沖壓模具壓邊圈工藝改善與生產(chǎn)成本遞減研究

周建勛，孫 侃

(天津一汽豐田汽車有限公司 天津 300457)

0 引 言

汽車覆蓋件成形的主要工序?yàn)槔印⑿捱吅头?，零件的大部分幾何特征都是由這3道工序完成。其中拉延為最為關(guān)鍵的工序，通過該工序，完成覆蓋件的主體成形，材料的主要塑性變形也在該工序中得以完成，平板狀坯料被拉延成復(fù)雜的空間覆蓋件零件。因此，拉延工序的成功關(guān)系到后續(xù)工序的有效進(jìn)行[1]。

由于汽車覆蓋件的形狀比較復(fù)雜，成形過程中毛坯變形也很復(fù)雜，如果直接按照沖壓件圖進(jìn)行展開來確定毛坯的形狀和尺寸，則難以保證零件在沖壓過程中能順利成形。因此，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該首先跟據(jù)零件的形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)拉伸件。拉伸件的設(shè)計(jì)通常是以零件的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，添加工藝補(bǔ)充面和壓邊圈的壓料面構(gòu)成的，工藝設(shè)計(jì)合理與否，直接關(guān)系后續(xù)零件成型質(zhì)量的好壞[2]。

1 壓邊圈概念

壓邊圈是沖壓模具在拉伸過程中，為防止工件邊緣部分失穩(wěn)引起鋼板從四周向中間走料過多導(dǎo)致制件起皺，而在成型模具凹、凸模之間邊緣部分設(shè)置的圈形壓緊鎖料裝置。

拉延筋在汽車覆蓋件的拉延成形中占有非常重要的地位。這是由于在拉延成形過程中，毛坯的成形需要一定大小且沿周邊適當(dāng)分布的拉力，這種拉力來自沖壓設(shè)備的作用力、法蘭部分毛坯的變形抗力和壓料面的作用力。壓料面的作用力只靠壓邊力作用于模具和材料之間的摩擦力往往是不夠的，還需要在壓料面上設(shè)置能產(chǎn)生很大阻力的拉延筋以滿足毛坯材料塑性變形和塑性流動(dòng)的要求。同時(shí)，利用拉延筋可以在較大范圍內(nèi)控制變形區(qū)毛坯的變形大小和變形分布，抑制破裂、起皺和表面畸變等多種沖壓質(zhì)量問題的產(chǎn)生[3]。

2 沖壓制件凸起部分材料的應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)

制件凸起部分是拉伸時(shí)鋼板的主要變形區(qū)域，這部分主要受3個(gè)方向應(yīng)力作用，如圖1所示(藍(lán)色圈為制件拉伸成型的拉延筋部位)。

圖1 沖壓制件成型拉延筋部位受力圖Fig.1 Drawing rib stress diagram of stamping parts

成型性橫向受σ2應(yīng)力作用，縱向壓邊圈部分受σ1應(yīng)力作用，這兩種應(yīng)力使鋼板產(chǎn)生塑性變形，并向中心移動(dòng)到凸模和凹模形成的間隙里，最終形成所需零件。

在制件成型拉伸過程中，拉伸部分變形區(qū)的制件在橫向應(yīng)力σ2的作用下，很容易出現(xiàn)受力不均勻而導(dǎo)致的制件起皺現(xiàn)象，為防止制件起皺，在生產(chǎn)中就必須在模具上增加壓邊圈工藝，在成型過程中壓邊圈會(huì)受到垂直壓邊力σ3作用。這樣，鋼板在拉伸成型時(shí)所需用料在壓邊圈和凹模間通過，使制件不至由于走料過多導(dǎo)致起皺。與此同時(shí)，鋼板與模具凸凹模在壓力機(jī)垂直壓力的作用下產(chǎn)生的摩擦力阻止鋼板發(fā)生滑動(dòng)。

生產(chǎn)過程中控制壓邊力的大小適度很重要。當(dāng)壓邊力過大時(shí)鋼板受到過大的壓邊力，產(chǎn)生較大的摩擦力，鋼板流料不容易被拉入凹模，制件容易發(fā)生開裂；壓邊力過小時(shí)，鋼板在拉伸過程中的摩擦力過小，模具內(nèi)成型材料走料過多導(dǎo)致制件很容易起皺，制件起皺后容易導(dǎo)致多層料重疊，直接損壞模具。所以拉延筋的成型對(duì)于沖壓制件的成型性起著非常重要的作用。

