摘要：通过对高强钢板结构件成形过程中在压料面上的流动特性、对变形形式的力学反映，进而确定合理的冲压工艺方案；同时分析高强钢板在结构件成形中弹性变形和塑性变形之间的比例和相互影响及其弹性滞后表现，研究高强钢板对补充成形的适应性，制定结构件回弹的预测、控制及相应的补偿措施。

高强度钢板已广泛应用于汽车车身结构件制造中（图1）。普通材料的冲压件模具调试周期为3 ～6 个月，修模两次左右即可达到制件精度要求，模具制造周期满足产品开发周期。而目前对高强钢冷冲压变形机理、回弹控制方法缺乏成熟方案，导致模具开发周期延长至6 ～9 个月。解决高强度钢板汽车结构件冲压变形机理及回弹控制难题，可以实现高强度钢板冲压模具产业化，缩短模具开发周期。

图1 高强钢在白车身应用占比

由于高强钢板汽车零件与普通深冲钢相比，σs和σb 比低碳钢板高得多，而n 值和r 值却比较低，因此高强钢板的成形性能比低碳钢板差，成形极限比低碳钢板小。高强钢板虽与低碳钢板一样具有开裂和起皱问题，但由于σs 和σb 高，n 值和r 值低，影响贴模性的几何面缺陷和定形性问题更为突出。因此要保证高强钢板的冲压质量，不仅要避免开裂和起皱问题，更重要的是要想办法解决回弹问题保证零件的形状和尺寸精度。

高强钢板回弹影响因素

材料各向异性对回弹的影响

图2为板料轧制方向的各向异性系数R0°变化时回弹角的变化情况。可以看出，材料的各向异性系数越大，变形时板宽方向变形越大，板厚方向变形越小，切向变形越不充分，因此回弹增大。

图2 厚向异性系数与回弹角关系

板料厚度对回弹的影响

图3 为材料性能参数和工艺条件均相同的条件下，板料厚度改变时回弹角的变化情况。可以发现，当凸模圆角半径R 恒定时，随着板料厚度的变化即相对径厚比R/t0 的变化，回弹会呈现出负回弹—正回弹—负回弹的变化趋势，当相对径厚比恰好为某值时，回弹角等于零，利用这一规律，可以通过优化设计找到最合理的凸模圆角半径和板厚的组合，实现回弹的最小化。

图3 板料厚度与回弹角关系

凸模圆角半径对回弹的影响

图4 为板厚不变情况下，凸模圆角半径分别取R=5mm、R=10mm、R=15mm、R=20mm 时回弹角的变化情况。随着R 增大，正方向的回弹角明显增大，凸模圆角半径增大4 倍，回弹角增大超过5 倍。

图4 凸模圆角与回弹角关系

图5 为不同凸模圆角半径的等效塑性应变分布图，圆角半径越大，发生塑性变形的区域越大，因此弹性变形区大，累积回弹量就越大，并且圆角半径大的板料变形程度越小，弹性卸载量大，回弹也会增大。

图5 不同凸模圆角的等效塑性应变分布图

压边力对回弹的影响

图6 为压边力变化时回弹角的变化情况。当压边力小于20kN 时，随着压边力的增大，回弹有明显的上升趋势，之后随着压边力的增大，回弹逐渐减小，当压边力达到100kN 时，回弹角已经接近为零。压边力对回弹的影响有两个方面，一方面压边力会增大板料厚向应变，使板料厚度减薄加剧，根据前面的分析，板厚越薄，回弹越大。另一方面压边力增大切向应变，使板料塑性变形更加充分，减小板厚方向内外应力差，此时回弹会减小。

图6 压边力与回弹角关系

高强钢板工艺设计案例

产品名称为A 柱左/ 右上加强板；料厚为1.8mm；材料为590YD；屈服强度σs 为340MPa；抗拉强度σb 为650MPa；各向异性r 为1.05；硬化指数n 为0.19；产品模型如图7 所示。

