沖壓深拉延件開裂問題的研究解決

賀前勇

（廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司，湖南 長沙 410100）

目前汽車覆蓋件的成型主要是冷沖壓成型，即利用沖壓模具在常溫下對平板料進行拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等加工工藝。而拉延是指在冷沖壓過程中，將平板件通過拉伸使材料產生塑性變形而最終形成空心零件的工藝過程。拉延作為汽車覆蓋件加工的首道工藝，其過程質量直接影響到零件的質量。拉延的穩定性不僅受到模具型面結構的影響，還受到成型材料和設備的影響。困擾拉延最嚴重的問題是開裂，而當拉延的深度不斷增加時，因為板料拉伸程度不斷提高，開裂概率會大大增加，但是由于車輛造型的需要，往往會設計要求深拉延才能實現的產品，因此，解決深拉延開裂問題，是現代汽車產品設計得以實現的關鍵。本課題是針對深拉延件的開裂進行研究，我們選取了某車型尾門外板開裂進行研究，如圖1，該零件的拉延深度為270mm，材料延伸率為21.7%，型面角度60°。而沖壓常用的覆蓋件拉延深度在100mm～240mm之間，型面角度大于75°。由于該零件型面角度小，拉延深度大，故容易產生開裂。該零件導入后非常不穩定，生產超過60件時開裂報廢率達到100%，無法實現正常生產。故作者為解決該拉延件開裂問題圍繞模具和設備展開研究。

圖1 模具截面示意圖

1 拉延力學模型

開裂是零件在拉伸過程中，拉伸力超過材料抗拉強度，材料部分位置失穩產生破裂。拉伸模型進行簡化后如下圖，主要包括拉伸力、進料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力。當拉伸力大于材料最大抗拉強度時則出現開裂。而拉伸力是由進料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力共同決定的。

圖2 拉伸后受力面變化

進料阻力取決于模具壓邊圈的拉延筋結構以及設備所提供的壓力。該課題模具的拉延筋已經確定，并且通過AUTOFORM仿真軟件確認為最優，故進料阻力取決于設備提供的壓力。

由于拉伸過程中材料是流動的，故材料流動過程中會和模具型面產生摩擦力。該摩擦力的大小受型面間的壓力和型面結構影響。型面結構按產品造型設計，故主要取決于型面間的壓力。那么型面間的壓力又受上下模具閉合后的間隙穩定性和設備本身提供的壓力穩定性影響。

1.1 進料阻力分析應用

其實材料在拉伸過程中分為四個階段，彈性變形階段、屈服階段、塑性變形階段以及斷裂。那么每個階段所需要的變形拉伸力是變化的。

進料阻力是由液壓墊提供的壓力決定的，目前所用參數提供的壓力在整個拉伸過程中是恒定的。并不能根據材料變形階段的變化提供相應的進料阻力。也就是說在開始拉伸階段，由于提供的壓力太大，那么相應的進料阻力也就越大。這樣在壓邊圈外面的材料無法有效地流入到模具中，從而導致最后拉伸過程開裂。

研究課題現場所使用的拉伸墊為液壓墊，相比于氣墊，液壓墊采用伺服閥閉環控制，其響應更快，壓力更穩定。由于目前對液壓墊的參數設定僅設定了成型所需要的最大壓力，忽略了變化過程中的彈性變形階段和屈服階段，導致在拉伸初期材料不能及時補充到模具中而導致開裂。事實上，伺服液壓墊是具有分段建壓功能的，其可以根據拉伸階段變化的需要調整相應的壓力。

那么如何分段設定這些壓力呢，根據材料拉伸實驗，拉伸長度的5%為彈性變形階段，拉伸長度的10%為屈服階段，拉伸長度的40%為塑性變形階段。故對壓力變化的階段劃分為彈性變形階段0mm～65mm～130mm，屈服階段130mm～160mm和塑性變形階段160mm～270mm。

1.2 材料流動阻力分析應用

我們知道，摩擦力的大小取決于摩擦表面的摩擦系數和垂直于摩擦表面的壓力。所以模具型面造型對摩擦阻力產生很大影響，但是模具型面造型取決于產品的形狀，故在模具加工完成后型面的摩擦系數一定。而另外一方面則是壓力，而壓力的大小由壓機提供的沖擊力和模具型面間的間隙共同決定的。所以型面間隙和壓機沖擊力的穩定對拉伸品質的影響至關重要。

（1）模具型面間隙的影響。型面間隙是指上下模閉合后的成型腔，型腔剛好就是我們成型零件的形狀。研究零件的厚度為0.75mm，所以型面間的間隙也約為0.74mm。當型面間隙變小，則加載在型面和零件之間的壓力也增加。當間隙大于零件厚度，則零件會出現反彈達不到精度要求。那么生產過程中型面間隙是否會產生改變，接下來我們對模具生產前和生產30件以及生產60件的間隙進行了測量。測量數據如圖3：

