POLO后門內(nèi)板的工藝性改造

文/邵傳捷，徐敏·上汽大眾汽車有限公司

本文從沖壓工藝角度出發(fā)，分析了后門內(nèi)板傷碎產(chǎn)生的原因。并運(yùn)用AUTOFORM軟件分析零件在成形時(shí)的走料趨勢，計(jì)算出工藝孔合理的大小。并結(jié)合OP20模具上的R角與閉合高度的調(diào)整，最終解決了零件傷碎的生產(chǎn)問題。

項(xiàng)目背景

汽車覆蓋件具有尺寸大、材料薄、形狀復(fù)雜、表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)，決定了在沖壓成形中板料變形的復(fù)雜性，變形規(guī)律不易被掌握，不能定量地對主要工藝參數(shù)和模具參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在工程實(shí)踐中主要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)類比來進(jìn)行沖壓工藝設(shè)計(jì)。

NEW POLO后門內(nèi)板在生產(chǎn)過程中，由于OP20拉伸后音響孔開裂至切邊線后，導(dǎo)致音響孔翻邊后邊緣開裂（圖1）。每批生產(chǎn)有80～120件不等的零件報(bào)廢，達(dá)到報(bào)廢總量的85%左右，影響了生產(chǎn)質(zhì)量與報(bào)廢率。且該位置開裂不明顯，需現(xiàn)場對每個(gè)零件進(jìn)行目視檢查，增加了工人的工作強(qiáng)度。因此展開對制件開裂與起皺現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出原因，并給出具體的整改措施。這不僅能解決制件開裂、起皺問題，還可以提高制件品質(zhì)、降低制件報(bào)廢率節(jié)約成本、降低目視檢查的人工成本等。

圖1 音響孔翻邊后邊緣開裂

成果簡介

原因分析

NEW POLO的門內(nèi)板零件形狀復(fù)雜，高差較大，局部成形較多，板料的變形不是單純的拉延成形，而是存在一定程度的脹形變形，是典型的汽車覆蓋件。這種零件不僅有復(fù)雜外形空間曲面，而且成形后對零件還有外觀和剛度的特殊要求。在零件的成形過程中，零件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)起皺、拉裂及表面劃痕等質(zhì)量缺陷。為了防止零件出現(xiàn)拉裂并且提高材料的流動(dòng)性，對于這種拉伸深度深的零件在模具工藝設(shè)計(jì)時(shí)，我們往往會(huì)在落料模上增加工藝孔或工藝缺口。工藝孔的數(shù)量，大小和位置，則是依靠設(shè)計(jì)員的經(jīng)驗(yàn)與軟件模擬分析得出的。圖2所示為NEW POLO的OP10落料零件圖。

工藝孔的作用：當(dāng)需要在零件中間部位上沖出某些深度較大的局部凸起或鼓包時(shí)，在一次拉伸中，往往不能從毛坯的外部得到材料的補(bǔ)充而導(dǎo)致零件局部破裂。這時(shí)可考慮在局部凸起變形區(qū)的適當(dāng)部位沖出工藝切口或工藝孔，使容易破裂的區(qū)域從變形區(qū)內(nèi)部得到材料的補(bǔ)充。

圖2 NEW POLO的OP10落料零件圖

工藝切口的條件：必須在容易破裂的區(qū)域附近設(shè)置工藝切口，而這個(gè)切口又必須處在拉伸件的修邊線以外，以便在修邊工序中切除，而不影響零件形體。例如里、外門板和上后圍的玻璃窗口部位。

工藝切口的制法：⑴落料時(shí)沖出——用于局部成形深度較淺的場合。⑵拉伸過程中切出。這是常用的方法，它可充分利用材料的塑性，即在拉伸開始階段利用材料徑向延伸，然后切出工藝切口，利用材料切向延伸。這樣成形深度可以深一些。

