汽車沖壓件的工藝設(shè)計及典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用

汽車沖壓件按形狀可分為小型件、中型件和大型覆蓋件三類；按材料厚度又可分為薄板類沖壓件和中厚板類沖壓件。汽車沖壓件的工藝設(shè)計就是研究用什么樣的沖壓加工方法和工藝順序來具體實現(xiàn)各類沖壓件的技術(shù)要求，并能符合生產(chǎn)條件要求，研究用什么方法來穩(wěn)定和保證產(chǎn)品質(zhì)量，以及沖壓生產(chǎn)的安全性和經(jīng)濟性。因此，汽車沖壓件的工藝設(shè)計是汽車沖壓生產(chǎn)的一個重要階段。工藝設(shè)計質(zhì)量的好壞和成功與否，對后期產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性以及汽車成本有著很大的影響。因此，在工藝設(shè)計階段確定對沖壓工藝設(shè)計的相關(guān)影響因素，并找出所設(shè)計沖壓件的沖壓成形的重點和難點加以重點分析和研究非常重要。

沖壓工藝設(shè)計階段應(yīng)考慮的相關(guān)因素很多，一般包含以下幾方面：沖壓件的工藝性、沖壓生產(chǎn)條件、沖壓產(chǎn)品精度要求、沖壓材料要求、沖壓件的質(zhì)量控制手段、設(shè)備的要求和環(huán)境的要求、與相關(guān)零件的焊接、裝配面的要求及孔的精度要求等。

汽車沖壓件的工藝性

對汽車沖壓產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計，首先要根據(jù)產(chǎn)品圖樣對沖壓件進(jìn)行工藝性分析，其中主要是分析在不影響產(chǎn)品性能和使用的前提下，所沖壓的產(chǎn)品對沖壓工藝的適應(yīng)性。一般情況下，對沖壓工藝性影響最大的是零件的幾何形狀和精度要求。良好的沖壓工藝性能省料、省工序，模具易加工且壽命高，操作安全方便，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)濟效益好等。

一般汽車沖壓件主要以沖裁件、彎曲件和拉延成形件為主，掌握這三種類型件的基本工藝性要求，以便在工藝設(shè)計之初就提出對產(chǎn)品設(shè)計的改進(jìn)是非常有效可行的。

1.沖裁件

1）形狀應(yīng)盡量能使材料合理排樣，減少廢料。2）直線或曲線連接處應(yīng)有適當(dāng)圓角，以利于模具的制造、維修和使用。3）避免過長的狹長外形。4）孔徑及孔距應(yīng)符合最小尺寸要求。

2.彎曲件

1）彎曲件的圓角半徑不能小于最小彎曲半徑，以免產(chǎn)生裂紋，但也不能過大，否則會造成零件回彈。2）彎曲時應(yīng)防止孔的變形，孔邊與彎曲處應(yīng)有合理的距離，以避免孔的變形。3）彎邊長度不易過小。4）壓彎件應(yīng)盡量考慮工藝孔定位和成雙壓彎，以改變受力情況。

3.拉延成形件

1）拉延件凸緣與側(cè)壁的圓角半徑R及底部與側(cè)壁的圓角半徑R應(yīng)盡量放大，圓角半徑大，能夠使零件容易拉延成形。

2）拉延件應(yīng)盡量對稱或采取左右對稱的拉延件。以便成雙拉延，然后切開為兩件。

汽車沖壓件的工藝分析及典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用

1.沖壓方向的選擇

確定沖壓方向是沖壓工藝設(shè)計的一個基本要求，沖壓方向選擇的正確與否，直接影響沖壓產(chǎn)品的質(zhì)量和模具使用性能，它是沖模設(shè)計和制造的依據(jù)。沖壓方向選擇合理，會減輕壓彎件的回彈，降低拉延件的成形深度，改變成形件的變形性質(zhì)等。因此，沖壓方向的選擇應(yīng)在工藝分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，沖壓方向選擇不合理，會帶來不好的影響。

