淺拉延技術在汽車覆蓋件沖壓工藝上的應用

文/葉夢彬·廣汽乘用車有限公司

本文基于對淺拉延技術的實際研究和應用經驗，介紹了淺拉延工藝在汽車覆蓋件沖壓工藝設計上的優點，總結了幾個淺拉延工藝設計的做法，并針對淺拉延工藝可能產生的問題，如剛性不足、滑移等，提出了一系列處理對策。

汽車產業的發展對汽車的造型要求越來越高，對沖壓工藝技術的要求也越來越高，對成本的要求也越來越高，給沖壓工藝技術帶來了一個個新的挑戰。新產品的造型，降成本的要求，促使我們技術上不斷地創新。淺拉延技術成了汽車覆蓋件沖壓技術研究的方向之一。淺拉延通過降低汽車覆蓋件的拉延深度，能減小拉延的難度，有利于提高材料利用率，降低沖壓成本。本文基于對淺拉延技術的實際研究和應用經驗，對淺拉延技術的優點，設計要點，可能產生的問題及處理對策做個分享。

淺拉延技術

汽車沖壓淺拉延技術是指減小板料拉延深度并獲得合格的產品質量的汽車覆蓋件沖壓技術。這一技術其實早就有應用，只是以前沒有作為一個相對獨立的工藝技術進行分類和研究。日系汽車廠普遍采用的門外板拉延工藝(圖1)、頂棚的拉延工藝，由于采用了方形拉延筋對材料進行鎖止拉延，沒有采用國內自主品牌汽車廠普遍使用的半圓筋拉延工藝，拉延深度就明顯比自主品牌汽車廠的門外板、頂棚拉延深度小。這其實就是一種淺拉延技術。

圖1 采用方筋拉延的門外板

從圖1 可以看出，采用方筋設計的門外板拉延工藝，拉延深度明顯較淺。而國內門外板等零部件早幾年普遍還在采用半圓筋拉延，拉延深度較深。

對于同一種沖壓件，如果通過工藝分析，使板料能夠通過一種拉延深度比過去的工藝方案淺，獲得合格的產品的工藝技術，這就是一種淺拉延技術，可以歸類于淺拉延技術的應用。

淺拉延技術的優點

可以提高材料利用率

淺拉延由于拉延深度淺，最直接的作用是可以減少板料流入，減小坯料尺寸，提高材料利用率。

如圖2 所示，當門外板采用半圓筋拉延時，由于是半圓筋，拉延時材料會產生流入，為了提高零件的剛性，需要適當加大拉延的深度、拉延工序做較大的工藝補充，這兩個原因造成材料需求增加。使用半圓筋拉延，材料的邊緣一般不能進入半圓筋內，以拉延后材料邊線保持在半圓筋外5 ～20mm 范圍為宜，也增加了對材料的需求。采用半圓筋材料的利用率相對會低一些。

圖2 門外板采用半圓筋拉延工藝示意

采用方形筋拉延工藝(圖3)，可以提高材料的利用率，有效減少對板料的需求，降低單臺車成本。由于拉延筋對板材的鎖止作用，拉延過程中基本不存在材料流入，材料只發生了張拉形變，屬于一種不完全的脹形成形工藝，材料需求少。淺拉延工藝補充面根據需要設計，沒有采用半圓筋的工藝補充大，沖壓廢料少。方筋拉延時，板料只需要保證拉延完成之后板料邊緣在方筋之外5mm 左右即可，壓邊廢料可以大為減少。

圖3 門外板采用方形筋拉延工藝示意

對于采用半圓筋的拉延件，淺拉延就是控制拉延深度，減少工藝補充。如側圍和翼子板的淺拉延工藝，采用的拉延筋都是半圓筋。

側圍通過淺拉延工藝，拉延深度可以減少30 ～50mm(圖4)，材料利用率可以提高1%～2%，單臺成本可以降低十多元。翼子板采用淺拉延工藝(圖5)，拉延深度也可以減少30 ～50mm，材料利用率可以提高2%～3%，節約的材料可以降低單臺成本3 ～5 元。

圖4 側圍的淺拉延和深拉延的對比

圖5 翼子板的淺拉延工藝

可以改善工藝

成形深度越深，材料流動距離越長，起皺、開裂、拉傷的風險越高，成形難度越高。采用淺拉延工藝，拉延成形深度淺，不易起皺開裂，拉延相對就穩定很多。淺拉延材料流入距離相對較小，有利于減少角部起皺、材料流入距離較大區域的拉傷風險，工藝能獲得明顯改善，可以提高成形穩定性。

有利于銳棱件的成形

由于車身精致化和造型更美觀的需要，當前越來越多的車型外板采用銳棱造型(圖6、圖7)，棱線R角＜6.5mm，甚至號稱達到R0。采用銳棱設計的外板件，成形時極容易產生嚴重滑移(除非棱線在后序整出來)。為了解決滑移和開裂，有的廠家采用了拉延后整形的工藝，增加了工序數，增加了成本。而淺拉延技術是最直接、最有效、成本最低的降低銳棱件品質風險的對策。淺拉延工藝由于拉延深度淺，材料流動距離相對較小，滑移的距離也相對較小，有利于防止和減少嚴重滑移的發生。當然在使用淺拉延工藝控制滑移時有時還需要結合一些其他工藝對策，比如沖壓方向，但是減少拉延深度是降低銳棱件品質風險最重要的對策之一。

圖6 采用銳棱的門外板

圖7 門外板的淺拉延

降低后序的工藝難度

淺拉延工藝可以減少后序模具的工藝難度，如側圍，采用深拉延必須斜切邊的，淺拉延可以改為正切邊(圖8)，模具結構更簡單可靠。淺拉延廢料相對較小，有利于切邊的排廢料，降低卡廢料風險，提高生產運轉率。

