淺談拉延筋形式在提高材料利用率方面的應(yīng)用

文/李自罡，宋巍·天津一汽豐田汽車有限公司

淺談拉延筋形式在提高材料利用率方面的應(yīng)用

文/李自罡，宋巍·天津一汽豐田汽車有限公司

李自罡，工程師，主要從事沖壓車間管理工作。

本文從提高沖壓制品生產(chǎn)過(guò)程中鋼板材料利用率的著眼點(diǎn)出發(fā)，主要介紹了沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，幾種新式樣的拉延筋形式在提高材料利用率方面的應(yīng)用，以及新式樣拉延筋的優(yōu)缺點(diǎn)。

近年來(lái)隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，汽車制造廠的競(jìng)爭(zhēng)壓力也越來(lái)越大，其中成本壓力是一個(gè)重要因素。如何降低汽車制造成本也就成為了我們的一個(gè)工作課題。

鋼板是制造汽車覆蓋件及骨架的主要材料，也是構(gòu)成汽車成本的重要組成部分。在鋼板加工成汽車覆蓋件及骨架的同時(shí)，大量的邊角廢料也同時(shí)產(chǎn)生，也就產(chǎn)生了如何提高鋼板材料利用率這一課題。本文從沖壓模具拉延筋這一切入點(diǎn)出發(fā)，對(duì)如何提高鋼板的材料利用率作了簡(jiǎn)單介紹。

材料利用率

在進(jìn)行汽車覆蓋件及骨架的沖壓生產(chǎn)時(shí)，由于制品形狀要求和沖壓成形工藝要求，產(chǎn)生邊角廢料是難免的。如圖1所示，該制品為汽車前機(jī)蓋內(nèi)板，在沖壓生產(chǎn)該制品時(shí)，藍(lán)色部分是由于產(chǎn)品減重、散熱、安裝孔等各方面的要求，所產(chǎn)生的廢料，可稱之為“形狀廢料”；紅色部分是為滿足沖壓生產(chǎn)時(shí)工藝要求而設(shè)計(jì)，對(duì)制品本身形狀無(wú)用的廢料，可稱之為“工藝廢料”。材料利用率可通過(guò)制品重量與鋼板重量的比例來(lái)體現(xiàn)，即：

目前，汽車覆蓋件的沖壓生產(chǎn)中，鋼板材料利用率在60%左右，個(gè)別制品如側(cè)圍、翼子板的材料利用率僅為40%～50%。大量的廢料造成了汽車制造成本的增加，要提高材料利用率，就是要減少邊角廢料的產(chǎn)生。一方面，產(chǎn)品的形狀廢料由于性能要求是無(wú)法避免的，提高材料利用率只能通過(guò)廢料的回收再利用來(lái)實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)受廢料形狀尺寸及回收方式的制約，有很大局限性；另一方面，產(chǎn)品的工藝廢料主要是為了滿足制品進(jìn)行沖壓加工工藝，如拉延、切斷等產(chǎn)生的，要提高材料利用率可通過(guò)沖壓工藝的改善，如拉延過(guò)程中的控制，改善廢料切斷、排布等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 汽車前機(jī)蓋內(nèi)板廢料示意圖

傳統(tǒng)拉延筋形式

在制品沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，從鋼板到制品的加工過(guò)程主要經(jīng)由拉延、切邊、翻邊等主要工藝實(shí)現(xiàn)，其中拉延工藝是產(chǎn)生工藝廢料的一個(gè)主要環(huán)節(jié)。拉延工藝是鋼板在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，形成近似制品形狀的一個(gè)過(guò)程。鋼板在拉延過(guò)程中的受力情況如圖2所示，鋼板在凸模與凹模作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生外部材料向內(nèi)部流動(dòng)的拉力；同時(shí)，鋼板在凹模與壓料圈作用下，產(chǎn)生阻止外部材料向內(nèi)部流動(dòng)的阻力。拉延過(guò)程就是在這種綜合受力的情況下，使鋼板完成塑性變形。由于制品的成形工藝要求，通過(guò)對(duì)拉力與阻力的控制，拉延過(guò)程可分為壓縮類變形和伸長(zhǎng)類變形。所謂“壓縮類變形”，即當(dāng)拉力大于阻力時(shí)，鋼板材料發(fā)生由外部向內(nèi)部的流動(dòng)；所謂“伸長(zhǎng)類變形”，即當(dāng)拉力小于阻力時(shí)，鋼板材料不發(fā)生向內(nèi)部流動(dòng)，也就是我們平常所說(shuō)的“拉深”與“脹形”。無(wú)論“拉深”還是“脹形”過(guò)程都需要對(duì)成形過(guò)程中的拉力與阻力進(jìn)行有效的控制，才能避免成形過(guò)程中的開(kāi)裂、褶皺、面品不良等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

控制成形過(guò)程中的拉力與阻力的主要因素包括，作用于壓料圈上的壓力機(jī)的氣墊壓力，模具表面的光潔度，模具局部間隙，凹模、凸模、壓料圈與制品接觸部位的R角大小，以及拉延筋的形式等。