3 拉延筋對(duì)沖壓工藝廢料產(chǎn)生量的影響

工藝廢料是沖壓制件在成型過程中必不可少的，工藝廢料產(chǎn)生量大小直接決定鋼板有效利用率的高低。沖壓工藝廢料越大，鋼板有效利用率越低，造成沖壓的成本就會(huì)相應(yīng)升高；反之，沖壓工藝廢料越小，鋼板有效利用率就越高，沖壓的成本就會(huì)降低。

現(xiàn)在一汽豐田沖壓車間的鋼板有效利用率平均為63%，相當(dāng)于每買進(jìn)1 t鋼板生產(chǎn)成制件后直接廢棄0.37 t，物料成本非常高。為降低沖壓生產(chǎn)成本，沖壓車間內(nèi)如何提高鋼板的有效利用率來降低成本成為了全世界沖壓行業(yè)的共同課題。

在上述0.37 t廢棄鋼板中，拉延筋以外部分的邊角廢料約占廢料鋼板一半左右，數(shù)額非常大。如果能將拉延筋部分的工藝廢料有效遞減，則對(duì)于沖壓成本遞減效果顯著。

4 壓邊圈結(jié)構(gòu)改進(jìn)

為降低沖壓制件生產(chǎn)成本，一汽豐田沖壓車間在新車導(dǎo)入過程中對(duì)模具拉延筋進(jìn)行了設(shè)計(jì)式樣變更。由于拉延筋改進(jìn)后應(yīng)用的局限性，沖壓只針對(duì)漲形模具——門外板模具進(jìn)行了改善。

沖壓以前車型所采用的是壓邊圈拉延筋為U形樣式，如圖2所示。

圖2 拉延筋U形槽制件示意圖Fig.2 Schematic diagram of drawbead U-groove

通過對(duì)成型數(shù)據(jù)分析后，將原來的U形壓邊圈變更為Z形壓邊圈，如圖3所示。

圖3 拉延筋Z形槽制件示意圖Fig.3 Schematic diagram of drawbead Z-groove

5 改進(jìn)后成型效果確認(rèn)

模具改成新的壓邊圈樣式后，在生產(chǎn)過程中對(duì)模具進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集分析，如圖4所示。

圖4 兩種壓邊圈的受力波形圖對(duì)比Fig.4 Comparison of stress waveforms of two kinds of blank holders

通過對(duì)比新舊2種壓邊圈在相同設(shè)備和生產(chǎn)條件下的受力波形圖發(fā)現(xiàn)，舊式樣U形拉延筋的受力波形波動(dòng)較大，模具中心受力為1 486 kN，而新的Z形壓邊圈的受力波形較為平穩(wěn)，模具中心受力為2 415 kN。波形顯示在成型過程中由于U形拉延筋樣式中心受力小，四周受力大，且波形不穩(wěn)定，很容易在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)開裂或褶皺等品質(zhì)不良，而新的Z形拉延筋樣式完全不存在波形不穩(wěn)狀態(tài)，模具中心和四周的受力狀態(tài)基本相當(dāng)，使沖壓制件的成形性更穩(wěn)定，更不容易發(fā)生制件開裂或褶皺現(xiàn)象。

6 改善后經(jīng)濟(jì)性總結(jié)

新老壓邊圈沖壓制件的剖視分析見圖5。

圖5 新老壓延筋拉伸制件對(duì)比圖Fig.5 Comparison of new and old drawbead drawing parts

由示意圖中可以發(fā)現(xiàn)，U形壓邊圈比Z形壓邊圈多了(4+6)mm的鋼板用量，相當(dāng)于利用老式U形壓邊圈的制件比利用新式Z形壓邊圈的制件單邊多廢棄10 mm的鋼板，而采用新的Z形壓邊圈以后，制件的四周可各節(jié)約10 mm的鋼板材料。

現(xiàn)在用新式Z形壓邊圈以后的尺寸可以減小到長×寬＝(1 980×980)mm，示意圖如圖6。

圖6 門外板全周節(jié)約10 mm的鋼板Fig.6 10 mm steel plate saved by whole circumference of outer door panel

圖中藍(lán)色四周的部分為改善后節(jié)約部分，按每塊鋼板可節(jié)約15元，每臺(tái)車前后門共可節(jié)約30元，按新車年產(chǎn)量15萬臺(tái)計(jì)算，沖壓車間每年可節(jié)約300萬元左右的鋼板成本。

綜上所述，能提升車身材料利用率的方案有很多且在設(shè)計(jì)的前期考慮利用率優(yōu)化最有效，節(jié)省成本最多，越到后面材料利用率的優(yōu)化越是困難。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)的初期就應(yīng)該投入更多時(shí)間和人力對(duì)怎樣提高利用率進(jìn)行研究，對(duì)降低整車成本、有效提升行業(yè)競爭力有著重大的意義[4]?！?/p>