圖3 模具間隙測量變化過程

通過以上數據可以看出生產過程中模具的型面間隙會隨著生產量的增加而變小，這是因為拉延過程中，板件與模具型面摩擦發熱，模具受熱膨脹，導致模具間隙變小，而拉延的深度越大，摩擦的時間越長，產生的熱量則越多。經測量發現在生產60件后模具溫度在59℃～63℃之間，升溫明顯。故可以確定模具因為升溫而導致間隙變化。目前所有的冷沖模均沒有采用專用冷卻裝置，只是采用自然冷卻方式。但是在伺服線上其生產節拍快，加之零件拉伸深度深，導致模具升溫快，故需要增加專用冷卻裝置以防止模具升溫變形。

專用冷卻裝置用熱力學公式校核，模具升溫約60℃，生產節拍14件/分鐘。

發熱量：Q=Cm△T=350*450*60=99660KJ。

平均發熱功率：P=Q/t=99660*14/80/60=28.2kw。

所需冷卻器流量：L=P/C/△T/ρ。

=28.2/1050/60/1.29=0.346m3。

冷卻器數量：n=L/l=346/190=1.82。

選型：PAJC450。

根據冷卻裝置的選型曲線，最終選定冷卻裝置。通過加裝該冷卻裝置后，模具最高溫度約為35℃左右。間隙也穩定在0.74左右。

（2）壓機沖擊載荷的影響。由材料學的理論可知，金屬晶體內部普遍存在局部排列不規則的原子，這種微觀缺陷即為位錯。位錯的生成與運動是造成材料發生塑變的主要原因。位錯運動通過滑移沿著滑移面進行。拉伸作用時，在同向于拉伸力外向滑移面發生移動，塑變也沿其方向進行。加載過快則會使滑移面移動不充分，位錯受阻；拉伸過快也會導致塑性變形不能及時均勻的傳遞，相應的載荷也不能均勻傳遞從而導致應力集中出現破裂。所以在拉伸做功過程中需要慢速拉伸。

根據這一理論我們需要降低拉伸過程中的速度以保證拉延質量，我們隨后進行了試驗，在同等條件下對壓機設定不同的工作速度以看拉延的效果如表1。

表1 拉伸過程中拉延效果分析

通過測試，在壓機速度為10SPM的生產節拍下，可以完全避免開裂。但是10SPM的生產速度相對于高速伺服線來說節拍太低。故需要在不影響節拍的前提下降低拉伸速度。根據伺服壓機的特點，伺服壓機的整個工作過程其工作速度可以根據需要進行編程，其編程是借助于舒勒的仿真軟件。在拉延開始階段根據上面測試結果將壓機速度降低到10SPM，而其他非拉伸做功過程壓機仍以最大速度運行，這樣整體節拍仍然保證在15SPM左右。這樣實現慢速拉延后，零件成型更穩定。

1.3 分析與討論

汽車沖壓覆蓋件屬于冷沖壓成型，拉伸成型受到的影響因素眾多。包括模具的結構、拉延筋的結構及數量、產品本身結構、零件拉伸深度、設備的精度、生產的參數等等。前期產品因為設計的原因導致零件結構復雜，拉伸深度大，角度小等產品本身的缺陷而導致模具結構無法完全保證生產的穩定性。故需要加以考慮利用設備的性能來彌補模具的缺陷。

通過分析材料拉伸試驗過程，對拉伸的影響主要有進料阻力和材料型面間的摩擦力，當進料阻力越大，則材料流入到型面里面也越少。根據材料的延伸率計算方法，當型面里面的材料不能及時補充時即I變小，那么拉伸同樣的深度不變，材料的延伸率ε必然增大，當超過材料延伸率時出現開裂。

而拉伸過程中，拉伸速度快則會導致材料塑性變形不能均勻傳遞，出現不均勻后則出現應力集中最終開裂。并且材料在產生塑性變形的過程其實是材料的流動，若是模具型面間隙變小則型面間的壓力增加，摩擦力也隨之增加。這樣材料的流動阻力增加。也導致了材料塑性變形不能均勻傳遞而出現開裂。

2 小結

深拉延件小角度拉延件（拉伸深度>240mm，角度<60°），零件出現開裂的概率劇增，而降低其開裂的方法如下：

（1）模具設計階段必須考慮模具發熱，利用熱力學模型增加冷卻裝置以保證模具生產過程中產生的熱量得到有效釋放。

（2）對于具備分段建壓功能的伺服液壓墊，要根據不同的拉伸階段設定不同的拉伸參數，以使材料所受的拉伸力與材料各階段變形所需要的力相匹配。

（3）對于伺服壓機線，整個拉延成型過程可以分段控制，通過降低拉延做功過程中的壓機速度減緩材料塑性變形的非均勻傳遞，其他非做功階段壓機以最大速度運行，可以有效降低零件開裂，同時保證生產效率。