一種前支架的第一道成形工序，因考慮到板料經(jīng)壓料板與凹模壓料從凹?？诶M(jìn)凹模時容易在制件外表面產(chǎn)生拉痕，原沖壓方向如圖1a所示，此沖壓方向模具如圖1b所示。但該種結(jié)構(gòu)由于成形過程中板料無壓料圈壓料，材料未充分拉深，在凸凹模成形動作結(jié)束后，材料內(nèi)部應(yīng)力載荷消失，由于彈性必然引起向原來位置伸直的趨向，導(dǎo)致制件產(chǎn)生很大回彈，同時法蘭邊平整度較差。因為該產(chǎn)品成形圓弧處需要與管制件匹配焊接，回彈較大將影響后序焊接，同時底面不平將使后序沖孔尺寸無法保證。

為了減小回彈，保證制件成形后的平面度，現(xiàn)改變沖壓方向（見圖2），采用壓料圈壓料結(jié)構(gòu)設(shè)計工藝。這樣，在成形過程中托桿通過壓料圈對板料施加足夠的壓力，板料在被壓料圈與凹模夾緊的狀態(tài)下沿凹?？诶M(jìn)凹模，板料截面內(nèi)應(yīng)力主要為拉應(yīng)力，材料延展較充分。成形結(jié)束后，應(yīng)力卸載時回彈方向較一致，使制件形狀只發(fā)生很小的變化，回彈范圍和法蘭邊平面度可以滿足后序使用要求。此件為側(cè)防護內(nèi)表面浸漆產(chǎn)品，因此制件表面輕微拉毛能被黑漆遮蓋，不影響產(chǎn)品使用。

2.壓料面的選擇

壓料面是毛坯在凹模圓角以外的法蘭部分，壓料圈以一定壓力將蓋面壓緊在凹模面上防止毛坯起皺，對毛坯產(chǎn)生一定的進(jìn)料阻力。壓料面有兩種，一種是沖壓件本身的凸緣面，另一種是工藝補充面。合理地選擇壓料面，能夠降低拉延成形深度，防止皺紋和裂紋的產(chǎn)生，有利于拉延成形。

駕駛室左右后邊梁沖壓件（為左右對稱件）如圖3所示。為改善拉延條件，創(chuàng)造好的沖壓工藝性，工藝設(shè)計時確定為成雙拉延。圖中A、B兩處是兩個向上的凸起，C面是與其他件的焊接裝配面。為了A、B兩處凸起能在拉延時一起成形，同時為了提高覆蓋件的外觀質(zhì)量，減少拉痕，壓料面選在圖示D面上，同時增加工藝補充，將工藝補充做為壓料面，也增加了拉延深度，這種壓料面的分界和選擇，在拉延時容易使拐角 處破裂或縮頸，拐角E處下面的C面起皺并疊起。對于拉延件皺與裂本身是一對矛盾，增大壓料力，C面起皺減輕，而拐角E處裂紋加?。粶p小壓料力，拐角E處裂紋減輕容易縮頸，而C面皺紋加劇并疊起。為了沖壓出件只能讓C面起皺，以保證拐角E處不裂，而C面是焊接裝配面，會影響點焊的焊接質(zhì)量。

通過分析可以看出，C面的板料在拐角E處成形過程中受拐角E和壓料面D的作用成斜面（見圖4），材料處于無支撐的自由表面區(qū)，由于拐角E成形和C面板料懸空無支撐，處于失穩(wěn)狀態(tài)，成形過程中，C面板料徑向受拉應(yīng)力，切向受壓應(yīng)力形成皺。隨著成形的深入，皺紋加劇并疊起，為減輕皺紋，當(dāng)增加壓料力時，進(jìn)料阻力加大，起皺減輕，但拐角E處成形時材料得不到充分補充。超過成形極限，E處破裂加劇。由于壓料面的選擇不當(dāng)，造成難以處理的沖壓缺陷。如果壓料面選在C面上，拐角E成形時，C面板料處于壓料狀態(tài)，皺和裂的問題都能得到解決。這時A和B兩處向上的凸起，可以在壓料圈上開躲壁，下面是凸模，拉延到底時在該處局部成形，與其他部分形狀同時成形（見圖5）。

