沖壓件拉延產(chǎn)生皺紋分析

文/杜春艷·黑龍江省哈爾濱市交通器材廠

沖壓件拉延產(chǎn)生皺紋分析

文/杜春艷·黑龍江省哈爾濱市交通器材廠

黑龍江省哈爾濱市交通器材廠主要生產(chǎn)汽車零部件，很多零件都需要沖壓拉延成形。由于零件在拉延時(shí)引起皺紋報(bào)廢，由此使生產(chǎn)中斷，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的裝配周期。針對(duì)這一薄弱環(huán)節(jié)，本文對(duì)沖壓成形件拉延皺紋進(jìn)行了分析和研究，從而避免沖壓成形件拉延過程中產(chǎn)生的皺紋。

沖壓成形是通過模具對(duì)板料施加復(fù)雜的外力，并使板料產(chǎn)生流動(dòng)，這時(shí)板內(nèi)則出現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。板厚尺寸同其他尺寸相比非常小，薄板的厚度方向的不穩(wěn)定是必然的。在成形過程中，當(dāng)材料難以向理想曲面（包括沖模的光滑曲面）流動(dòng)或板內(nèi)維持理想曲面的應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生皺紋。就薄板材料而言，總是向容易產(chǎn)生流動(dòng)的方向流動(dòng)，提高拉伸應(yīng)力。已經(jīng)產(chǎn)生皺紋的沖壓件，不但尺寸和表面形狀不好，而且還可能引起以后的斷裂，或使后道工序的加工發(fā)生問題。

沖壓件的形狀各種各樣，產(chǎn)生的皺紋形態(tài)、原因也各不相同，因此解決皺紋的辦法也不同。通常情況下，解決皺紋的辦法就是控制材料流動(dòng)，即控制板內(nèi)板厚方向的應(yīng)力狀態(tài)穩(wěn)定，采取該辦法，就要全面考慮各種因素，尤其是與開裂有關(guān)的問題。由于受零件形狀等各種因素限制，所以解決它難度很大。本文主要討論失穩(wěn)皺紋和堆積皺紋。由板內(nèi)應(yīng)力所引起的皺紋叫失穩(wěn)皺紋，該皺紋產(chǎn)生在毛坯的周邊，在出現(xiàn)皺紋之前，材料不發(fā)生很大的位移和流動(dòng)；堆積皺紋是不易貼模部件出現(xiàn)的皺紋，該皺紋是材料向形成皺紋的部位產(chǎn)生較大的流動(dòng)形成的。

失穩(wěn)皺紋

圖1 四種外力

本文主要分析凹模洞口內(nèi)產(chǎn)生的皺紋，并按其產(chǎn)生原因進(jìn)行分類。

在研究復(fù)雜曲面的沖壓件前，首先分析最簡(jiǎn)單的平板形狀，在平面應(yīng)力作用下，平板的板厚方向不穩(wěn)定（失穩(wěn)），是由于拉應(yīng)力、壓縮應(yīng)力、剪應(yīng)力中的負(fù)應(yīng)力，即由于壓縮成分的存在而引起的，引起這種應(yīng)力狀態(tài)的外力是有很大區(qū)別的，大致可分為壓應(yīng)力、剪切力、拉伸力不均勻、板內(nèi)彎曲力四種情況，如圖1所示。前三種皺紋較為常見，由于沖壓成形時(shí)很少對(duì)材料施加板內(nèi)彎曲力，所以該類皺紋不太常見。正是由于這些外力所引起的壓應(yīng)力，在平板板厚方向達(dá)到不穩(wěn)定極限（失穩(wěn)極限）時(shí)，因此便產(chǎn)生皺紋，并且皺紋的走向與壓縮應(yīng)力的方向垂直。除了壓應(yīng)力以外，還有其他應(yīng)力成分作用引起的皺紋，其形狀也不相同。

壓應(yīng)力

⑴側(cè)壁產(chǎn)生皺紋。圓錐形件在拉延成形時(shí)，由于材料從凸緣部收縮并流入凹模，在圓周方向便產(chǎn)生了壓應(yīng)力。這個(gè)壓應(yīng)力在凹模圓角處最大（不包括凸緣部），向中心部的分布情況是逐漸減小。因此，以凹模圓角（材料離開凹模圓角的位置或當(dāng)凹模圓角半徑大時(shí)，在與圓角接觸的部位也會(huì)產(chǎn)生皺紋）為中心產(chǎn)生皺紋，而后擴(kuò)大到側(cè)壁。

在沖壓成形過程中，毛坯懸空（局部毛坯不與凸?；虬寄＝佑|）的情況很多，懸空狀態(tài)下所產(chǎn)生的皺紋多半發(fā)生在側(cè)壁。圓錐形制件的側(cè)壁部、前擋泥板、球面等制件（圖2）在沖壓成形時(shí)最容易出現(xiàn)這種情況，這種皺紋與從凹模圓角流入的凸緣皺紋情況相似。由凸緣流入的皺紋一般很小。