圖3所示為NEW POLO后門內(nèi)板的零件圖，料片牌號(hào)為EN10327-DX57D+Z100MB，材料厚度最厚達(dá)7mm，屈服強(qiáng)度140～160MPa，抗拉強(qiáng)度270～290MPa，延伸率45%。屈服點(diǎn)σs是指板料在由彈性變形開始進(jìn)入塑性變形時(shí)的應(yīng)力，其數(shù)值為拉伸曲線上的屈服平臺(tái)的力。屈服點(diǎn)σs的度量單位為MPa或N/mm2。抗拉強(qiáng)度σb是指板料拉伸時(shí)的最大應(yīng)力，其數(shù)值為最大拉伸力Fmax與試樣原始截面積A0(b0×t0）之比。屈服點(diǎn)σb的度量單位為MPa或N/mm2。屈強(qiáng)比σs/σb是指屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的比值，屈強(qiáng)比σs/σb小、延伸率大的材料，拉伸性能好，拉伸系數(shù)低。該零件屈強(qiáng)比范圍為0.57～0.97，由于材料的不穩(wěn)定性，當(dāng)?shù)狡蟮那鼜?qiáng)比時(shí)，深拉伸就容易出現(xiàn)隱傷。零件開裂的根本原因就在于拉伸變形抗力大于制件破裂處材料的實(shí)際有效抗拉強(qiáng)度。

圖3 NEW POLO后門內(nèi)板零件圖

后門內(nèi)板在落料時(shí)沖制工藝孔是為了提早釋放材料內(nèi)部的應(yīng)力，降低材料的抗拉伸強(qiáng)度，防止深度拉伸時(shí)的起皺和傷碎。工藝孔的直徑越大，拉伸時(shí)材料更容易產(chǎn)生塑性變形，強(qiáng)度也就越低。落料工藝孔直徑為70mm，拉伸后最大直徑為120mm，拉伸變形量為70%。拉伸成形時(shí)，凸模底面受雙向拉應(yīng)力作用，當(dāng)凸模側(cè)壁軸向拉應(yīng)力大于材料底部的屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生破裂。音響圓筒形件拉伸的主要問題是凸緣區(qū)壓縮失穩(wěn)產(chǎn)生起皺和零件底部圓角與筒壁連接處破裂。起皺可用壓邊圈或其他工藝措施避免。

圖4所示為拉伸件沿高度方向硬度和壁厚的變化。可以看到凸模底部材料減薄而側(cè)壁的頂部增厚，傷碎位置就在危險(xiǎn)斷面區(qū)域。此處由于經(jīng)歷了兩次彎曲，受到凸模圓角的頂壓和成形力的拉伸作用，板厚減薄嚴(yán)重，是整個(gè)拉伸成形過程中材料變薄最嚴(yán)重的區(qū)域，一旦拉伸強(qiáng)度超過材料的承載極限就容易出現(xiàn)傷碎。

圖4 拉伸件沿高度方向硬度和壁厚的變化

實(shí)施過程

⑴調(diào)整模具限位塊。通過調(diào)整限位塊的高低，可以增加或減少局部壓邊圈的間隙，從而調(diào)整壓邊力。拉伸模的模架限位塊調(diào)整影響壓邊圈的范圍較大，壓邊圈限位塊的調(diào)整對壓邊圈的影響范圍較小。調(diào)整限位塊對局部減少壓邊力較為有效，特別在模具兩邊壓力不均勻時(shí)，效果較為明顯，但要增加局部壓邊力難度較大，往往需要調(diào)整一組限位塊才能實(shí)現(xiàn)。調(diào)整限位塊實(shí)際上利用了上、下存在的間隙及模板的剛性，過度調(diào)整會(huì)影響模具導(dǎo)向件的壽命及模板的剛度。因此只能作微量調(diào)整，而不能過量。若單側(cè)限位調(diào)整量過大，則應(yīng)當(dāng)檢查模具狀況。通過修模方法加以進(jìn)行改善，但不能作為長期使用的方法。限位塊調(diào)整時(shí)鋼皮應(yīng)與限位塊面積相同，確保不損壞模具。我們將模具壓邊圈平衡塊高度墊高以減小壓邊力（圖5），使模芯內(nèi)部拉伸時(shí)所承受的拉應(yīng)力降低。而后開裂有所好轉(zhuǎn)，但是零件的凸臺(tái)部位起皺嚴(yán)重。

