚴格要求的薄板沖壓件,如車門加強板、保險杠等零件。

          (3)相變誘導塑性鋼(TRIP鋼)。

          TRIP鋼的金相組織中含有大量的鐵素體和相變引起的貝氏體以及殘余奧氏體和馬氏體,貝氏體組織可由中溫等溫得到,也可以在連續冷卻中得到。在TRIP鋼的貝氏體或貝氏體-鐵素體構成的基體(母體)金相中,分散地存在著馬氏體以及殘留的百分之幾到30%左右的的奧氏體。這些殘留的奧氏體在加工時,會再轉變為馬氏體,于是引起部分材料的強度提高,這就使得材料總體獲得良好的加工性,并且抗沖擊性大大增加。

          當前,世界各大鋼鐵公司生產的DP鋼或TRIP鋼的抗拉強度均已達到590~980MPa,并已進入實用化階段。新開發乘用車的前端車架縱梁、轉向拉桿下臂以及各車身立柱均采用DP鋼或TRIP鋼。

          (4)多相復合鋼(CP鋼)。

          CP鋼既采用了按晶粒細化機理提高延展性的措施,又采用了通過金相顯微組織硬化機理提高強度的措施,雙管齊下,提高了機械性能。必須強調的是:與雙相鋼DP相比,在相同抗拉強度800MPa的情況下,CP鋼的屈服強度明顯提高,并且較大。CP鋼還具有相當高的抗沖擊吸能特性和很高的殘留變形能力。因此,CP鋼既具有相當高的抗拉強度、高加工硬化系數,又有非常均勻的延伸性能。以CP鋼加工的制件為例,成形后再經涂裝時的烘烤、硬化,其抗拉強度可超過800MPa。

          (5)鐵素體-貝氏體鋼(FB鋼)。

          鐵素體-貝氏體鋼亦稱拉伸翻邊鋼或高擴孔鋼,這是因為它具有改善凸緣翻邊或長孔的拉伸能力。FB鋼可用來制造熱軋產品,其主要優點是改善了由擴孔翻邊試驗所測定的修平凸緣或翻邊所形成的邊緣性能。在這些方面,它優于高強度合金鋼和雙相鋼。與HSLA鋼相比,FB鋼在同等屈服強度的情況下,也具有較高的加工硬化系數n,并且增加了總的邊緣延伸量。此外由于FB鋼具有良好的焊接性能,它總是被用來生產沖壓大、中型車身覆蓋件的激光對焊板坯(TWB)。FB鋼的重要特點是:既具有良好的抗碰撞性能,又具有優秀的抗疲勞性能。 高強度鋼板在汽車上的應用及存在的問題

          1高強度鋼在汽車外面板上的應用

          車頂、車門、行李箱等部件要求具有變形剛度和抗凹陷性,主要使用抗拉強度為340~390MPa的BH鋼板。BH鋼板的屈服強度在烘烤涂漆時升高,可在不損失成形性的前提下,提高抗凹陷性,減薄鋼板?,F在,有的車型已使用440MPa級BH型高強度鋼板。

          2高強度鋼板在車體框架上的應用

          隨著正面撞擊、側面撞擊的撞擊安全性標準的提高,結構件、加強件等主要使用590MPa級高強度鋼板。也有一些使用780MPa級、980MPa級高強度鋼板。甚至有將390MPa、440MPa級高強度鋼板沖壓成形后,對強化部分進行高頻加熱和淬火,以使部件局部抗拉強度達到1200MPa并在沖壓加熱鋼板的同時進行冷卻,以使部件整體抗拉強度達到1470MPa的方法。此外,還有拼焊方法,即采用激光將不同厚度、不同材質鋼板拼合起來,使材料配置適用于所要求材質和使用部位。由于拼焊能使部件拼合,減少部件數量,去除點焊凸緣,這對汽車輕量化有著很大的作用。盡管拼焊材料在使用初期以提高材料利用率為目的,僅用于小型部件上,但最近已將拼焊材料擴大應用于車身側板和車箱底板等大型部件。拼焊板主要采用400~590MPa級高強度鋼板,也有使用780MPa級和980MPa級高強度鋼板的情況。