在模具拉延工藝中，通常使用的拉延筋形式主要包含半圓形筋、方形（梯形）筋、S形筋等。根據(jù)制品成形過(guò)程中的材料流入量需求，設(shè)置不同形式、不同數(shù)量的拉延筋。其中，半圓形筋主要應(yīng)用于發(fā)生材料流動(dòng)的拉深場(chǎng)合，用于控制材料流入速度與流入量，避免成形過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)裂、褶皺；S形筋主要應(yīng)用于不發(fā)生材料流動(dòng)的脹形場(chǎng)合，用于材料的鎖死，保證脹形過(guò)程中不發(fā)生材料流動(dòng)；方形筋則是一種形式介于半圓形筋與S形筋之間的拉延筋，通常與其他形式的拉延筋配合使用。其余較常見(jiàn)的拉延筋形式還有配合S形筋使用的用于局部輔助鎖料的垂直于主拉延筋的三角形拉延筋等。

新式樣拉延筋形式在提高材料利用率方面的應(yīng)用

在傳統(tǒng)形式拉延筋廣泛使用的同時(shí)，近年來(lái)為提高材料利用率，降低板材成本，沖壓模具中出現(xiàn)了幾種新式樣拉延筋形式。下面針對(duì)新式樣拉延筋形式在提高材料利用率方面的效果和應(yīng)用中遇到的問(wèn)題等，做簡(jiǎn)單介紹。

半S形拉延筋

車門外板的拉延成形過(guò)程為典型的脹形過(guò)程，一般使用S形拉延筋進(jìn)行鎖料，使材料不發(fā)生流動(dòng)，鋼板通過(guò)本身塑性完成脹形過(guò)程，生產(chǎn)出表面光滑的車門外板制品。為提高鋼板材料利用率，減少拉延過(guò)程中產(chǎn)生的工藝廢料，引入半S形拉延筋。

⑴拉延筋形式

與傳統(tǒng)形式的S形拉延筋相比，半S形拉延筋最大的特點(diǎn)是摒棄了傳統(tǒng)拉延筋的“筋槽”形式。如圖3所示，半S形拉延筋與傳統(tǒng)S形拉延筋相比，沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的筋槽，僅一側(cè)為S形棱線拉延筋式樣，與此同時(shí)模具凹模、壓料圈的管理面、壓料面也由原有的同一平面變?yōu)椴坏雀叩膬蓚€(gè)平面。

圖3 S形拉延筋與半S形拉延筋形式比較

由于車門外板拉延筋式樣的變更，新式樣的半S形拉延筋沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的拉延筋槽，使脹形過(guò)程中的工藝廢料全周減少一個(gè)筋槽立壁+底部的寬度（約10mm），材料利用率提高1% 左右。如圖4所示。

圖4 S形與半S形拉延筋材料利用率比較

⑵問(wèn)題點(diǎn)

半S形拉延筋形式對(duì)提高鋼板利用率方面的效果是顯而易見(jiàn)的，但受到制品形狀、成形方式的局限性，同時(shí)，在提高材料利用率的同時(shí)，也存在著種種問(wèn)題。

拉延筋鎖緊力不足：拉延筋形式由傳統(tǒng)S形筋形式變更為半S形筋形式，帶來(lái)的第一個(gè)問(wèn)題就是模具在拉延成形過(guò)程中的鎖料能力的下降。如圖5所示，拉延筋形式變更后，在壓力機(jī)氣墊壓力設(shè)定2000kN的情況下，模具的實(shí)際鎖緊力峰值壓力為2243kN，中心壓力僅為1486kN。由于拉延筋鎖料能力下降，半S形拉延筋不能有效地進(jìn)行鎖料，造成多余的材料流入，引起制品面品不良的產(chǎn)生。針對(duì)該問(wèn)題，最終通過(guò)對(duì)壓力機(jī)氣墊能力進(jìn)行改善提升后，得到解決。壓力機(jī)氣墊能力改造后，在氣墊壓力設(shè)定2000kN的情況下，壓料圈實(shí)際鎖緊力峰值壓力能夠達(dá)到2461kN，中心壓力達(dá)到2415kN。

產(chǎn)生絲狀粉末：S形拉延筋前后兩條S形棱線R角之間斷面前后距離相對(duì)一致，拉延筋上每一點(diǎn)在制品脹形過(guò)程中的受力處于一致或近似一致?tīng)顟B(tài)。而半S形拉延筋只有一條S形棱線R角，如圖6所示，在制品脹形過(guò)程中材料流入趨勢(shì)側(cè)的尖點(diǎn)位置受力較其余部位大，與鋼板發(fā)生的摩擦相對(duì)劇烈。采集到的異物經(jīng)過(guò)顯微照相分析，為微小絲狀粉末。當(dāng)這種微小絲狀粉末在沖壓過(guò)程中隨氣流帶入模具內(nèi)部時(shí)會(huì)造成制品鼓癟，產(chǎn)生面品不良。這種絲狀粉末只能通過(guò)調(diào)整半S形拉延筋斷面R角大小、拉延筋立面高度、管理面接觸率等多方面因素綜合控制。

