后保支架工藝設(shè)計(jì)

文/孫妮霞，李祺，魏龍，徐強(qiáng)·東風(fēng)模具沖壓技術(shù)有限公司

后保支架是轎車后圍上用于支撐的主要受力部件，由于各車型不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也各不相同，本文針對(duì)神龍標(biāo)致M43車型的后保支架進(jìn)行研究分析，該后保支架產(chǎn)品材料牌號(hào)為DX56D+Z，料厚為1.1mm，上部開口尺寸為50mm×72mm，下部開口尺寸為70mm×92mm，高度為148mm，是汽車結(jié)構(gòu)件中典型的錐形方盒形超深拉延件產(chǎn)品（圖1）。拉延深度很高、開口尺寸相對(duì)較小且為錐形形狀，給傳統(tǒng)的拉延工藝及理論計(jì)算后設(shè)計(jì)的工序件再次成形帶來(lái)了非常大的困難。

產(chǎn)品分析

圖1 后保支架產(chǎn)品圖

后保支架為復(fù)雜的超深拉延結(jié)構(gòu)件，產(chǎn)品裝配尺寸精度要求高、拉延調(diào)試難度大，特別是產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)為錐形方盒形后拉延難度成倍增加，此類產(chǎn)品成形過程中材料流動(dòng)速度的控制，工序轉(zhuǎn)角半徑的設(shè)定、工序數(shù)模的設(shè)定是否合理成為產(chǎn)品開發(fā)是否成功的關(guān)鍵，并決定了模具成本、制造周期、零件的開發(fā)周期。

工藝設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算，初步確定零件工藝為：OP10落料、OP20一次拉延、OP30二次拉延、OP40三次拉延、OP50四次拉延、OP60整形、OP70修邊沖孔，選用設(shè)備為JD31-400，確定毛坯形狀和工藝數(shù)模如圖2所示。

圖2 毛坯形狀和工藝數(shù)模

同時(shí)針對(duì)每序都進(jìn)行CAE分析,結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)CAE結(jié)果分析材料在成形過程中，考慮拉延深度很深，凹模口尺寸小，材料由平板料變成盒形件過程中，局部區(qū)域受到很大的壓縮力，有過度的金屬材料流動(dòng)出現(xiàn)堆積而起皺，去除起皺的簡(jiǎn)單方法就是布置拉延筋調(diào)整材料流動(dòng)速度，基于這個(gè)設(shè)想，在OP20拉延工藝數(shù)模設(shè)計(jì)時(shí)，在壓邊圈上增加了拉延筋。

圖3 各工序拉延示意圖

模具調(diào)試過程中質(zhì)量缺陷產(chǎn)生的原因分析及解決措施

首次缺陷描述

在調(diào)整模具的過程中發(fā)現(xiàn)，在OP20拉延的工序件上零件頂部出現(xiàn)開裂，側(cè)壁起皺，導(dǎo)致后面工序無(wú)法進(jìn)行下去，缺陷的具體位置如圖4所示。

首次缺陷產(chǎn)生原因分析及解決方案

圖4 OP20拉延工序零件頂部開裂

平板毛坯拉深成盒形件的變形過程中，在凸緣變形區(qū)內(nèi)各處所受的應(yīng)力狀態(tài)不同，都是徑向受拉和切向受壓的應(yīng)力狀態(tài)。但由于直邊部分所產(chǎn)生的拉深變形較小，伸長(zhǎng)變形小于圓角部分，所以變形區(qū)內(nèi)直邊部分的流入速度大于圓角部分，以致在徑向正應(yīng)力和切向正應(yīng)力之外，還有剪應(yīng)力的作用。因此，在變形區(qū)內(nèi)各處的應(yīng)力狀態(tài)及其分布變得十分復(fù)雜，且各點(diǎn)的應(yīng)力值隨其位置的變化而產(chǎn)生較大的差異，因此，在盒形件拉延過程中，不適宜在壓料面上使用拉延筋來(lái)調(diào)整金屬材料的流動(dòng)速度。