          3高強度鋼板在汽車底盤上的應用

          懸掛梁用材已從傳統的440MPa級熱軋板發展到780MPa,最大減重達30%。近年來,高強度鋼板在底盤上的使用比例正在急劇增加。今后,高強度鋼板的使用比例及更高強度鋼板的應用有望進一步提高。

          4高強度鋼板的成形存在的主要問題

          鋼板高強度化易引起塑性下降,成形性變差,而屈服強度的提高則引起面畸變和回彈效應,增加形狀不穩定性。典型的成形缺陷有開裂、形狀不良、尺寸精度不良和卡模具等。

          (1)開裂。

          提高高強度鋼板強度,易引起塑性下降,也會使脹形斷裂極限和拉伸翻邊斷裂極限下降。隨著鋼板的高強度化,易產生裂紋。另外,由于其需要大的成型力,連續加工時,若模具溫度升高,則發生卡模具現象,其結果將誘發裂紋的產生。

          (2)形狀不良。

          屈服點升高時,易發生起皺現象。起皺不僅會造成卡模和裂紋,也難以在成形后期消除,其結果往往導致形狀不良。由于不能在成形后期消除起皺,沖壓件不能在下死點成形。而且,成型后的彈性回復引起的形狀不良以及起皺引起的面應變也是很大的問題。

          (3)尺寸精度不良。

          材料強度升高時,殘余應力增大,易產生成形后彈性回復引起的形狀不良和尺寸精度不良(回彈)等。這是高強度鋼板成形中最為嚴重的問題?;貜検前搴穹较驊Σ钜鸬囊詻_壓件角度不合格和面翹曲為代表的尺寸精度不良現象。隨著材料強度的提高,角度不合格和面翹曲變得嚴重起來。

          (4)卡模具。

          高強度鋼板成型時需要大的成形力,以使坯料與模具的接觸壓力增大。這樣,易發生卡模具現象。若這一現象更為嚴重,則應修正模具。這不但需要有更為合適的材質對模具進行表面處理和淬火處理,也會縮短模具的維修期,增加模具維修費用。

          高強度板零件產品的沖壓工藝特點分析

          模具制造主要分工藝設計、結構設計、加工、鉗裝和調試等5個步驟。應該說工藝方案設計是影響零件最終品質的最關鍵的因素,工藝方案直接決定著產品的外觀和使用功能,而且也會影響到模具生產成本。另外,模具結構的合理性,將直接影響模具的加工性和操作維修便利性。對于梁類高強度板來說,材料的選用和熱處理至關重要。零件回彈和拉延模本體磨損拉毛是較難解決的問題。要想解決以上2個問題必須全流程控制,結合以上分析確定了整個項目關鍵控制點如下:·控制產品輸入(審查產品沖壓工藝性);

          ·最佳的沖壓工藝方案設計(不同強度板料采用不同方案);

          ·合理的模具結構(加工性、回彈調整便利性);

          ·鑲塊材料的磨損、拉毛(選擇合適的材料、熱處理方式)。

          1高強度板產品成型性預判

          ·消除突變凸臺;

          ·避免局部脹形;

          ·避免截面線長急速變化;

          ·防回彈措施;

          ·圓角:零件圓角必須足夠大,原則上不要小于8,否則拉延易破裂,而且整形后零件法蘭上翹。

          2高強度鋼板的缺陷控制技術

          鋼板高強度化易產生開裂、形狀不良、尺寸精度不良等沖壓缺陷。

          (1)防止開裂、形狀不良(起皺)的技術。

          鋼板的高強度化易引起成型性下降。因而,對原有復雜形狀的部件進行沖壓成形變得非常困難。然而,采用能使部件形狀平直化等的方法則是一種有效的方法。隨著電子計算機處理速度和軟件功能的提高,模擬成型技術有了飛速發展,可以高精度預測開裂、起皺等形狀不良缺陷?,F在,模擬成形技術已被應用于開裂、起皺預測、適用壓邊力設定、坯料合理余量設定和剛性筋沖頭形狀最佳化等。