⑵凸模底部產(chǎn)生皺紋。由壓應(yīng)力產(chǎn)生的皺紋，一般在成形結(jié)束時(shí)出現(xiàn)在凸模底部，產(chǎn)生在局部成形的凹下部位及曲率較大的內(nèi)凹曲線的側(cè)壁部。前者是因?yàn)椴牧狭魅刖植砍尚蔚膫?cè)壁部造成的，后者是因?yàn)椴牧狭魅氚寄Ｇ€的側(cè)壁部而造成的，這些都是由壓縮力所引起的。由此可看出，這些皺紋與凸緣皺紋的產(chǎn)生原因相似，但是因延伸而引起的流入量少，所以和凸緣皺紋相比產(chǎn)生皺紋的情況較少。前者的皺紋只發(fā)生在局部成形凹處的拐角部，圓形局部成形不產(chǎn)生皺紋。

圖2 側(cè)壁產(chǎn)生皺紋的制件

圖3 凸模底部產(chǎn)生皺紋

圖4 中心支柱剪切力

前述的皺紋多半發(fā)生在整體后圍窗口、外門后面板的把手和安裝車牌的部位。后者的皺紋發(fā)生在中心支柱、正面護(hù)板上，如圖3所示。

剪切力

平板在壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用下，因剪切時(shí)的失穩(wěn)極限應(yīng)力比壓縮時(shí)的極限應(yīng)力高，所以和壓縮時(shí)的情況比較不易產(chǎn)生皺紋。沖壓成形時(shí)，產(chǎn)生拉延凸緣變形和翻邊延伸凸緣變形的材料在向凹模洞口流入時(shí)，由于側(cè)壁發(fā)生干涉，受很強(qiáng)剪切力的作用，側(cè)壁若有斜度就會(huì)產(chǎn)生皺紋，這種皺紋產(chǎn)生在周圍限制力弱的地方，如中心支柱等，常發(fā)生在T字形、L字形的側(cè)壁，如圖4所示。

拉力不均勻

平板受不均勻拉力作用時(shí)，在與拉力垂直的方向上產(chǎn)生壓應(yīng)力，這就是產(chǎn)生皺紋的原因。當(dāng)拉力的不均勻程度較大時(shí)，也就是當(dāng)局部承受不均勻的拉力時(shí)，很容易產(chǎn)生皺紋。這種皺紋產(chǎn)生在拉力最大的部位上，其走向與拉伸方向相同。在沖壓成形時(shí)，凸?？v斷面或橫面形狀復(fù)雜時(shí)，毛坯的局部就要承受不均勻的拉伸力。棱錐臺(tái)拐角部的側(cè)壁，深拉延成形的鞍形件的皺紋都是由不均勻拉力引起的，尤其是棱錐臺(tái)拐角部的側(cè)壁皺紋，由于材料收縮流入再加壓應(yīng)力的作用更容易產(chǎn)生（圖5）。

圖5 拉力不均產(chǎn)生皺紋

堆積皺紋

當(dāng)材料與沖模表面完全靠緊時(shí)，表面積過剩而周邊又不能吸收過剩的材料，因此形成了堆積皺紋。由于成形件形狀不同，所以該皺紋的狀態(tài)各異，很難分類。以下主要分析產(chǎn)生堆積皺紋的幾種情況。

凸?？v斷面形狀急劇變化

當(dāng)凸?？v斷面形狀急劇變化時(shí)，該位置容易產(chǎn)生皺紋。如擋油盤（階梯錐臺(tái)狀的形狀零件）、中心支柱等。如圖6所示。

凸模橫斷面形狀急劇變化

制件側(cè)壁有局部的凸出或凹入時(shí)，在凸模的端面處容易產(chǎn)生這種皺紋，如圖7所示。

凸模中間部位拉延斷面小

零件的拉延深度在中間部位淺（折背形），拉延件的中間部位窄（葫蘆形），制件的中間部位收縮（鞍形）時(shí)，在凸模的端面處產(chǎn)生這樣皺紋，如圖8所示。

沖模表面形狀復(fù)雜

沖模表面形狀復(fù)雜時(shí)產(chǎn)生的皺紋和上面所講的3種堆積皺紋的性質(zhì)不同，表面形狀復(fù)雜的零件，在材料已充滿凸、凹模間隙時(shí)，多余的材料就要產(chǎn)生疊層現(xiàn)象，這種現(xiàn)象一直保持到成形結(jié)束，如擋泥板的模具表面復(fù)雜，容易出現(xiàn)這種皺紋。

圖6～8所示的皺紋和圖5所示的拉力不均造成的皺紋，都發(fā)生在形狀變化急劇的位置上，所以區(qū)別比較困難，兩種皺紋的不同點(diǎn)是：由于拉力不均勻產(chǎn)生的皺紋發(fā)生在拉力最大的線上（棱線等）。由于堆積而產(chǎn)生的皺紋，發(fā)生在與形狀變化急劇部位相連的較平坦的位置上，這是多余材料向剛性小的平坦部位移動(dòng)造成的。

圖6 凸?？v斷面形狀急劇變化

圖7 凸模橫斷面形狀急劇變化

圖8 凸模中間部位拉延斷面小時(shí)產(chǎn)生皺紋