⑵改變落料模工藝缺口。由于SOP期間落料模已經(jīng)穩(wěn)定并批量生產(chǎn)落料，如果更改工藝孔的位置可能會(huì)增加工作量影響供料，優(yōu)化工藝孔結(jié)構(gòu)最簡單有效的方式就是更改工藝孔的形狀或大小。我們嘗試通過改變料片尺寸或形狀（即音響孔工藝孔的直徑）來增加零件的內(nèi)部應(yīng)力，防止零件成形初期內(nèi)部材料流動(dòng)過快導(dǎo)致開裂。由于NEW POLO后門內(nèi)板的產(chǎn)量高，每周要2000件左右，所以在實(shí)施前我們先用AUTOFORM軟件模擬不同尺寸工藝孔的拉伸性能。模具設(shè)計(jì)于2009年，AUTOFORM版本較早，且在調(diào)試和生產(chǎn)過程中拉延筋也有所變化，采用模具供應(yīng)商原有的設(shè)置參數(shù)計(jì)算差別太大，只能調(diào)整模型參數(shù)，保證與之前的效果基本一致。圖6(a）、(b）、(c）中的左圖為供應(yīng)商提供的拉延工序仿真結(jié)果，右圖為調(diào)整后的仿真結(jié)果。

圖5 墊高模具壓邊圈平衡塊高度

圖6 仿真調(diào)整后的對比圖

在計(jì)算的直徑范圍45～65mm內(nèi)，直徑越大，音響孔周圍危險(xiǎn)區(qū)域的范圍也隨之增大，且會(huì)增加角壁處的開裂風(fēng)險(xiǎn)，但側(cè)壁開裂危險(xiǎn)區(qū)域會(huì)有所減小，直徑較小時(shí)需要小心上部圓弧處發(fā)生起皺。改變孔的位置在一定程度上也能夠減小甚至消除音響孔周圍危險(xiǎn)區(qū)域，但仍需擔(dān)心上部圓弧處的起皺和側(cè)壁開裂區(qū)域變大。圖7中，在現(xiàn)工藝孔為70mm時(shí)黃色標(biāo)識(shí)的危險(xiǎn)區(qū)域最大，60～55mm時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域逐漸減小，50mm時(shí)危險(xiǎn)區(qū)域降至可控范圍之內(nèi)，45mm時(shí)雖然危險(xiǎn)區(qū)域消失，但是側(cè)壁的危險(xiǎn)區(qū)域增大，可能出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)且凸臺(tái)位置出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。

圖7 工藝孔黃色標(biāo)識(shí)處

在確定整改落料模前，我們將落料模的沖頭凹刀拆除沖制一批沒有工藝孔的料片，將工藝孔分為0mm即無孔、40mm、50mm、60mm四組人工打磨制作手工樣件。在零件用正常料片生產(chǎn)至出現(xiàn)開裂時(shí)，換上手工樣件進(jìn)行沖壓。實(shí)際結(jié)果與AUTOFORM仿真結(jié)果基本一致，無孔的料片拉伸時(shí)直接撕裂，60mm工藝孔的料片音響孔成形后依舊開裂，40mm與50mm的料片無開裂，但是表面質(zhì)量有變化需后續(xù)調(diào)整，故決定將工藝孔改成50mm。

OP10沖頭凹刀更改：將原凹刀拆除后進(jìn)行測繪，在保證原先底座孔位不變的情況下，將沖頭尺寸改至50mm，凹刀尺寸改至50.2mm。以沖頭，凹刀中心為基準(zhǔn)，用三坐標(biāo)測量出螺栓沉孔與銷孔的中心位置。機(jī)加工直接做準(zhǔn)孔位，切換沖頭凹刀狀態(tài)，上線試模調(diào)整沖孔間隙，落新料片。

模具調(diào)試

沖制500張小孔料片和正常料片一起進(jìn)行零件生產(chǎn)，待正常料片生產(chǎn)至開裂后，在不調(diào)整壓機(jī)參數(shù)及模具的情況下，切換成新的料片。音響孔的開裂消除，但是表面質(zhì)量產(chǎn)生了變化。主要的缺陷有以下幾種。

