一種V形高強(qiáng)度薄板拉延件工藝方案的研究

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，節(jié)能型汽車越來(lái)越被消費(fèi)者認(rèn)可，汽車白車身零件越來(lái)越講究輕量化、高強(qiáng)度，越來(lái)越多的高強(qiáng)薄板應(yīng)用到?jīng)_壓件中，為保證車型外觀美觀，沖壓件形狀也變的更加復(fù)雜。但此類零件由于材料屈服強(qiáng)度高、延伸率低，零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拉延深度大，壓料面高低差大，零件工藝性先天不足，零件在沖壓過(guò)程中極易出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂等質(zhì)量缺陷，這就對(duì)沖壓工藝方案的選擇和模具制造過(guò)程中的整改提出了更高的要求。
 

本文將以V形高強(qiáng)薄板零件為例，講述此零件沖壓工藝方案的選擇和零件開(kāi)裂、起皺等問(wèn)題的解決方案。
 

該零件左件與右件對(duì)稱，材料抗拉強(qiáng)度590MPa，產(chǎn)品沖壓方向深度約220mm。產(chǎn)品模型如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品模型
 

工藝方案分析與選擇
 

產(chǎn)品數(shù)模類似于V形，無(wú)論哪種工藝方案均需以V形中間作為沖壓方向，考慮過(guò)使用以下三種拉延方式。
 

方案一

如圖2所示，左右件單做，采用拉延 、修邊沖孔、修邊斜楔修邊、上翻邊、下翻邊翻孔斜楔沖孔的方式。從CAE分析結(jié)果可以看出，單獨(dú)拉延零件周邊起皺嚴(yán)重，亦存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 方案一拉延效果圖

方案二

左右件成雙做，采用二次拉延的方式。工藝方案為拉延、二次拉延、修邊沖孔、修邊斜楔修邊、上翻邊、翻邊翻孔斜楔沖孔。CAE分析結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，零件首次拉延和二次拉延均存在較多起皺區(qū)域。

圖3 方案二拉延效果圖

方案三

左右件成雙，采用一次拉延成形，工藝方案為：成雙拉延、修邊沖孔、修邊斜楔修邊、上翻邊、下翻邊翻孔斜楔沖孔。CAE分析結(jié)果如圖4所示。

從CAE分析結(jié)果可以看出：成雙拉延零件也存在起皺現(xiàn)象，但起皺區(qū)域大多在產(chǎn)品以外的部分。綜合分析如表1所示。

通過(guò)表1可以說(shuō)明：只有工藝方案三，工裝投入少，且CAE分析效果較方案一和二要好，故采用工藝方案三。

圖4 方案三拉延效果圖

表1 三種方案綜合分析

起皺問(wèn)題的解決

根據(jù)塑性變形體積不變定律：塑性變形時(shí)的物體體積不變，塑性變形以前的體積等于其變形以后的體積。通過(guò)在非產(chǎn)品區(qū)域增加吸皺包，將多余的材料流至吸料包中從而達(dá)到解決起皺的作用，模具設(shè)計(jì)方案如圖5、圖6所示。

圖5 零件成形網(wǎng)格圖

圖6 拉延增加吸皺包

按方案實(shí)施后，零件起皺問(wèn)題得到解決。實(shí)際拉延件改善情況如圖7所示。

圖7 起皺解決

零件翻邊開(kāi)裂問(wèn)題的解決

拉延修邊之后，在OP40翻邊時(shí)零件出現(xiàn)開(kāi)裂。開(kāi)裂情況如圖8所示。翻邊時(shí)零件雙向受拉應(yīng)力，從而造成零件開(kāi)裂，取開(kāi)裂部位一個(gè)單位做應(yīng)力分析：點(diǎn)1受力情況為兩向受拉應(yīng)力，一向受壓應(yīng)力，如圖9、圖10所示。

點(diǎn)1區(qū)域在應(yīng)力σ1、σ2、σ3的作用下，金屬向兩邊流動(dòng)（負(fù)A向和負(fù)B向），此翻邊屬于伸長(zhǎng)類翻邊，局部伸長(zhǎng)類翻邊區(qū)域變形程度超出了高強(qiáng)板材料允許變形程度出現(xiàn)開(kāi)裂。

圖8 零件出現(xiàn)開(kāi)裂

圖9 點(diǎn)1的受力情況

圖10 點(diǎn)1的應(yīng)力狀態(tài)模擬

從點(diǎn)1、2、3的應(yīng)力狀態(tài)可以看出，點(diǎn)1區(qū)域的金屬在翻邊過(guò)程中向負(fù)A向和負(fù)B向流動(dòng)，局部伸長(zhǎng)類翻邊區(qū)域變形程度超出了材料允許變形程度出現(xiàn)開(kāi)裂。

故對(duì)模具采取以下措施，將翻邊鑲塊做出高低差，使翻邊過(guò)程中區(qū)域2和區(qū)域3先產(chǎn)生變形，讓材料充分流入?yún)^(qū)域1。模具整改情況如圖11所示。

圖11 模具整改情況

再有根據(jù)塑性變形時(shí)的物體體積不變，塑性變形以前的體積等于其變形以后的體積。那么在翻邊前將區(qū)域1的材料增多，從而使區(qū)域1有足夠的材料向兩側(cè)流動(dòng)，防止在翻邊過(guò)程中出現(xiàn)拉裂的情況。故在拉延序可以增加兩個(gè)儲(chǔ)料包(圖12)，從源頭上補(bǔ)充區(qū)域1的材料。

圖12 在拉延序增加儲(chǔ)料包

方案實(shí)施后，效果明顯，零件開(kāi)裂得到解決，如圖13所示。

圖13 開(kāi)裂問(wèn)題解決

結(jié)束語(yǔ)

⑴零件形狀較為復(fù)雜的高強(qiáng)薄板零件在成形過(guò)程中易出現(xiàn)起皺開(kāi)裂等缺陷，分析成形過(guò)程中的受力情況和材料流動(dòng)情況有助于合理設(shè)計(jì)沖壓工藝，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成功率。

⑵對(duì)于零件起皺，增加壓邊力，加高加大拉延筋仍無(wú)法改善的情況，需要根據(jù)塑性變形體積不變定律（塑性變形時(shí)的物體體積不變，塑性變形以前的體積等于其變形以后的體積）的原理，在產(chǎn)品以外的區(qū)域設(shè)計(jì)吸皺包，增大材料可流動(dòng)的面積，從而起到消除起皺的作用。

⑶對(duì)于零件的開(kāi)裂，通過(guò)進(jìn)行局部區(qū)域的應(yīng)力分析，應(yīng)用趕料機(jī)理，通過(guò)模具結(jié)構(gòu)調(diào)整，改變局部區(qū)域的受力情況，從而改變材料流動(dòng)量，使周邊的材料對(duì)開(kāi)裂區(qū)域的材料進(jìn)行補(bǔ)充，從而達(dá)到消除開(kāi)裂的目的。

⑷對(duì)于零件的開(kāi)裂，可以通過(guò)增加儲(chǔ)料包，從而從根本上對(duì)開(kāi)裂區(qū)域的材料進(jìn)行補(bǔ)充，防止翻邊開(kāi)裂。

作者簡(jiǎn)介

李一平，主要從事沖壓部品工程內(nèi)外品質(zhì)問(wèn)題的消除等工作，曾先后獲得東風(fēng)汽車公司科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文三等獎(jiǎng)，東風(fēng)汽車公司青年自主創(chuàng)新銅獎(jiǎng)1項(xiàng)。

——本文節(jié)選自《鍛造與沖壓》2019年第8期。