          (2)防止尺寸精度不良(回彈)的技術。

          隨著汽車結構件用材高強度化的快速推進,近年來,在沖壓成形方面開發能防止回彈技術的呼聲日益強烈。為此,在模具結構方面采取了以下措施:①利用凹模肩部附近的反向彎曲,減小沖彎加工中常出現的面翹曲;②在模具上設置壓筋,將下死點附近的凸起部分壓入鋼板,使板厚方向產生的殘余應力得以緩解,以防止面翹曲的發生。此外,還有彎曲沖壓成型法,即在一次成形中完成全部成形過程的大部分,然后進行壓筋加工二次成型,施加高壓邊力,以抑制坯料從壓邊處流入。

          另一方面,在模具設計時預測坯料反彈量。預測模具形狀的方法已作為防止回彈的措施而被廣泛應用。模擬成型法是預測方法之一,其作用正越來越明顯,可以對裂紋和形狀不良進行高精度預測,該方法現已應用到實際工程中。

          (3)防止卡模具(影響生產率)的措施。

          新的薄膜處理方法——金剛石狀碳(DLC)薄膜處理方法可解決影響生產率的卡模具現象。此外,還有能使模具壽命比現行TiC和TiN處理提高1倍的DLC-Si薄膜處理方法。從控制模具成本角度考慮,還提出通過模擬成型,事先對需要進行表面處理部位進行預測的方法。隨著成形力的增加,沖壓設備能力不足也是值得擔心的問題。簡化沖壓件形狀以及采用拼焊材料是解決該問題的有效方法。這對增加成型工序道次及重新審查沖壓部件的劃分情況和工序劃分情況也是有效的,但這涉及到成本的增加,需加以認真研究。

          高強度板零件模具結構要點

          為了便于模具的加工和防止模具再工作過程中由于意外壓雙料損壞凹模鑄件,采用了一種全新結構,將凹模固定座分成左右2塊,中間用M24的雙頭螺栓進行連接,兩側用鎖板連接,底面臥在底板窩座中。在加工時左右分開便于加工中間凹槽部位,遇到工作意外時損壞螺栓和鎖板,保證鑄件的安全。

          對于高強度板梁類零件的特殊性,雖然前期零件已經過多輪模擬對回彈進行了修正補償。但是模具實物修正也是無法避免的。由于模具鑲塊均為Cr12MoV,型面部焊困難,而且補焊后局部材料硬度的偏差,容易在制件表面造成拉毛缺陷。其次,熱處理后的Cr12MoV鑲塊加工困難,而且材料成本高,因此,為了避免鑲塊報廢損失,決定先采用HT300做凸凹模鑲塊,待零件調試合格后重新更換Cr12MoV鑲塊,一次加工到位。

          鑲塊熱處理變形及開裂是模具處理過程的主要缺陷之一。模具鑲塊在淬火后的變形,不論采取什么方法都是無法避免的。Cr12MoV鑲塊在熱處理過程中由于各部分加熱和冷卻速度不一致而引起溫度差,加之組織轉變的不等時性等原因,使得鑲塊截面各部分體積脹縮不均勻,組織轉變的不均勻,從而引起“組織應力”和鑲塊內外溫差所引起的熱應力,當其內應力超過鑲塊的屈服極限時,就會引起鑲塊的變形或產生裂紋而報廢。

          CAE技術的應用

          計算機輔助技術(CAE)已成為國內外汽車工業開發新產品、組織規模生產、增強市場競爭能力的重要手段。隨著有限元技術的不斷發展和理論的日益成熟,借助于有限元模擬軟件,不但對上游產品設計理念和材料的選取有一定的指導作用,而且對模具生產企業的產品的工藝性制定和現場調試都有很大的幫助。通過對上游產品設計的指導,使產品設計和模具同步開發成為可能,大大縮短了汽車生產周期,增強了汽車生產企業的競爭力。通過對模具工藝制定的進行指導,使設計人員正確把握零件的工藝性能,弱化調試人員的現場作用,減少調試人員的工作量。

