拉延模具平衡塊的新型調試方法

戴榮軍，張湘益

(1. 華南理工大學 廣東 廣州 51500；2. 廣汽乘用車有限公司 廣東 廣州 51500)

0 引言

保持拉延過程中壓邊力的穩定性是控制產品質量的方法之一。模具平衡塊應用是保持壓邊力穩定的最有效方式，同時又具有方法簡單易行、成本低、修改模具時間短等優點，因此在拉延模中的應用越來越廣泛[1-2]。然而，傳統的模具平衡塊調試方法存在諸多問題，本文研究了一種新型的模具平衡塊調試方法，能夠大幅縮短調試周期，提升模具生產穩定性。

1 傳統調試方法及問題

傳統平衡塊調試方法是根據制件的質量狀態(極限開裂)，同時依據壓邊圈的著色情況，來調整壓料圈附近的平衡塊的墊片高度，在調試平衡塊的過程中，同時進行壓料面研配、拋光等作業[3-4]。該種調試方法存在如下的問題：

1) 平衡塊調試的步驟與壓料面研配、拋光等作業同時進行，調試過程混亂、調試順序主次不明確等問題導致難以快速達到調試效果，且調試過程中，調試材料浪費過多，試模成本過高。同時，在后期生產過程中該種調試方法穩定性差，量產平均報廢率為0.5%，加大了生產制造成本。

2) 在非最佳壓邊力的情況下[5]，僅在零件開裂的局部通過墊高模具平衡塊的高度來分擔作用于板件的壓力，這樣同樣會在后期量產過程中，產生失穩現象。

3) 不考慮板件的成形狀態是否與CAE分析結果吻合，或者僅關注現場板件開裂局部位置與CAE開裂失效的吻合情況，導致CAE分析結果難以指導現場調試作業。

本文以某側圍零件為例，闡述在生產穩定性控制過程中，如何采用新型的調試方法來調整模具平衡塊，從而快速達到穩定生產的效果。

2 材料開裂原理闡述

工程中通常通過材料試樣的拉伸試驗得到材料的應力-應變曲線，如圖1所示。

圖1 理論工程應力-應變曲線

材料在模具內部拉伸成形過程中，材料受力拉應力的作用產生應變，開始逐步發生彈性形變，如圖1中OB′段所示。隨著拉應力的增加，應變也隨之增大，當拉應力達到材料的屈服極限時，材料開始產生屈服現象，即材料在應力載荷不增加的情況下應變仍會逐步增大的現象，如圖1中AC段所示，材料開始產生塑性形變。隨著拉應力進一步增大，材料開始由彈性形變轉變為塑性形變，如圖1中CD段所示，這是在沖壓成形中所必需的。但是隨著拉應力和應變量的繼續增大，達到材料所能承受的應力極限時，材料發生頸縮，繼而發生斷裂，如圖1中DE段所示。

材料應力、應變理論計算公式如下：

理論應力

(1)

理論應變

(2)

式中：F為試樣拉伸載荷；A0為試樣初始截面積；Δl為試樣的伸長量；l0為試樣初始長度。

但是在實際板料成形過程中，截面積和長度并非為恒定不變。因此，理論應力計算公式和理論應變計算公式并不能真實反映材料在成型過程中應力和應變的變化，如圖2所示。

圖2 真實應力-應變曲線

真實應力σ和真實應變的表達式如下：

(3)

式中：F為試樣拉伸載荷；A為試樣實際面積。

材料成形過程中，通常從局部微觀變形進行衡量，因此，假設拉伸長度l的微小增量為dl，則應變增量

(4)

因此，

(5)

對式(5)由l0至l進行積分，得真實應變

(6)

根據體積不變假設：

A0·l0=A·l

(7)

隨著材料的拉伸變形，拉伸長度l逐步增大，因而材料實際截面積是逐步減小的，如果壓邊力為恒定值，則實際應力σ也是逐步增大的。沖壓成形所需要達到的目標是材料的實際應力-應變曲線達到屈服極限但不超過抗拉極限，這樣就能既滿足塑性形變的效果，又不至于產生頸縮開裂現象。為了達到這一目的，就需要將恒定壓邊力轉化為可變壓力。

文獻[6-9]從改變壓力機液壓墊壓邊力輸出的角度出發，通過對液壓墊的電氣系統進行改造，提出了多種將恒定壓邊力轉變為可變壓邊力的方法。但是在實際生產應用中，這些改造方法周期長，實現難度大，因此不宜采用。