圖5 半S形拉延筋氣墊鎖緊能力（壓力機(jī)氣墊改造前后對(duì)比）

雙可動(dòng)拉延筋

前機(jī)蓋內(nèi)板由于其制品形狀決定其成形為中間深四周淺的拉深成形，傳統(tǒng)工藝一般為凹模與壓料圈接觸后，鋼板在一定氣墊壓力作用下，完成拉深成形過(guò)程。由于其制品形狀決定中間部位拉深量大于周邊部位拉深量，且周邊拉深量很淺。故嘗試使用中間部位先行拉深成形后，周邊部位在材料鎖死的狀態(tài)下完成類似脹形成形的過(guò)程，故而引入上下雙可動(dòng)式拉延筋形式。

⑴拉延筋形式

根據(jù)上下雙可動(dòng)拉延筋形式的前機(jī)蓋內(nèi)板模具的成形特點(diǎn)，成形過(guò)程可分解為前后兩個(gè)階段，第一階段，在上置壓料圈的作用下模具與鋼板進(jìn)行作用，通過(guò)設(shè)置于模具凹模與壓料圈之間的氮?dú)鈴椈商峁┏尚螇毫Γ纬衫钸^(guò)程中的對(duì)鋼板流入的阻力，在一定的阻力控制下，先行完成部分材料流入，完成制品的部分拉深成形過(guò)程；第二階段，在下置壓料圈的作用下模具與鋼板作用，通過(guò)壓力機(jī)氣墊提供成形壓力，下置壓料圈通過(guò)其拉延筋將外圍材料鎖死，四周完成類似脹形成形過(guò)程。模具結(jié)構(gòu)如圖7所示，成形過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)上述動(dòng)作，一般設(shè)置為驅(qū)動(dòng)上置壓料圈的氮?dú)鈴椈沙尚螇毫π∮隍?qū)動(dòng)下置壓料圈的壓力機(jī)氣墊壓力，實(shí)現(xiàn)上置壓料圈先行動(dòng)作，下置壓料圈然后動(dòng)作，通過(guò)分步動(dòng)作，完成類似于雙動(dòng)滑塊壓力機(jī)的效果。

圖6 半S形拉延筋受力狀態(tài)及產(chǎn)生的絲狀粉末顯微照相

圖7 前機(jī)蓋內(nèi)板模具結(jié)構(gòu)比較

由于上下雙可動(dòng)拉延筋形式的引入，前機(jī)蓋內(nèi)板的成形過(guò)程由傳統(tǒng)的拉深成形一直發(fā)生材料流入的過(guò)程，變更為初期拉深時(shí)發(fā)生材料流動(dòng)，后期脹形時(shí)不發(fā)生材料流動(dòng)的成形過(guò)程。上下雙可動(dòng)拉延筋形式既保證了前機(jī)蓋內(nèi)板制品中間形狀較深的部位拉深成形過(guò)程中的材料流入需求，同時(shí)又能在前機(jī)蓋內(nèi)板制品周邊成形形狀較淺的部位實(shí)現(xiàn)材料的鎖死，完成脹形過(guò)程。由于減少了材料流入，實(shí)現(xiàn)了材料利用率的提高。經(jīng)測(cè)算，前機(jī)蓋內(nèi)板制品工藝廢料尺寸全周減少約5mm，材料利用率提高0.5% 左右，如圖8所示。

圖8 材料利用率比較

⑵問(wèn)題點(diǎn)

雙可動(dòng)式拉延筋必須建立在上下可動(dòng)式壓料圈基礎(chǔ)上，該形式較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了上壓料圈及驅(qū)動(dòng)上壓料圈用的氮?dú)鈴椈?，同時(shí)模具尺寸也需要相應(yīng)加大，整體的模具制造成本較傳統(tǒng)形式有所增加。雖然模具制造成本增加了，但材料利用率提高帶來(lái)了生產(chǎn)成本的降低，故其投資收益率需要綜合車型企劃產(chǎn)量與車型壽命等多方面因素考慮。

結(jié)束語(yǔ)

上述新式樣拉延筋的使用有兩大特點(diǎn)：一是形式設(shè)計(jì)新穎，在傳統(tǒng)拉延筋形式基礎(chǔ)上有了明顯創(chuàng)新，摒棄了一些使用多年的傳統(tǒng)拉延筋元素，對(duì)減少工藝廢料，提高材料利用率有明顯的效果。二是新式樣拉延筋的設(shè)計(jì)和使用具有很強(qiáng)的針對(duì)性，拉延筋形式的設(shè)計(jì)需根據(jù)不同產(chǎn)品的成形特點(diǎn)“對(duì)癥下藥”，從成形工藝細(xì)節(jié)出發(fā)，將提高材料利用率的效果提高到最大程度。