          高強度材料由于強度較高,成型困難,容易產生開裂、起皺、回彈等缺陷。借助于CAE模擬技術,成功預測零件在成型或者后序出現的缺陷,在零件生產時通過修改工藝,消除缺陷的出現。

          右/左前縱梁零件采用料厚為1.80mm的P260材料,該材料的抗拉強度為429MPa,屬于中低強度類鋼板,零件成型困難,易產生回彈和扭曲,在后工序翻邊時,圓角處易開裂,借助于AUTOFORM軟件,進行全工序CAE模擬,結果如下:

          由于產品材料較硬,延伸率較低,零件在圓角處由于缺料而產生開裂。一方面通過拉延工序增加凸包的方式,解決開裂缺陷;另一方面在翻邊工序時,采用先后翻邊的方式解決開裂問題。

          通過回彈補償和增加工藝凸臺等手段,減少調試工作量,避免零件重大工藝的修改,同時,也為我們提供了寶貴經驗。借助于計算機輔助分析軟件,在縮短產品開發周期,提高產品質量和降低產品成本等方面起到了決定性的作用。

          結論

          通過對汽車用高強度鋼板的應用,更多接觸和了解了當前國際先進汽車設計方案和模具工裝的發展趨勢,積累了高強度板零件模具設計制造經驗,取得了以下成果:

          (1)工藝方面。

          高強度鋼板類零件在成型過程中,容易出現的缺陷是開裂、起皺和回彈。

          ·盡量保持均勻的拉伸深度。

          ·考慮高強度鋼板的低材料延伸率,某些材料/產品(如車門內板防撞梁)需要考慮壓型成型。不過,這樣可能會有回彈增大、制件扭曲增大的風險。

          ·高強度鋼板制件應該盡量一次成型,由于一次成型后材料的應力強化,二拉或整形容易導致破裂,且更容易回彈或扭曲,難以得到理想的形狀。

          ·為了成型充分、避免壓邊圈起皺,高強鋼板拉伸需要用更大的壓邊力。

          ·對于地板橫梁、前倉縱梁、中柱加強板、頂蓋加強梁等制件,盡量考慮落料后成型的工藝。

          (2)模具方面。

          ·高強度鋼板料厚往往較厚,成型力和壓邊力很大。模具計時需要布置足夠的氮氣缸或氣頂桿,并預先驗證機床的成型力是否足夠。

          ·對應板料強度,模具材料強度應該足夠高,凹模大采用Cr12MoV鑲塊結構。高強鋼板外板拉延模一般表面要求特殊處理(如鍍珞和滲氮處理)。

          ·模具設計時必須充分考慮到回彈的處理措施,包括可能的鑲塊墊片重新加工、更換鑲塊,甚至于減小閉合高重新加工的情況。

          (3)回彈控制方面。

          由于在本構方程、材料性能等方面的原因,工程上準確模擬高強鋼板的回彈特別是卷曲是非常困難的,對于高強鋼板回彈的防治必須從好的產品設計開始,工藝上預先考慮可能的回彈及其防治手段。例如產品設計時,在翻邊面加筋或者臺階;工藝上采用補償回彈角或者斜楔整形方式等。

          (4)起皺控制方面。

          高強度鋼板由于成型性能較差,無法通過傳統工藝解決開裂和起皺的矛盾問題,只能通過好的產品設計來減少兩方面矛盾的風險,例如在產品易起皺的部位增加吸料筋包。另外,高強度鋼板料厚往往比較厚,材料在厚向應變相對于薄板材料來說影響更大,舉升力有時甚至大于阻力,因此,無法通過增加拉延筋的方式來消除起皺。

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      關鍵詞: 高強度
       
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