本文從改進模具結構的角度出發，通過模具平衡塊的調試方法來達到將恒定壓邊力轉變為可變壓邊力的目的。

3 恒定壓邊力轉變為可變壓邊力原理

分析圖3可知： 材料在壓料面和拉延筋共同作用下，作用在材料上的合力F是由摩擦阻力f、液壓墊分布力q、材料彎曲變形阻力F1，以及彎曲回復阻力F2等綜合構成。

作用于材料的合力

F=F(f，q，F1，F2)

(8)

1—凹模；2—板件；3—模具平衡塊；4—壓邊圈；5—液壓墊頂桿；6—凸模；7—拉延筋；8—摩擦阻力f；9—壓料面積S；10—液壓墊分布力q；11—彎曲變形阻力F1；12—彎曲回復阻力F2圖3 模具結構及板件作用力分析模型

根據式(3)和式(7)，若需要保持拉應力盡可能不變，即：

則

(9)

由式(6)可得反函數

(10)

因此，板件成形過程中的板件作用力

(11)

式中： 底數e為自然數。同時，由式(7)可推導出：

(12)

式中：w0為初始薄板寬度；w為拉伸后薄板寬度；t0為薄板初始厚度；t為拉伸后薄板厚度。

圖4 壓邊圈材料變形次應變分析結果

AutoForm軟件是利用有限元法對金屬沖壓成形的全過程進行模擬分析，在整個汽車產品開發設計和模具開發過程中起到了指導性作用。

由于平衡塊是安裝在壓邊圈上的，因此，本文重點研究壓邊圈上的材料變形情況，對于產品內部的拉延變形特征(如徑向拉伸、環向壓縮等)本文不進行贅述。借助AutoForm軟件對壓邊圈的變形情況進行模擬分析，從次應變分析結果可以看出，次應變最小值為-0.219，最大值為-0.028×10-3。除了局部拐角位置外，其余位置次應變接近于0，亦即壓邊圈上的材料變形主要發生在長軸方向，而短軸方向變形量幾乎為0，如圖5所示。因此，壓邊圈中材料的變形可近似的認為是單向變形。

圖5 板件變形前后

(13)

因此，板厚的變化趨勢近似的與F的變化趨勢相同。

模具平衡塊通常采用45號鋼材，在成形過程中不易壓縮變形。它安裝在凹模與壓邊圈之間，因此在板料厚度發生減薄時，利用模具平衡塊厚度不易壓縮變形的原理，分擔部分液壓墊壓力，從而達到近似地將厚度的變化函數轉換為板件作用力的函數的目的，如圖6所示。

1—凹模；2—壓邊圈；3—平衡塊；4—成形前板料厚度；5—成型后板料厚度；6—液壓墊壓力圖6 模具平衡塊進行力轉換模型

根據應力-應變曲線，從板件初始成形至達到屈服強度階段，材料由彈性形變轉變為塑性形變，若將液壓墊壓力設定為最佳壓邊力，則該階段液壓墊壓力不應該被分擔。因此，平衡塊在該階段通過設定間隙a不介入工作。通常，材料達到屈服強度時，ε取0.3%～0.5%，為了使得材料塑性形變充分，本文ε取值0.5%，初始料厚t0=0.7 mm，因此，根據式(6)可得t≤0.665 mm，a1≥t0-t=0.035 mm。

板件由彈性形變階段進入到均勻塑性形變階段，在單調拉伸過程中，板件由屈服到發生頸縮的形變強化規律，滿足冪乘硬化定律的Hollomom方程式[10-12]：

σ=K·εn

(14)

式中：σ為真應力；ε為真應變；K為強度系數；n為硬化指數。本文側圍采用的材質為GD56D+ZF，其中抗拉強度σb取291.77 Mpa，K取490.5，n取0.23。

為了使成形趨于安全，σ≤σb。因此，根據式(14)計算得到ε≤10.5%，根據式(6)計算得到t≥0.630 mm，因此，a2≤0.070 mm。因此，平衡塊間隙取值范圍0.035 mm≤a≤0.070 mm。

4 新型調試方法及步驟

根據上述分析，由作用于材料的合力為了降低開裂失效風險，在模具平衡塊調試前，需要進行如下處理。

F=F(f，q，F1，F2)

