图1  前纵梁最终零件

汽车受冲击和缓冲部位采用高强板的增多，对模具设计过程中材料的强度、硬度、耐磨性、抗热性能（热稳定性、耐回火性、疲劳抗力和耐腐蚀性）及热处理工艺性能都提出了很高要求。本文就某前纵梁制件模具结构设计要点进行了探讨性总结。

出于汽车驾驶安全保障要求的提高，汽车生产企业在汽车受冲击和缓冲部位开始大量采用高强板，由此对模具设计过程中材料的强度、硬度、耐磨性、抗热性能（热稳定性、耐回火性、疲劳抗力和耐腐蚀性）及热处理工艺性能都提出了很高要求。回弹和扭曲是汽车制件制造的重要困扰因素。针对高强板材料屈服强度高、抗拉强度高个延伸率大的特点，我们不仅要分析成形工艺，进行成形工艺模拟运算和预处理，考虑模具材料选择，而且也要确定毛坯材料成形的结构要求。

模具实例

某前纵梁（见图1）使用的材料为高强度钢板SPHD/SPH440，由厚度为2.5mm、3.0mm和1.5mm的三种板材焊接而成，SPHD材料的机械性能指标σs为360N/mm2，抗拉强度σb超过600N/mm2，材料延伸率σ≥34%，是典型的高强度板，屈强比太高，成形困难，且成形后存在一定的回弹扭曲变形量。

从几何形状分析，该前纵梁零件长度达1800mm以上，型面高度差超过300mm，大部分是典型的几字型形状，中间局部断面没有凸缘，左侧断面一侧有凸缘，左右极不对称。特别是在中间3mm厚板料区域，产品的截面形状变化特别剧烈，型面高低差别大，产品局部区域的宽度仅为26mm。对于这种局部区域截面形状剧烈变化的梁类零件,要控制其成形质量是很困难的。在前后方向，零件左右端头存在明显的错位特征，极易导致拉延后的零件在前后向出现扭曲。

图3  拉延件

材料选择

高强度板材在冲压过程中将形成很大的冲压力和侧向力；拉延过程中在板材和镶块之间的强烈摩擦产生大量热量，镶块温度升高，可能导致镶块回火，从而硬度和强度降低；板材和镶块之间的强烈摩擦，材料的不均匀流动和起皱甚至将导致镶块拉毛和塌陷。

T8A和T10A高碳钢淬透性差、淬火变形大、耐磨性低以及强韧性和耐回火性差；Cr12MoV是莱氏体钢，其组织中有大量的共晶碳化物，淬火后有大量残留奥氏体，热处理后变形小、耐磨性高及承载力大。

Cr12MoV有高淬透性，截面为300～400mm以下者可以完全淬透，在300～400℃时仍可以保持良好硬度和耐磨性。

该前纵梁各工序工作镶块材料选择为Cr12MoV（在目前结构设计和热处理工艺选择中应用普遍），虽其韧性较差，但在冲压过程中结构上可使其避免受到弯曲变形应力等冲击载荷。现在，TD模具表面超硬化处理也逐步得到应用。

结构设计

该前纵梁工序安排为：落料（OP05）→拉延（OP10）→修边冲孔（OP20）→翻边整形、侧修边（OP30）→冲孔、侧冲孔、侧修边（OP40）→侧整形、侧修边（OP50），见图2。

高强板制件甚至在拉延卸载后，都存在回弹和扭曲，零件在各工序间的定位和取件是共同的问题。该拉延件（见图3）最终为开口拉延，回弹和扭曲将在拉延卸载和修边冲孔后出现，为给后序的零件提供精确的定位，在拉延工序上还增加冲裁两个定位孔，但由于顶面回弹和扭曲而定位失效被取消。拉延（OP10）采用板料轮廓定位，修边（OP20）采用型面定位，翻边整形（OP30）采用型面加轮廓定位，后序修边冲孔（OP40）采用型面加轮廓定位，开始冲制件孔和基准孔，最后一序侧整形（OP50）采用基准孔和型面定位。除了拉延，其余各序模具均采用气缸顶件，气缸加大一个型号防止零件回弹变形卡件。

高强板修边模结构和普通拼镶块修边模结构基本一致，但要着重考虑废料滑出、强度和侧向力平衡、巨大冲裁力导致的噪音、波浪刃口并采用结构缓冲等。下面将主要介绍高强板拉延模和翻边模结构设计的要点。

1.拉延

在拉延模设计中主要考虑的是拉延深度、制件毛坯定位方式及定位稳定性，防止压边圈压料过程中料的窜动，顶杆的布置是否合理，导向形式是否合理（内导向或外导向），双动拉延制件的取出考虑或顶出方式。在镶块拉延模设计中，还应考虑凸模、凹模及压边圈工作部分的镶块拼接方式和拼接角度及料流方向，镶块的底部连接方式和空间及加工深度，特别是压边圈镶块的底部螺钉与顶杆的布置、侧拉螺钉与定位板和平衡块位置的协调，侧拉螺钉孔的加工。考虑压边圈型面和凹模型面的变化产生的侧向力平衡。

