沖壓深拉延件開裂問題的研究解決

賀前勇

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410100）

目前汽車覆蓋件的成型主要是冷沖壓成型，即利用沖壓模具在常溫下對(duì)平板料進(jìn)行拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等加工工藝。而拉延是指在冷沖壓過程中，將平板件通過拉伸使材料產(chǎn)生塑性變形而最終形成空心零件的工藝過程。拉延作為汽車覆蓋件加工的首道工藝，其過程質(zhì)量直接影響到零件的質(zhì)量。拉延的穩(wěn)定性不僅受到模具型面結(jié)構(gòu)的影響，還受到成型材料和設(shè)備的影響。困擾拉延最嚴(yán)重的問題是開裂，而當(dāng)拉延的深度不斷增加時(shí)，因?yàn)榘辶侠斐潭炔粩嗵岣撸_裂概率會(huì)大大增加，但是由于車輛造型的需要，往往會(huì)設(shè)計(jì)要求深拉延才能實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，因此，解決深拉延開裂問題，是現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本課題是針對(duì)深拉延件的開裂進(jìn)行研究，我們選取了某車型尾門外板開裂進(jìn)行研究，如圖1，該零件的拉延深度為270mm，材料延伸率為21.7%，型面角度60°。而沖壓常用的覆蓋件拉延深度在100mm～240mm之間，型面角度大于75°。由于該零件型面角度小，拉延深度大，故容易產(chǎn)生開裂。該零件導(dǎo)入后非常不穩(wěn)定，生產(chǎn)超過60件時(shí)開裂報(bào)廢率達(dá)到100%，無法實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。故作者為解決該拉延件開裂問題圍繞模具和設(shè)備展開研究。

圖1 模具截面示意圖

1 拉延力學(xué)模型

開裂是零件在拉伸過程中，拉伸力超過材料抗拉強(qiáng)度，材料部分位置失穩(wěn)產(chǎn)生破裂。拉伸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后如下圖，主要包括拉伸力、進(jìn)料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力。當(dāng)拉伸力大于材料最大抗拉強(qiáng)度時(shí)則出現(xiàn)開裂。而拉伸力是由進(jìn)料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力共同決定的。

圖2 拉伸后受力面變化

進(jìn)料阻力取決于模具壓邊圈的拉延筋結(jié)構(gòu)以及設(shè)備所提供的壓力。該課題模具的拉延筋已經(jīng)確定，并且通過AUTOFORM仿真軟件確認(rèn)為最優(yōu)，故進(jìn)料阻力取決于設(shè)備提供的壓力。

由于拉伸過程中材料是流動(dòng)的，故材料流動(dòng)過程中會(huì)和模具型面產(chǎn)生摩擦力。該摩擦力的大小受型面間的壓力和型面結(jié)構(gòu)影響。型面結(jié)構(gòu)按產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)，故主要取決于型面間的壓力。那么型面間的壓力又受上下模具閉合后的間隙穩(wěn)定性和設(shè)備本身提供的壓力穩(wěn)定性影響。

1.1 進(jìn)料阻力分析應(yīng)用

其實(shí)材料在拉伸過程中分為四個(gè)階段，彈性變形階段、屈服階段、塑性變形階段以及斷裂。那么每個(gè)階段所需要的變形拉伸力是變化的。

進(jìn)料阻力是由液壓墊提供的壓力決定的，目前所用參數(shù)提供的壓力在整個(gè)拉伸過程中是恒定的。并不能根據(jù)材料變形階段的變化提供相應(yīng)的進(jìn)料阻力。也就是說在開始拉伸階段，由于提供的壓力太大，那么相應(yīng)的進(jìn)料阻力也就越大。這樣在壓邊圈外面的材料無法有效地流入到模具中，從而導(dǎo)致最后拉伸過程開裂。

研究課題現(xiàn)場(chǎng)所使用的拉伸墊為液壓墊，相比于氣墊，液壓墊采用伺服閥閉環(huán)控制，其響應(yīng)更快，壓力更穩(wěn)定。由于目前對(duì)液壓墊的參數(shù)設(shè)定僅設(shè)定了成型所需要的最大壓力，忽略了變化過程中的彈性變形階段和屈服階段，導(dǎo)致在拉伸初期材料不能及時(shí)補(bǔ)充到模具中而導(dǎo)致開裂。事實(shí)上，伺服液壓墊是具有分段建壓功能的，其可以根據(jù)拉伸階段變化的需要調(diào)整相應(yīng)的壓力。