首先，針對摩擦阻力f，壓邊圈研合率、表面粗糙度等模具基礎條件需要達到標準要求，以確保整個調試過程中滑動摩擦系數μ的穩定，及壓料面積S均勻，從而避免局部單點受力過大引起的開裂，或因其他部位研合率較空的區域壓邊力較小，而引起的起皺。該步驟的目的是使模具本身不存在，導致開裂、起皺而需重復調試的明顯缺陷。

其次，針對材料彎曲變形阻力F1以及彎曲回復阻力F2，需要進行材料力學性能檢測，以確保用于調試的材料與CAE分析的材質參數保持一致，從而確保調試實物與CAE分析結果具有可比性。以材料實測性能參數與CAE分析的材質參數差異小于等于1.5%為一致的。同時，對模具拉延筋/槽參數、壓邊力設置等實物參數與設計參數的一致性進行確認。

再次，對現場實物狀態與CAE分析結果一致性確認。進行該步驟是為了快速識別和判斷問題的性質，為現場調試節省調試周期。本文衡量現場實物狀態與CAE分析結果一致性的可測量指標分別為： 材料流入量和零件減薄率。當材料流入量差異在±5.0 mm以內，板厚減薄差異在±0.02 mm以內，則認為模具實物狀態與CAE分析結果一致。若出現不一致情況，則最后，調試確定最佳壓邊力。由式(5)可知： 影響開裂的主要載荷為液壓墊分布力q。進行該步驟的目的是確定最佳的實際壓邊力。本文通過在不安裝模具平衡塊的狀態下調整液壓墊壓力進行測試，通過多次測試以及不斷逼近的方法，找到起皺的臨界壓邊力為下限壓邊力，即將開裂但未開裂的臨界壓邊力為上限壓邊力，由下限壓邊力和上限壓邊力兩個界限得到了液壓墊壓邊力設定的可行域，如圖7所示。經過測試，該側圍零件的下限壓邊力為480 kN，上限壓邊力為640 kN。

圖7 最佳壓邊力調試曲線圖

考慮到液壓墊壓邊力輸出控制存在10%的波動，為了避免由于液壓墊壓邊力波動而產生的起皺和開裂，也因為壓邊力越低開裂風險越小，因此壓邊力設定取值為480 kN×(1+10%)=528 kN。平衡塊分擔液壓墊的壓邊力近似為528 kN×(1-90%)=52.8 kN。

嚴格按照順序和步驟完成上述作業后，方可對平衡塊展開調整。為了能夠精確地將平衡塊分擔液壓墊的壓力調成52.8 kN，本文采用壓感試紙進行測量，將壓感試紙放置在模具平衡塊上，完成單次沖壓即可測量出模具平衡塊上所承擔的壓力。通過改變平衡塊的間隙值即可改變模具平衡塊上所承擔的壓力，因此，通過測試不同間隙值，測量出平衡塊分擔液壓墊的壓邊力數值，如表1所示。

表1 壓感試紙測試記錄表

最終，經過上述調試，當平衡塊間隙值為0.05 mm時，平衡塊分擔液壓墊的壓邊力為53 kN，近似逼近52.8 kN的目標值。因此，完成上述調試作業后，最終確定了最佳壓邊力為528 kN，平衡塊間隙值為0.05 mm。

5 生產穩定性驗證

經過上述分析，以及采用該種方法對模具進行調整后，經過生產檢證，零件沒有外觀凹陷、起皺等質量問題，且經過多批次、大批量生產，完成調試后5個月內，無開裂不良發生。同時，按照每周監測1次，每次隨機抽樣監測5個樣品，對固定位置進行減薄率測量及數據采集，CPK值為1.52≥1.33，評價為工序能力優，可持續保持。亦即生產穩定性好，失效可能性極低(表2)。

表2 零件固定位置厚度統計表

6 結論

通過對模具調試流程的優化，確定了最佳成形壓邊力，重新建立了模具平衡塊調試標準，最終明確了模具平衡塊的新型調試方法。通過新型模具平衡塊調試方法及原理分析可以得出結論： 該方法克服了傳統模具平衡塊調試過程混亂、調試順序主次不明確等問題，不僅提高了模具生產過程中的穩定性，有效削減了大批量生產中的開裂、起皺失穩不良率，避免了重復調試，也大大地縮短了模具調試周期，從而降低了沖壓制件的制造成本，提升了沖壓制件的品質。