結(jié)合實(shí)際調(diào)試結(jié)果及理論分析，將模具壓料圈上的拉延筋取消后進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果開裂情況有所改善，但缺陷依然存在，在四角出現(xiàn)較大的凸耳，且產(chǎn)品法蘭面的凸包在拉延初期，由于凸模先接觸材料，此處凹?？谝蜻^多的材料流入而起皺，材料頂部因材料補(bǔ)充不及時(shí)而開裂如圖5所示，因此在拉延過程中壓料圈應(yīng)盡量保持同樣高度，避免局部堆積過多材料。

圖5 重新根據(jù)調(diào)試修訂拉延毛坯形狀

重新修改后的毛坯形狀如圖6所示。

圖6 重新修改后的毛坯形狀

第二次缺陷描述

經(jīng)過修改毛坯形狀和壓料圈形狀后重新進(jìn)行調(diào)試，OP20拉延能順利完成，但進(jìn)行到OP30或OP40或OP50時(shí)，零件側(cè)壁起皺嚴(yán)重，頂部又出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，產(chǎn)品第二次缺陷如圖7所示。

圖7 產(chǎn)品第二次缺陷示意圖

第二次缺陷產(chǎn)生原因分析

⑴模具間隙的影響。

在錐形方盒件拉延過程中，由于每面都有傾斜的拉延側(cè)壁，在沖壓過程中，拉延側(cè)壁材料相對(duì)懸空，而這大都是由模具間隙大小決定的。由于模具間隙的影響，沖頭和凹模的邊長(zhǎng)不同，導(dǎo)致沖頭和凹模間的材料變得不穩(wěn)定，存在大量的橫向壓應(yīng)力，是導(dǎo)致拉延側(cè)壁起皺的原因之一。

⑵工序間半成品變形大小的影響。

從直立側(cè)壁的半成品繼續(xù)拉深成盒形件時(shí)，變形區(qū)不可避免地會(huì)受到待變形區(qū)的約束與影響，當(dāng)立體半成品形狀與尺寸不合適，會(huì)在變形區(qū)內(nèi)沿周邊產(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻變形。沿寬度的縱向不均勻伸長(zhǎng)變形受到直立側(cè)壁的阻礙，從而引起附加應(yīng)力。附加拉應(yīng)力引起材料的過度變薄或破裂；附加壓應(yīng)力則引起材料橫向堆積或起皺，使得拉深變形變得困難，甚至開裂。因此在多次拉深時(shí)，必須遵循均勻變形的原則。

⑶工序間半成品材料流動(dòng)的影響。

利用CAD軟件Pro/E設(shè)計(jì)并進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)，半成品繼續(xù)拉深成盒形件時(shí)，材料都是由產(chǎn)品側(cè)壁往直壁方向流動(dòng)，起皺基本都集中在側(cè)壁中間如圖8所示。

圖8 產(chǎn)品側(cè)壁起皺

⑷工序間半成品轉(zhuǎn)角半徑的影響。

盒形件的成形過程也是圓角區(qū)域材料向側(cè)壁轉(zhuǎn)移的過程，直壁部分對(duì)角部的變形有減輕和帶動(dòng)作用，零件的轉(zhuǎn)角半徑越小，這種作用就越明顯，也就是相對(duì)圓角半徑r/b越小，轉(zhuǎn)移到側(cè)壁的材料越多，側(cè)壁起皺越明顯。

⑸材料硬化對(duì)拉延的影響。

每沖壓成形一次，材料都會(huì)發(fā)生冷作硬化，使得材料的塑性降低，流動(dòng)性變差，對(duì)后序的沖壓成形變形工序不利，導(dǎo)致后續(xù)拉延容易開裂。

第二次缺陷解決方案的制定

綜合上述原因分析，每次中間工序拉延變形量都不能超過材料的變形極限，每序拉延的轉(zhuǎn)角半徑、拉延高度、長(zhǎng)度、寬度的變形大小是直接關(guān)系到產(chǎn)品成功開發(fā)的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品變形極限還受到材料冷作硬化的影響，通過實(shí)際調(diào)試與理論相結(jié)合進(jìn)行分析，得出理論分析的變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于產(chǎn)品實(shí)際能承受的變形量，因此要成功開發(fā)，必須新增兩道拉延工序來(lái)縮減每序的變形，使得產(chǎn)品能成功開發(fā)。重新制定零件的工藝為：OP10落料、OP20一次拉延、OP30二次拉延、OP40三次拉延、OP50四次拉延、OP60五次拉延、OP70六次拉延、OP80整形、OP90修邊沖孔，選用設(shè)備為JD31-400。