那么如何分段設(shè)定這些壓力呢，根據(jù)材料拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸長度的5%為彈性變形階段，拉伸長度的10%為屈服階段，拉伸長度的40%為塑性變形階段。故對(duì)壓力變化的階段劃分為彈性變形階段0mm～65mm～130mm，屈服階段130mm～160mm和塑性變形階段160mm～270mm。

1.2 材料流動(dòng)阻力分析應(yīng)用

我們知道，摩擦力的大小取決于摩擦表面的摩擦系數(shù)和垂直于摩擦表面的壓力。所以模具型面造型對(duì)摩擦阻力產(chǎn)生很大影響，但是模具型面造型取決于產(chǎn)品的形狀，故在模具加工完成后型面的摩擦系數(shù)一定。而另外一方面則是壓力，而壓力的大小由壓機(jī)提供的沖擊力和模具型面間的間隙共同決定的。所以型面間隙和壓機(jī)沖擊力的穩(wěn)定對(duì)拉伸品質(zhì)的影響至關(guān)重要。

（1）模具型面間隙的影響。型面間隙是指上下模閉合后的成型腔，型腔剛好就是我們成型零件的形狀。研究零件的厚度為0.75mm，所以型面間的間隙也約為0.74mm。當(dāng)型面間隙變小，則加載在型面和零件之間的壓力也增加。當(dāng)間隙大于零件厚度，則零件會(huì)出現(xiàn)反彈達(dá)不到精度要求。那么生產(chǎn)過程中型面間隙是否會(huì)產(chǎn)生改變，接下來我們對(duì)模具生產(chǎn)前和生產(chǎn)30件以及生產(chǎn)60件的間隙進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)如圖3：

圖3 模具間隙測(cè)量變化過程

通過以上數(shù)據(jù)可以看出生產(chǎn)過程中模具的型面間隙會(huì)隨著生產(chǎn)量的增加而變小，這是因?yàn)槔舆^程中，板件與模具型面摩擦發(fā)熱，模具受熱膨脹，導(dǎo)致模具間隙變小，而拉延的深度越大，摩擦的時(shí)間越長，產(chǎn)生的熱量則越多。經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)60件后模具溫度在59℃～63℃之間，升溫明顯。故可以確定模具因?yàn)樯郎囟鴮?dǎo)致間隙變化。目前所有的冷沖模均沒有采用專用冷卻裝置，只是采用自然冷卻方式。但是在伺服線上其生產(chǎn)節(jié)拍快，加之零件拉伸深度深，導(dǎo)致模具升溫快，故需要增加專用冷卻裝置以防止模具升溫變形。

專用冷卻裝置用熱力學(xué)公式校核，模具升溫約60℃，生產(chǎn)節(jié)拍14件/分鐘。

發(fā)熱量：Q=Cm△T=350*450*60=99660KJ。

平均發(fā)熱功率：P=Q/t=99660*14/80/60=28.2kw。

所需冷卻器流量：L=P/C/△T/ρ。

=28.2/1050/60/1.29=0.346m3。

冷卻器數(shù)量：n=L/l=346/190=1.82。

選型：PAJC450。

根據(jù)冷卻裝置的選型曲線，最終選定冷卻裝置。通過加裝該冷卻裝置后，模具最高溫度約為35℃左右。間隙也穩(wěn)定在0.74左右。

（2）壓機(jī)沖擊載荷的影響。由材料學(xué)的理論可知，金屬晶體內(nèi)部普遍存在局部排列不規(guī)則的原子，這種微觀缺陷即為位錯(cuò)。位錯(cuò)的生成與運(yùn)動(dòng)是造成材料發(fā)生塑變的主要原因。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)通過滑移沿著滑移面進(jìn)行。拉伸作用時(shí)，在同向于拉伸力外向滑移面發(fā)生移動(dòng)，塑變也沿其方向進(jìn)行。加載過快則會(huì)使滑移面移動(dòng)不充分，位錯(cuò)受阻；拉伸過快也會(huì)導(dǎo)致塑性變形不能及時(shí)均勻的傳遞，相應(yīng)的載荷也不能均勻傳遞從而導(dǎo)致應(yīng)力集中出現(xiàn)破裂。所以在拉伸做功過程中需要慢速拉伸。