另外，這種壓料面是屬于制件本身的凸緣面。因此，在C面上會留下拉痕。但該件C面焊接后在里側(cè)，不會影響外觀。因此，壓料面的分界和選擇要在分析制件使用性能和成形特點的情況下，弄清哪些是外露面，哪些是焊接裝配面，何處是成形難點，以便于正確選擇和有利于拉延成形。

另外，對于需要壓料面的拉深零件，一種壓料面的一部分就是拉深件的法蘭面，而另一種情況是壓料面全部屬于工藝補充部分。這種情況下，主要以保證良好的拉深成形條件為主要目的進(jìn)行壓料面的設(shè)計，但這部分材料在拉深工序后將在修邊工序被切除，所以，對于這類零件要盡量減少壓料面的消耗定額。

3.工藝孔和工藝定位包的利用

當(dāng)拉深件的形狀曲面較平滑時，輪廓形狀在修邊工序中不能用于定位。這時可以在拉深件的工藝補充部分增設(shè)工藝定位包或在接近拉深成形結(jié)束時沖制定位孔。底盤產(chǎn)品橫梁一序拉延如圖6所示，產(chǎn)品成形面平緩。二序修邊如果以型面定位將導(dǎo)致定位不可靠，使生產(chǎn)者操作困難，同時容易產(chǎn)生修邊缺肉等不合格情況?？紤]產(chǎn)品及操作需要，在一序拉延件上后序可以修除的工藝補充部分預(yù)設(shè)工藝定位包，后序修邊工序以工藝包為定位基準(zhǔn)，則可以很好地解決定位不穩(wěn)和可能產(chǎn)生不合格產(chǎn)品的問題。

對于復(fù)雜曲面拉深件某些凹形或反成形部分，當(dāng)局部變形程度大，外部材料難以補充時，可在局部突起變形區(qū)內(nèi)工藝補充部分的適當(dāng)位置或在拉應(yīng)力最大的拐角處沖出孔或切口，這種孔及切口即為工藝孔或工藝切口。

產(chǎn)品下支座如圖7所示，其成形深度為 6 4 . 5 m m ，在一序切角后需兩次拉延成形，一次拉延高度為 在拉深過程中，零件內(nèi)孔已被內(nèi)工藝補充材料封閉，形成拉深件內(nèi)部反成形形狀。這部分形狀的成形不能靠外部材料進(jìn)行補充，只能靠該部位毛壞的脹形（即厚度變?。﹣韺崿F(xiàn)面積的增大。從而使這部分材料在沖壓成形過程中很容易出現(xiàn)破裂，且裂紋容易擴展到修邊線以外（即沖壓件上），甚至整個破裂都發(fā)生在沖壓件上。同時在拉延成形中，毛坯在凸模圓角處一直承受著材料延展的拉應(yīng)力，并且還受到凸模圓角的壓應(yīng)力，使這部分材料變薄最為嚴(yán)重，危險斷面就在凸模圓角附近處（見圖8）。在一次拉延模調(diào)試過程中，該產(chǎn)品拉延工序件經(jīng)常出現(xiàn)圓角處破裂現(xiàn)象。

