汽車驅(qū)動橋殼冷沖壓模具設(shè)計

王曉峰

（陜西保利特種車制造有限公司，陜西西安 710200）

1 引言

圖1 所示為驅(qū)動橋半橋殼，是我公司新型驅(qū)動橋的一個關(guān)鍵制件，驅(qū)動橋半橋殼的質(zhì)量直接影響著整個驅(qū)動橋的質(zhì)量，其材料為Q460C，半殼壁厚為11mm。

2 加工難點

制造半殼的沖壓工藝，又可分為“冷沖壓”和“熱沖壓”。目前使用較多的是熱沖壓，即在沖壓成形加工之前，先將板料加熱至727℃～1,394℃，以提高材料的塑性，然后再進行沖壓成形。對于后橋殼這種較厚的板料，這種加工方法可以有效避免冷沖壓可能產(chǎn)生的厚度不均勻、成形件破裂以及內(nèi)應(yīng)力等加工缺陷。

冷沖壓技術(shù)就是通過壓力機驅(qū)動模具，使板料產(chǎn)生塑性變形而最終形成一定形狀的塑性成形方法。冷沖壓技術(shù)剛好能克服熱沖壓的缺點，而且成形件生產(chǎn)成本很低，生產(chǎn)效率也較高，適合大批量生產(chǎn)。但冷沖壓以往是用在汽車覆蓋件等薄板料的制造過程中，材料厚度在8mm 以下。隨著模具技術(shù)的進步，更好的模具材料、熱處理方法、先進的設(shè)計方法，以及成形分析手段的發(fā)展，利用冷沖壓沖制10mm 以上的驅(qū)動橋后橋殼成為可能。

目前，沖焊后橋殼的制造仍然以熱沖壓為主，冷沖壓只占少數(shù)。但綜合考慮制件質(zhì)量、生產(chǎn)成本等因素，其實二者各有利弊，如表1所示。

表1 冷沖壓與熱沖壓的對比

從表1 中可以看出，冷沖壓與熱沖壓各有各的優(yōu)點，其中，冷沖壓成形件質(zhì)量相對較差，但生產(chǎn)成本很低，生產(chǎn)效率也較高，因此適合大批量生產(chǎn)；而熱沖壓雖然成形件質(zhì)量相對較好，但其生產(chǎn)成本很高，生產(chǎn)周期也較長，不利于生產(chǎn)率的提高?；谝陨峡紤]，目前各大后橋殼生產(chǎn)企業(yè)紛紛開始研究冷沖壓技術(shù)。

3 冷沖壓模具工藝結(jié)構(gòu)對比與參數(shù)分析

3.1 冷沖壓工藝及其數(shù)值分析模型

在冷沖壓加工過程中的沖壓步驟是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為選擇合適的沖壓步驟工藝結(jié)構(gòu)和參數(shù)，需要對其進行數(shù)值分析。在板料的沖壓成形過程中，數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。因此，本文采用Dynaform 軟件對后橋殼冷沖壓工藝參數(shù)及模具設(shè)計進行數(shù)值模擬分析。根據(jù)沖壓模具設(shè)計經(jīng)驗，本文將使用如圖2所示的結(jié)構(gòu)作為沖壓方案。

圖2中，上下兩邊分別為凸模與凹模，中間為待成形的板料。并針對該方案在Dynaform 軟件中構(gòu)建了數(shù)值分析模型。半殼的壁厚為11mm。材料為Q460C，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7,800kg/m3。

在不影響分析結(jié)果的前提下，對整個冷沖壓模擬過程做如下假設(shè)：

（1）在分析的過程中，始終認為凸模、凹模以及氣墊頂料機構(gòu)均為剛體，這樣做也可以簡化問題的分析難度，并在一定程度上減小了計算量。

（2）當(dāng)需要考慮摩擦力時，摩擦力按照庫侖摩擦力來計算，即滑動摩擦力與接觸面間的正壓力成正比，因此，此時的摩擦力也可以用接觸面間的摩擦系數(shù)來表征。

（3）由于氣墊壓料力很大，因此，對于氣墊壓料機構(gòu)與凸模之間的材料，其表面由于受到巨大的靜摩擦力的作用，在成形的過程中幾乎不發(fā)生任何位移，或即使發(fā)生位移，與其他地方相比，也可以忽略不計，則可以認為此處的材料受到了一個固定約束，即位移為零。

為了出分析的針對性，這里只考慮褶皺與破裂等兩種缺陷分別單獨出現(xiàn)時的情況，并分析其影響因素，而不考慮兩種缺陷同時出現(xiàn)的情況。

3.2 冷沖壓工藝結(jié)構(gòu)

由于驅(qū)動橋半殼具有較高的對稱性，因此，直觀地看，可以選擇上端圓面的法線方向作為壓形方向。該方向很好地滿足了“平衡”的要求，即當(dāng)沿著此方向進行沖壓成形工序時，其成形力與材料的流動都能達到很好的平衡。

壓邊圈與氣墊壓料機構(gòu)是模具中重要的工藝結(jié)構(gòu)，其具有控制材料流動的作用，對成形件的質(zhì)量有著重要的影響。

通過成形分析，從圖3可知僅采用氣墊壓料機構(gòu)時，材料的褶皺最小，成形件整體尺寸精度非常高，而數(shù)值模擬的結(jié)果顯示成形件上有褶皺，但不是很嚴重，能夠滿足沖壓精度的要求。在該模具的設(shè)計中，氣墊壓料機構(gòu)是不可或缺的結(jié)構(gòu)，在設(shè)計過程中應(yīng)該加以采用。

模具的間隙對成形加工的過程有著重要的影響。此外，成形過程中模具與板料之間接觸的不均勻也導(dǎo)致了應(yīng)力分布的不均勻，進而造成塑性變形的不均勻，從而引起褶皺與破裂等缺陷。通過將逐漸增大模具間隙，并對成形過程進行連續(xù)的仿真，結(jié)合壓料力對成形件破裂和褶皺兩方面的影響，當(dāng)模具間隙處于1.10～1.19 倍壁厚范圍內(nèi)時，可得到比較理想的成形件，該模具間隙取中間值1.15倍壁厚。

4 確定模具結(jié)構(gòu)

依據(jù)上面的工藝分析結(jié)果，采用凸模不帶壓邊圈，凹模中間采取氣墊壓料機構(gòu)的形式設(shè)計模具，該冷沖壓模具的總裝圖如圖4、圖5所示。

模具工作過程：模具工作時，利用壓床氣墊將托料塊和托料桿頂起，放置坯料并定位合適，凸模裝在上模，凹模裝在下模。工作時，上模下行，凸模將料片與托料塊和托料桿壓緊；然后，在壓床壓力下，凸模將托料裝置和坯料同時向下推，坯料被逐漸壓入凹模內(nèi)，在凸、凹模共同作用下，產(chǎn)生塑性變形而制成所要求的制件。整個成形過程中，壓床氣墊壓力保持不變，隨著凸模下行，板料被加工成需要的形狀。

5 結(jié)論

該冷沖壓模具結(jié)構(gòu)合理緊湊、裝夾方便、定位準確，操作可靠安全。目前，該模具已完成多輪的試沖，模具經(jīng)過調(diào)整后，沖壓成形件出來的半殼均未出現(xiàn)褶皺、破裂等缺陷。經(jīng)應(yīng)用驗證，該工藝方案和冷沖壓模結(jié)構(gòu)是有效且可靠的。