圖9 工序數(shù)模調(diào)試圖

圖10 工序數(shù)模調(diào)整示意圖

重新確定各工序的過渡形狀及其尺寸

⑴第一次拉延數(shù)模的設(shè)定。

根據(jù)理論分析及調(diào)試結(jié)果，要保證后續(xù)拉延工序的順利進(jìn)行，第一次拉延法蘭面不起皺是至關(guān)重要的，側(cè)壁圓角盡可能做大直至類似于橢圓、毛坯形狀盡可能同產(chǎn)品形狀，這樣拉延過程中才能保證壓邊圈各區(qū)域材料流動(dòng)速度均勻，避免局部流動(dòng)過快而起皺，基于這個(gè)分析，重新對(duì)工序數(shù)模進(jìn)行設(shè)定和調(diào)試如圖9所示。

⑵后工序數(shù)模的設(shè)定。

第一次拉延完成后，再次成形由于受到材料冷作硬化的影響，以及側(cè)壁轉(zhuǎn)角的擠流現(xiàn)象的發(fā)生，后中間工序變形量不能超過材料的成形極限，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試結(jié)果，分別對(duì)工序數(shù)模進(jìn)行了調(diào)整如圖10所示。

重新調(diào)試

采用上述改進(jìn)后的方案，產(chǎn)品成功開發(fā)完成，產(chǎn)品成形后不再產(chǎn)生開裂、起皺（圖11），但生產(chǎn)的過程中極其不穩(wěn)定，廢品率高。

圖11 成功開發(fā)產(chǎn)品

圖12 錐形方盒形超深連續(xù)模拉延與成形復(fù)合型生產(chǎn)工藝

工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)工藝為六道拉延工序，且需采用油壓機(jī)生產(chǎn)和人工操作的生產(chǎn)方式。生產(chǎn)過程中產(chǎn)品沖壓工序長(zhǎng)、占用設(shè)備多、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)過程中零件仍然容易起皺、開裂，造成廢品率高，制造成本高等問題。

通過對(duì)傳統(tǒng)工藝缺陷分析，主要還是每序拉延過程中，材料塑性變形過大，材料冷作硬化嚴(yán)重造成，采用連續(xù)模生產(chǎn)方式，多工步逐步變形，減小材料塑性變形量達(dá)到產(chǎn)品要求。針對(duì)原工藝在拉延過程中不管是否采用壓邊的方式，零件都出現(xiàn)開裂，壓邊力小，零件都容易產(chǎn)生起皺、開裂的缺陷，綜合分析按以下方案設(shè)計(jì)：

⑴設(shè)計(jì)錐形方盒形超深連續(xù)模拉延與成形復(fù)合型生產(chǎn)工藝如圖12所示，解決零件采用油壓機(jī)生產(chǎn)效率低、工序長(zhǎng)、設(shè)備占用多、制造成本高等問題。

⑵采用多次分級(jí)式壓料工藝如圖13所示，零件拉延工站，第一工站壓邊行程160mm，第二工站壓邊行程5mm，第三到第九工站不壓邊。

圖13 多次分級(jí)式壓料工藝

⑶設(shè)計(jì)拉延后的壓邊圈結(jié)構(gòu)如圖14所示，零件第二工站拉延高度10mm,模具到底6mm進(jìn)行壓料，解決零件起皺問題。

圖14 拉延后的壓邊圈結(jié)構(gòu)

結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)錐形方盒形超深拉延件的毛坯形狀調(diào)整、工藝方案的研發(fā)、制定、改善，有效地控制了錐形方盒形超深拉延件的開裂、起皺，使得產(chǎn)品成功開發(fā)，降低了產(chǎn)品的制造成本，為后續(xù)開發(fā)類似超深拉延零件積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。