在该制件拉延模具（模具结构3D简图见图4和图5）中，工作部分采用镶块结构形式，考虑锻打工艺性能和热处理工艺性能，确定镶块大小，避免出现尖角、凹槽、窄槽、壁薄、截面突变及受力不均等结构缺陷，在挡料板躲避缺口和分块型面尖角是影响镶块分块的主要问题，在“L”形型面处必须增加足够范围靠背。镶块拼接面与进料方向成一定夹角（大于等于拼接角度），避免在制件表面或拉延部分出现划痕和积削瘤。在压边圈上由于板料向内流动，镶块有向内移动的趋势，需增加键防止这种移动趋势。在凹模口处，镶块受到强大的外胀力，必须保证上模座铸件的承载能力，设计足够的幅板宽度和提升靠背高度。通常情况下，凹模外侧幅板有足够承载能力时，凹模镶块的中间拼接处模座将承受外胀力，在结构设计中保证此处的受力面积。

值得注意的是拉延的板料为三拼接板，拼接缝还有左右10mm的窜动，这就要求在拉延模分镶块的时候考虑拼接缝不要在板料的拼接处。

前纵梁制件顶面的斜面底部，拉延过程容易形成积料起皱。在拉延结构中使用单独压料器压料，防止拉延材料沿顶面上斜面流动产生积料，该结构注意下气垫顶起要滞后于单独压料器的释放。此结构在板料进入凹模口15mm左右，压料器才开始工作。

在拉延过程中，压料面斜面部分将产生较大的侧向力，将影响压料状态，在拉延凸模高端增加了一块导板与压边圈导向抵消凸模上的侧向力，在上模座高端增加了一块导板与下模座导向抵消拉延凹模上的侧向力，实现整个模具的力量平衡。

防止成形完后零件卡在凹模腔内取件困难，故在凹模适当的位置设置几个提供较大力量的氮气弹簧弹顶销。

2.翻边整形

翻边翻孔模和整形模的结构（模具结构3D简图见图6、图7、图8、图9和图10）

设计主要是考虑过程中侧向力的大小和方向及其平衡；其次是考虑制件修边后回弹的影响，这主要是回弹角的考虑和翻边整形行程的确定，以此来确定压料器的行程；再次是保证翻边翻孔和整形模的整体强度（特别高强板和厚板料的翻边整形）；最后是工作部分的镶块分块，如何保证各种类型翻边（凸翻边和凹翻边）的质量，以翻边轮廓线（注意理论翻边轮廓线和拉延制件上的翻边最初接触轮廓线可能不一致，最好是拉延制件上的翻边最初接触轮廓线）为基础的翻边高度对翻边是最好的（不会出现赶料的情况），为达到一定目的局部也可以作出波浪高度。翻边整形凹模镶块的轮廓转角半径应该大于0.5～1mm，这样对翻边整形会更好，但外板易出现不连续线，翻边高度较高、翻边角度较小时，模具打开过程中由于回弹摩擦也可能会将零件带变形甚至卡在凹模内。

对于高强板制件，拉延是解决高强板零件回弹和扭曲的基本所在，翻边整形则是高强板零件回弹和扭曲必要的后序解决手段，通过整形对残余应力区实施应力改造，使其应力达到平衡或残余应力导致的变形在许可范围之内。与普通翻边结构相比，高强板翻边整形模不仅在工序内容考虑中有更多局部变化，而且在结构中更应该考虑整形强度和力量传递与平衡。

通过对前纵梁拉延件的分析，制件顶面大部和中部的侧壁面将会有残余应力存在，在凸模R（拉延时为拉弯状态）处会有回弹存在。对于顶面可以采取局部分段区域小于料厚整形，也可以在拉延模中对变形区域采取分段区域小于料厚强力强压校正整形（凸形R部）。在翻边模中，对制件R进行校正；考虑回弹角度进行补偿，凹模镶块采用考虑回弹角翻边整形和小于翻边间隙的翻边整形。

（1）在翻边整形侧修边模具中，由于制件存在回弹和扭曲，压料器的行程受到影响，不同于普通翻边高度而必须考虑整个制件的高度。翻边轮廓线不能为侧壁和顶面的交线，而必须过凸模顶面R。为防止翻边整形过程中的侧向力，下模镶块与上模镶块增加铸件靠背，保证靠背足够厚度，同时在翻边镶块的对侧压料器上增加防侧导板。总之由于制件存在不均匀回弹和扭曲，必须在结构上考虑平衡与防止不同时和不对称翻边及整形导致的侧向力。

为保证压料器结构强度，压料器采用框架形式，同时加厚内部与外部连接处筋的厚度。为防止成型完后零件卡在凹模腔内取件困难，故在凹模适当的位置设置几个提供较大力量的氮气弹簧弹顶销。

（2）在侧整形侧修边模具结构中，同样考虑制件回弹影响。为考虑翻边整形侧向力，下模镶块增加键，同时在上模压料器上的轮廓上也进行了处理——压料器型面包含了R型面（普通模具则不含R型面）。

结语

通过对某前纵梁模具结构的设计和制造，我们得到了一些经验。在整个成形类模具的实际加工过程中，问题体现为针对制件回弹和扭曲相关问题的整改、拉延镶块的整体淬火问题处理方面及Cr12MoV镶块减少加工面问题处理3个方面。在目前情况下，高强板零件的回弹与扭曲不能在第一次冲压时就解决，整改是必然的，因而在结构设计中，不仅要保证结构合理，而且要在保证受力强度和力量平衡条件下，同时必须考虑方便于模具的调试整改。