图7 产品模型

冲压工艺设计关键要素

⑴ 工艺规划，如图8 所示。

图8 工艺规划

1)冲压方向的确定。①保证在拉延工序成形出的产品没有负角，对于高强钢产品设计应该考虑至少6°拔模角，此产品最小拔模角10°，为回弹补偿留出预留量；形状尽量在拉延实现，避免后序由整形产生回弹扭曲等变形。凸模开始拉延时与拉延毛坯的接触状态，凸模开始拉延时与拉延毛坯的接触面积要大，接触面积尽量靠近制件中心位置。②理想的修边方向是90°，允许的修边角度为正负15°。

2)构建合理的拉延工艺补充模型。确定压料面的基本原则，拉延深度均匀，板料毛坯接触凸模面积尽量大。产品都在凸模成形，避免形状在压料上尺寸不稳定。

⑵模拟分析。

1)模拟分析材料与实际使用材料相一致，缩小由于材料不对应导致理论与实际差异。板料轧制方向必须满足项目要求。

2)拉延数模比例放大，综合考虑零件的尺寸精度、放件状态、压料状态确定合理的比例放大系数。

3)压料面进行里外拆分，里圈设置所需压料力，外圈设置5T，实现压料里紧外松，与加工数模里圈+0.1 加工相一致。

4)拉延后板料控制，单条拉延筋时，成形到底时要保证收料线距拉延筋外侧切线至少5mm；双拉延筋时，保证收料线不能进入外筋中心线。

5)收敛性检查：drawing/forming 阶段迭代次数一般应小于40(最大可放宽至80，但绝不允许发生强行收敛现象)；gravity/locating 阶段迭代次数可以超过40，但必须小于300；closing 阶段超过40 属于正常，但需要检查。

回弹分析及补偿设计

根据AutoForm 软件的回弹分析，首先确定制件回弹产生的时间点及机理，工艺设计上通过调整压边力、凸模圆角、凹模口圆角、拉延深度、拉延筋强度等关键控制因素综合考虑优化回弹量，初期对于制件回弹量大或扭曲严重的情况，需要通过调整工艺方案或增加上压料等手段优化，最终得到一个稳定且回弹量小的工艺方案，其次进行精算分析及回弹补偿，以达到最优的尺寸精度。

结论

高强钢板结构件常见的回弹形式主要是角度变化(回弹)、扭曲及壁翘曲，通过对高强钢板机械性能及回弹产生机理的分析，制定以下4 种方式进行预防。

⑴冲压工艺设计在产品设计SE 阶段给予合理的建议。对于零件的侧壁，产品设计应该注意留有翻边回弹补偿的余地，对于高强钢板产品设计应该考虑至少6°；弯曲半径小有利于减少回弹；产品形面过渡要平缓，避免急剧的截面变化；尽量避免多料和少料形状的翻边，此类形状成形结束后相应的会产生压缩和拉伸残余应力，导致产品发生扭曲。

⑵合理的拉延筋布置(图9)。普通钢板可采用周圈拉延筋布置形式，高强钢板应避免角部布置拉延筋，可以采用“八字筋”形式有效减小材料在角部的受压状态。

图9 优化拉延筋布置

⑶在合理范围内采用较小凸模圆角。凸模圆角R尽量小有助于减小回弹和侧壁翘曲，凸模圆角半径越小回弹越小，凸模圆角半径越大其回弹就越大。弯曲半径小时，其圆角处的塑性变形量大，所以促进了加工硬化，反之弯曲半径大时，由于塑性变形量小，而使加工硬化变少。

⑷梁类零件采用上下压料结构可有效减小回弹。此结构需要下气垫有延时功能，如气垫没有延时功能则需要特殊结构，如图10 所示。

图10 下压料机构的应用

作者简介

邵翠红

高级工程师，致力于白车身冲压件生产准备体系研究，并带领团队针对高强钢板零件成形过程中受机械性能以及板料厚度影响立项攻关，解决高强钢零件尺寸波动大的难题，大幅提升批量生产稳定性，为公司乃至集团的项目生准质量贡献力量。