圖8 深拉延和淺拉延切邊工藝對比

可以減少脫鋅的產生

只要用到鍍鋅鋼板進行沖壓，板料發生脫鋅是生產中多多少少都會發生的(圖9)。采用淺拉延工藝，材料流動距離相對深拉延要短，脫鋅相對會較少。淺拉延技術可以有效減少脫鋅的產生，有利于提升產品質量，減少抹模次數，提高生產效率。

圖9 板件脫鋅局部狀態

淺拉延工藝的設計應用

要設計淺拉延工藝，需要做到以下幾點。

⑴壓料面盡量采用隨形設計，減少工藝補充，降低拉延深度。淺拉延工藝，采用壓料面的隨形設計，有利于材料的流入平衡，也可以減少工藝補充，降低拉延深度，降低材料的廢料率。常規拉延和淺拉延的工藝對比如圖10 所示。

圖10 常規拉延工藝和淺拉延工藝的對比

⑵切邊線可以放在壓邊面上，或者略高、略低于壓料面。切邊線可以放在壓邊面上，或者略高、略低于壓料面，可以最大限度的減少材料廢料率，提升材料利用率。

⑶盡量減少工藝補充，減小工藝補充包，降低工藝補充面高度。工藝補充對材料利用率有重要的影響，工藝補充越多越大，材料利用率越低。

⑷如果可以，盡可能采用方筋設計，如果不行也要盡量采用鎖料效果更強的拉延筋設計。由于淺拉延工藝材料的變形程度一般偏低，采用鎖料效果更好的拉延筋，有利于增大拉延工藝材料的變形率，提升零件剛性。

⑸充分利用CAE 進行分析，預測變形不充分導致的剛性不足、滑移、沖擊線風險，提前對應制定對策。充分利用CAE 進行分析，充分的發現淺拉延的各種質量問題，將問題更多、更早的暴露出來并加以解決是我們工藝獲得成功的保障。因此，在淺拉延工藝中，應利用CAE 模擬分析來預測可能出現的質量缺陷，并提前采取措施加以控制和解決相應的問題。

淺拉延可能帶來的問題及對策

淺拉延技術的應用也可能產生一些新的問題。淺拉延工藝帶來的主要問題是容易發生剛性不足和局部的滑移問題。

淺拉延的剛性不足及其對策

由于淺拉延的拉延深度低，材料容易出現局部流動較小，板件變形量較小，局部變形不足而產生剛性不足。根據經驗，拉延材料變薄率在4%以上時，材料的塑性變形較充分，零件的剛性較好(圖11)。

圖11 翼子板淺拉延變薄率

提高淺拉延件剛性的對策有：

⑴增加拉延鎖邊力。如果采用淺拉延工藝后產品整體出現剛性不足，可以增加拉延鎖邊力，減少材料流入，提高產品的剛性。增加拉延鎖邊力可采用方筋或者梯形筋，如門外板、發蓋外板、頂棚等。采用方筋的模具，拉延材料流入基本上被鎖死，成形類似于不完全的脹形變形，材料不流入，靠拉長材料完成成形，材料變形較充分，變形率較高。

⑵加大拉延深度。如果通過減少材料流入剛性還是無法達成目標，比如一些商務車，門外板巨大而造型平整(圖12)，板料很難全面拉開，應盡可能在方筋的基礎上加大拉延深度獲得可以接受的零件剛性。加大拉延深度要注意方案細節，否則不一定能獲得滿意的效果。

圖12 某巨大的后門外板的剛性分析

⑶修改產品局部設計或者修改局部工藝補充。如果是局部剛性不足，可以修改產品局部設計或者修改局部工藝補充的設計，提高產品剛性。

⑷允許存在少量不影響品質的變形率不足。有些零件大而造型復雜，尖點多，不同部位高度差大，不管采用深拉延還是淺拉延，也不管采用什么對策，還是會存在一定范圍內的變形率不足。在不影響整體剛性品質的前提下，可以允許一定范圍內的變形率不足存在(圖13)。

圖13 某尾門外板和某側圍后翼子板的剛性分析

淺拉延的滑移及其對策

滑移一般發生在拉延的小圓角棱線部位。在拉延成形過程中，棱線位置凸模圓角首先觸料，當棱線R較小時(一般認為小于25 倍料厚)，棱線部分材料產生變形硬化，硬化痕跡隨著成形過程發生移動滑出圓角范圍，從而在制件外表面產生滑移。滑移是不可完全避免的。當滑移距離大于一定距離(5mm)時，如果接觸應力也大于一定值(鋼板屈服強度的10%)，涂裝后滑移線將會比較明顯，影響外觀品質。

解決淺拉延滑移的對策有：

⑴調整壓料來調整材料的流入，縮小滑移距離，使滑移距離在5mm 以內；

⑵調整局部拉延變形的強度(如放大局部棱線R)降低滑移位置的接觸應力，使接觸應力小于鋼板屈服強度的10%；

⑶調整沖壓方向來調整材料的流入，控制調整滑移距離；

⑷做大工藝補充以改變觸料，來調整局部滑移線接觸應力，使接觸應力小于鋼板屈服強度的10%。

淺拉延工藝在工藝分析階段要充分使用Autoform 分析軟件模擬全工序的成形過程，發現質量缺陷，采取工藝更改措施，在分析階段加以解決。

結束語

淺拉延技術是一種降成本和技術升級非常好工藝手段，在內外板的沖壓中都可以應用。隨著沖壓工藝技術的發展，相信淺拉延技術在將來會得到進一步的發展，在汽車覆蓋件沖壓方面的應用也會越來越成熟和廣泛。