為解決成形中外部材料無法進(jìn)行補充帶來的問題，可以采取在拉深毛壞上的適當(dāng)位置預(yù)沖出工藝孔，或拉深過程中在局部變形區(qū)的適當(dāng)位置沖切工藝切口的方法。工藝孔大小應(yīng)合適，孔太大，成形時頂部拉應(yīng)力變小，容易造成翻孔現(xiàn)象；孔太小，頂部拉應(yīng)力不能充分緩解，材料不能充分流入補充，則會造成頂部孔周邊開口或圓角處縮頸。因此對該產(chǎn)品經(jīng)分析后決定在一序切角工序中預(yù)沖出1一 ? 1 0 m m 工藝孔（見圖9）。這樣，可以使成形區(qū)內(nèi)部材料向外補充，因而減少危險區(qū)的拉應(yīng)力，使容易破裂區(qū)域的變形情況得到改善，同時可以從相鄰區(qū)域里得到材料補充，避免破裂的發(fā)生。實踐證實，該工藝方法效果較理想，有效解決了該產(chǎn)品拉延工序局部材料易破裂的問題。

另外，對于一些拉深深度較深或脹形變形較大、容易產(chǎn)生破裂的部位，若正好存在內(nèi)工藝補充部位，則應(yīng)在拉深工序中考慮增加工藝孔或工藝切口來改變毛壞的變形程度，消除破裂因素。

左右框架加強板局部成形的工藝補充

在拉深復(fù)雜曲面拉深件時，當(dāng)其拉深件帶有很深的凹坑或有較大的凸起及鼓包時，在拉深成形時，往往由于不能從壞料的外部得到材料的補充而造成零件的局部破裂。這時，為了避免這種現(xiàn)象，可考慮在成形工序前的預(yù)成形過程中，預(yù)留出部分工藝補充材料，使容易破裂的區(qū)域從工藝儲備材料中得到材料的補充。

該產(chǎn)品局部存在較深的成形凹坑，如圖10所示，該位置在成形過程中，材料流入量不足以形成零件的既定形狀，零件的成形主要依靠材料的局部變薄而成形。在成形時凹坑頂部圓角變形區(qū)材料同時承受雙向拉應(yīng)力，徑向產(chǎn)生伸長變形，導(dǎo)致厚度減薄，超過材料變形承擔(dān)時，導(dǎo)致凹坑頂部破裂（見圖11）。

在不能靠外部材料的流入來補充的情況下，為減少頂部變形區(qū)拉應(yīng)力，在第一道工序預(yù)拉深時在后序凹坑位置處，預(yù)成形出一個中心凸起的工藝材料補充鼓包（見圖12），使材料充分儲備。該工藝補充在二次成形時使用，可以解決外部材料流入量不足而產(chǎn)生制件開裂的問題。在預(yù)留工藝材料補充時，如果該工藝補充在第一次凸起預(yù)成形中，凸模圓角半徑過小，儲備的材料不足，使該工藝補充在最終成形工序中過早參與了變形，導(dǎo)致頂部材料減薄，也會造成凹坑處破裂。因此，第一道工序預(yù)拉深儲備的凸起要預(yù)估第二道成形工序的成形形狀，并使這兩者的表面積大體相等。

結(jié)語

綜上所述，汽車零件的沖壓工藝設(shè)計必須認(rèn)真分析所設(shè)計沖壓件的使用性能和精度要求，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件，針對某一部分的重點和難點，加以認(rèn)真分析和研究。對難度較大或復(fù)雜的零件，可以采取理論分析和經(jīng)驗積累并舉進(jìn)行或參考類似零件的數(shù)據(jù)進(jìn)行工藝設(shè)計以及計算機輔助設(shè)計。因此，工藝設(shè)計的方案性評審顯得尤為重要，通過評審可將問題解決在工藝設(shè)計之中，為以后沖模設(shè)計制造和沖壓生產(chǎn)打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖景容.沖壓工藝學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994.

[2]中國機械工程學(xué)會鍛壓學(xué)會.鍛壓手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3]楊玉英.模具設(shè)計制造與組合裝配手冊[M].北京：中國科技文化出版社，2007.AUTO1950