根據(jù)這一理論我們需要降低拉伸過程中的速度以保證拉延質(zhì)量，我們隨后進(jìn)行了試驗(yàn)，在同等條件下對(duì)壓機(jī)設(shè)定不同的工作速度以看拉延的效果如表1。

表1 拉伸過程中拉延效果分析

通過測(cè)試，在壓機(jī)速度為10SPM的生產(chǎn)節(jié)拍下，可以完全避免開裂。但是10SPM的生產(chǎn)速度相對(duì)于高速伺服線來說節(jié)拍太低。故需要在不影響節(jié)拍的前提下降低拉伸速度。根據(jù)伺服壓機(jī)的特點(diǎn)，伺服壓機(jī)的整個(gè)工作過程其工作速度可以根據(jù)需要進(jìn)行編程，其編程是借助于舒勒的仿真軟件。在拉延開始階段根據(jù)上面測(cè)試結(jié)果將壓機(jī)速度降低到10SPM，而其他非拉伸做功過程壓機(jī)仍以最大速度運(yùn)行，這樣整體節(jié)拍仍然保證在15SPM左右。這樣實(shí)現(xiàn)慢速拉延后，零件成型更穩(wěn)定。

1.3 分析與討論

汽車沖壓覆蓋件屬于冷沖壓成型，拉伸成型受到的影響因素眾多。包括模具的結(jié)構(gòu)、拉延筋的結(jié)構(gòu)及數(shù)量、產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)、零件拉伸深度、設(shè)備的精度、生產(chǎn)的參數(shù)等等。前期產(chǎn)品因?yàn)樵O(shè)計(jì)的原因?qū)е铝慵Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉伸深度大，角度小等產(chǎn)品本身的缺陷而導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)無法完全保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。故需要加以考慮利用設(shè)備的性能來彌補(bǔ)模具的缺陷。

通過分析材料拉伸試驗(yàn)過程，對(duì)拉伸的影響主要有進(jìn)料阻力和材料型面間的摩擦力，當(dāng)進(jìn)料阻力越大，則材料流入到型面里面也越少。根據(jù)材料的延伸率計(jì)算方法，當(dāng)型面里面的材料不能及時(shí)補(bǔ)充時(shí)即I變小，那么拉伸同樣的深度不變，材料的延伸率ε必然增大，當(dāng)超過材料延伸率時(shí)出現(xiàn)開裂。

而拉伸過程中，拉伸速度快則會(huì)導(dǎo)致材料塑性變形不能均勻傳遞，出現(xiàn)不均勻后則出現(xiàn)應(yīng)力集中最終開裂。并且材料在產(chǎn)生塑性變形的過程其實(shí)是材料的流動(dòng)，若是模具型面間隙變小則型面間的壓力增加，摩擦力也隨之增加。這樣材料的流動(dòng)阻力增加。也導(dǎo)致了材料塑性變形不能均勻傳遞而出現(xiàn)開裂。

2 小結(jié)

深拉延件小角度拉延件（拉伸深度>240mm，角度<60°），零件出現(xiàn)開裂的概率劇增，而降低其開裂的方法如下：

（1）模具設(shè)計(jì)階段必須考慮模具發(fā)熱，利用熱力學(xué)模型增加冷卻裝置以保證模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量得到有效釋放。

（2）對(duì)于具備分段建壓功能的伺服液壓墊，要根據(jù)不同的拉伸階段設(shè)定不同的拉伸參數(shù)，以使材料所受的拉伸力與材料各階段變形所需要的力相匹配。

（3）對(duì)于伺服壓機(jī)線，整個(gè)拉延成型過程可以分段控制，通過降低拉延做功過程中的壓機(jī)速度減緩材料塑性變形的非均勻傳遞，其他非做功階段壓機(jī)以最大速度運(yùn)行，可以有效降低零件開裂，同時(shí)保證生產(chǎn)效率。