⑴C柱輪罩處側(cè)面出現(xiàn)起皺。我們將閉合高度向上調(diào)整（圖8），發(fā)現(xiàn)當(dāng)模芯還未全部拉伸到位時(shí)起皺就已產(chǎn)生。這是由于材料內(nèi)部的抗拉強(qiáng)度增加后，壓邊圈的壓邊力就相對減小了。當(dāng)拉伸開始時(shí)大部分材料處于懸空狀態(tài)，容易產(chǎn)生起皺。此處位置的起皺方向?yàn)?5°斜向，料從角上兩側(cè)流入。我們通過調(diào)整模具壓邊圈的平衡塊高度（圖9），并不能完全解除此缺陷，過度依靠墊平衡塊只會(huì)造成壓邊面的不均勻。唯有在下底邊拉延筋上燒焊并研配減小R角，讓它在最后成形時(shí)拉一把料，消除了起皺。

⑵在靠近音響孔的臺(tái)階側(cè)面出現(xiàn)了隱傷(圖10）。

圖8 閉合高度向上調(diào)整

圖9 調(diào)整模具壓邊圈的平衡塊高度

圖10 隱傷出現(xiàn)

在凸模圓角區(qū)域中，該區(qū)材料經(jīng)歷了徑向和切向兩次彎曲。該區(qū)域受到凸模圓角的頂壓和成形力的拉伸作用，板厚減薄嚴(yán)重?？梢哉f是整個(gè)拉伸件變薄最嚴(yán)重的地方，因而此處被稱為拉伸件的“危險(xiǎn)”斷面。在材料底部應(yīng)力增加后，底部材料向側(cè)壁流動(dòng)緩慢，凸模圓角部分所承受的筒底拉應(yīng)力和壓力變大，產(chǎn)生隱傷。線上在發(fā)現(xiàn)隱傷后抬高壓邊圈高度來減少壓邊力，只能減少筒壁傳來的拉應(yīng)力，而這部分應(yīng)力傳遞的深度已經(jīng)很小了，遠(yuǎn)小于底部對它的拉應(yīng)力，所以沒有起到作用。將凸模圓角R由原來的R10放大到R20，增加由底部圓角到側(cè)壁的流動(dòng)量。

同時(shí)拉延筋的形狀對隱傷的影響也很大。拉延筋是板料拉伸成形中的主要控制手段之一，較之其他控制手段具有簡單方便、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。隨著沖壓制件的復(fù)雜程度和難度不斷增加，拉延筋的設(shè)置和調(diào)整已成為拉伸模具設(shè)計(jì)及試模過程中的關(guān)鍵技術(shù)。拉延筋的剖面是半圓形狀，不同圓角的阻力大小直接決定板料的最小彎曲曲率半徑，對板料的變形及力能參數(shù)具有重要的影響。適當(dāng)放大B柱直邊的拉延筋R角也可以減少隱傷的情況。

取得效果和效益

車門內(nèi)板作為外覆蓋件的重要組成部分，具有尺寸大、要求嚴(yán)格、成形困難的特點(diǎn)。拉延工序是覆蓋件沖壓成形的關(guān)鍵工序，覆蓋件的大部分形狀是在此工序形成的，拉延成形的好壞將直接影響覆蓋件質(zhì)量。該工序一方面將成形出零件的大部分形狀，同時(shí)在拉延過程中還將對坯料進(jìn)行切角，減少落料模具，降低成本。而通過工藝孔的設(shè)置可以幫助零件更好的拉延成形，加快材料流動(dòng)性。本項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)積累可以更好的將此方法運(yùn)用于其他車型零件，并且對以后新車型開發(fā)時(shí)的模具工藝設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，有效降低了設(shè)計(jì)和制造成本，縮短生產(chǎn)周期，提高零件質(zhì)量。

在項(xiàng)目改造前報(bào)廢率為5%，改造后報(bào)廢率降為0.3%，以每周生產(chǎn)左右后門內(nèi)板單件共6600件，每件90元計(jì)算。取得效益根據(jù)如下公式計(jì)算：減少廢品節(jié)約價(jià)值＝成品或半成品單件價(jià)值×(改進(jìn)前平均廢品率－改進(jìn)后平均廢品率）×1年產(chǎn)量－工藝改革費(fèi)用=90×(5%－0.3%）×(52×3300×2）-10000=1451736元。故1年可節(jié)省費(fèi)用1451736元。