機蓋外板拉伸模排氣孔對成形質(zhì)量的影響

董 佳

保定市精工汽車模具技術(shù)有限公司（河北保定 071000）

1 引言

汽車企業(yè)為了降低成本則會在現(xiàn)有的資源上最大限度的提高生產(chǎn)節(jié)拍，沖壓車間的生產(chǎn)效率是關(guān)鍵的制約因素之一。沖壓生產(chǎn)線是高速的沖壓過程，節(jié)拍可達(dá)16次/min。在如此快的節(jié)拍下生產(chǎn)，拉伸模的排氣問題所影響到的外觀件的不可修復(fù)的質(zhì)量缺陷及影響到的自動化生產(chǎn)問題就成為沖壓車間的一大難題。下面將通過幾種車型的機蓋外板的成形，分析氣腔的形成過程及排氣狀態(tài)，并計算出模具應(yīng)有的排氣孔大小及數(shù)量，避免模具制造后期的無法增加排氣孔的尷尬情況。

2 案例分析

如圖1所示，機蓋外板凹坑嚴(yán)重影響整車外觀，導(dǎo)致整車無法正常投產(chǎn)。通過各工序排查，發(fā)現(xiàn)拉伸工序即出現(xiàn)了此缺陷，且在拉伸模的壓件過程中聽到嗤嗤聲，初步判斷此凹坑為排氣所致。

圖1 機蓋凹坑

上模型面增加完排氣孔后，制件表面出現(xiàn)排氣孔壓傷（見圖2a）。然后上模型面制造0.5mm型面避讓后，制件又出了現(xiàn)避讓的輪廓（見圖2b）。從圖2可明顯看出此避讓的輪廓為下模氣體上頂造成的。

圖2 上模增加排氣孔、避讓后導(dǎo)致的缺陷

針對這種情況，需要在下模凹形底部增加排氣孔以消除凹坑，但下模打排氣孔，排氣孔會直接與板料接觸，出現(xiàn)壓痕，且可能會反復(fù)整改，在此，可以通過排氣的詳細(xì)計算來減小整改對模具的損傷，及整改次數(shù)。

3 排氣過程分析

首先通過CAE分析，根據(jù)成形各個階段的斷面圖查看氣腔的形成過程。板料首先與下模型面上的兩條棱線接觸（見圖3），這時板料與下模之間形成氣腔。上模繼續(xù)下行至到底前11mm時，上模棱線與板料接觸并開始擠壓內(nèi)部空氣，直至模具閉合，空氣被排空。

圖3 CAE分析剖面圖

通過CAD軟件計算氣腔內(nèi)體積V=0.001m3，如圖4所示。通過查看設(shè)備參數(shù)，得知現(xiàn)在離到底時間還有t=0.15s，也就是需要在0.15s排出0.001mm3的空氣，才能防止氣體對板料產(chǎn)生副作用。設(shè)定下模最底部的排氣孔總面積為A，空氣通過排氣孔時的速度為v。在空氣排出過程中，當(dāng)排氣速度不夠，上模對內(nèi)部空氣擠壓造成的壓強大于板料對下模的棱線壓應(yīng)力時，空氣會從棱線與板料之間擠出，如向制件內(nèi)部排擠，空氣會滯留在模具與板料之間，上模下降到底后，則會導(dǎo)致缺陷產(chǎn)生。

圖4 氣腔內(nèi)空氣體積

根據(jù)CAE分析可得到板料對下模棱線的壓應(yīng)力（見圖5），設(shè)壓應(yīng)力為P。當(dāng)壓應(yīng)力與空氣內(nèi)部壓強P空氣平衡時，則排氣通暢，此時P=P空氣。

圖5 板料對模具棱線的壓應(yīng)力

可根據(jù)動壓強方程，空氣內(nèi)部壓強可得：

式中 ρ——空氣密度

假設(shè)空氣被擠成長度為s，截面為A的形狀，則長度s為：

把速度方程v=s/t代入式（2）得：

公式（3）代入公式（1）得排氣孔面積A：

根據(jù)式（4）可知排氣孔截面面積與空氣密度、排氣量成正比，與排氣時間、板料對模具的壓應(yīng)力成反比。

通過圖5可發(fā)現(xiàn)，板料對下模棱線的壓應(yīng)力最小位置為0.4MPa。此處正好與制件內(nèi)部相連，當(dāng)排氣孔排氣壓強大于此處時，氣體流向內(nèi)部。把工況數(shù)值帶入式（4）計算，排氣孔截面A=12,000mm2，如果打直徑φ8mm的排氣孔需要打250余個。在這么小的面積打如此數(shù)量的排氣孔顯然是不可行的。通過剖面圖分析板料對下模棱線產(chǎn)生的壓應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 受力分析圖

向下的應(yīng)力σ1則為板料對下模棱線的壓應(yīng)力，等于板料成形時內(nèi)部兩側(cè)拉應(yīng)力σ的合力。根據(jù)受力分析圖可見，壓應(yīng)力σ1與夾角α和板料內(nèi)部拉應(yīng)力σ成正比。夾角α由板料造型決定，此車型夾角達(dá)到了174°，這只有前期造型SE階段才可以調(diào)整的。內(nèi)部拉應(yīng)力σ則是由機床對模具壓邊圈提供的底缸壓力及拉伸筋阻力決定，也就是在制件不開裂的情況下減小拉伸筋R角或是提高底缸壓力，均可以減小缺陷的產(chǎn)生。

反過來查看第一個案例中產(chǎn)品的造型，板料對棱線的壓應(yīng)力最小處雖為2.2MPa（見圖7），但從此位置排出后氣體會直接從壓邊圈與下模之間的縫隙排出。如此處仍未排出的氣體則需要內(nèi)部壓強突破9MPa才可以排放到產(chǎn)品內(nèi)部，根據(jù)數(shù)值計算排氣孔體積為330mm3，直徑φ6mm的排氣孔僅僅需要12個，這就是為什么此案例通過制造排氣孔后可順利解決缺陷的原因。

圖7 下模棱線受力示意圖

4 總結(jié)

由以上分析的公式，不僅可以在前期產(chǎn)品開發(fā)階段避免此類造型，還可以在模具設(shè)計階段設(shè)計出排氣孔的位置，這樣就可以在排氣孔位置減小模具壁厚來減小排氣孔的深度（減小排氣孔內(nèi)部面積）。通過這樣預(yù)防及設(shè)計便可以縮短制造周期，降低模具制造成本。通過排氣分析，同樣可以計算自動化生產(chǎn)過程中的上模帶料、下模吸件等自動化生產(chǎn)問題。