汽車覆蓋件拉伸起皺開裂及控制

1、汽車覆蓋件拉延起皺開裂的影響因素及控制措施1引言以車身覆蓋件為代表的沖壓零件多由復雜的空間自由曲面組成，其成形時坯料上各部分的變形狀態(tài)比較復雜,差別較大,各處應力也很不均勻，常出現(xiàn)破裂、起皺、波紋、扭曲、松弛、癟塘等質量缺陷。使得汽車覆蓋件成為板料成形領域最難成形的零件。有的淺復雜曲面零件，因在拉深過程拉深變形不充分而起皺，而且造成剛性不足。為了防止起皺、增加剛性，可采取措施使壓料面的材料減少流動或基本不動。在這種情況下，零件的成形主要是依靠材料的局部變薄而成形的。故其拉深變形特點基本上與局部變薄拉深相似。有的零件由于在同一平面上拉深的深度不一致又不對稱，沿周邊各處變形不均勻，以致發(fā)生起皺和拉

2、裂現(xiàn)象。為了控制拉深過程中材料流動均勻、變形充分而又不出現(xiàn)起皺和拉裂，在沖壓上采用的措施基本上是開流和限流。開流就是在需要材料流動的地方減小阻力，使其順利流動，以避免材料變薄甚至開裂。限流就是在不需求材料流動的地方加大阻力，限制其流動，以免多余的材料產生波浪而發(fā)生起皺。開流和限流的目的，都是為了合理控制板料流動，改善覆蓋件成形時的力學條件，促使材料各處的變形均勻一致，保證坯料在拉延過程中不起皺，不破裂，提高零件的成形性。拉延件的工藝性是編制覆蓋件沖壓工藝首先要考慮的問題，只有設計出一個合理的、工藝性好的拉延件，才能保證在拉延過程中不起皺、不開裂或少起皺、少開裂。在設計拉延件時不但要考慮沖壓方向

3、、壓料面形狀、拉伸筋的形狀等可變量的設計，還要合理地增加工藝補充部分。各可變量設計之間又有相輔相成的關系，如何協(xié)調各變量的關系，是成形技術的關鍵，要使之不但滿足該工序的拉延，還要滿足該工序沖模設計和制造工藝的需要，并給下道修邊、翻邊工序創(chuàng)造有利條件。2拉延方向的選擇在車身覆蓋件的工序設計中，拉延方向的選擇為第一步，也是關鍵的一步。它不但影響拉延時板料的流動和模具結構的設計，決定能否拉出合格的拉延件，而且影響到拉延件深度、壓料面形狀、工藝補充部分的設計甚至直接影響到后工序。有些形狀復雜的拉延件往往會因為沖壓方向選擇不當，而拉延不出合格的拉延件，只好改變沖壓方向，這將造成整個拉延模的報廢，同時還將

4、波及其他工序模具是否修改或重新設計制造。所以，拉延方向是覆蓋件沖壓設計中影響范圍廣的工藝參數之一，拉延時的沖壓方向必須周密考慮后確定。2.1開始拉延時應盡量使凸模與毛坯的接觸狀態(tài)良好，使各側邊流入凹模的材料均勻。abc圖2-1 凸模開始拉延與毛坯的接觸狀態(tài)當凸模與坯料為點接觸時，應適當增大接觸面積，防止材料因應力集中而造成局部破裂，如圖2-1a。但也要避免凸模表面與坯料以大平面接觸的，否則由于平面上的拉應力值降低，材料得不到充分的塑性變形，影響零件的剛性，并容易起皺。凸模與毛坯接觸的地方應盡量靠近中間，如圖2-1b凸模與毛坯的接觸點要多而分散，并盡可能分布均勻，防止坯料竄動，如圖2-1c2.2

5、拉延方向的選擇應使壓料面各部位進料阻力均勻 拉延深度是保證壓料面各部位進料阻力的主要條件，因此，選擇拉延方向時，應保證拉延深度均勻，深度合理，如圖2-2。圖2-2 拉延件兩個沖壓方向示意圖2.3拉延方向有利于后工序的加工設計拉延件形狀還必須考慮后工序的加工難度，現(xiàn)以一個零件為例說明：圖2-3為一左右對稱沖壓加工的零件，若按（a）圖的合并所決定的拉延方向，則造成零件拉延深度較深，容易拉毛，而且修邊困難；若按圖（b）、（c）的形式合并后所決定的沖壓方向進行拉延，需拉延兩次，拉延深度變淺，修邊加工容易，其實仔細分析方案（b）、（c）可以看出，（b）在拉延時，從壓料面上補充進材料較為困難，材料容易產生

6、局部變形，而且在沖孔時，斜鍥布置空間緊張，而（c）則無上述問題。（a）（b）（c）圖2-3 拉延的三種沖壓方向2.4 應保證凸模能將零件需拉深的部位在一次拉延中完成，不應有凸模接觸不到的死角或死區(qū)，即盡量使拉深件形狀能一次拉深成形。3工藝孔和工藝切口當覆蓋件的中間部位或成雙拉深的連接部位，由于拉深過程中不能從毛坯的外部得到材料的補充而導致零件的局部破裂時，可考慮在工藝補充的適當部位沖出工藝孔或工藝切口，使容易破裂的區(qū)域得到材料的補充，克服開裂現(xiàn)象。如圖3-1是D310車型左/右側邊梁，其采用成雙拉延的形式生產，但由于中間聯(lián)結處深度與寬度的比值較大，成型困難，用AUTOFORM模擬時反成型的R部

7、位開裂，在反成型的中間廢料部位需增加兩處工藝孔，以使材料向外流動。工藝切口必須設置在容易破裂的區(qū)域附近，而這個切口必須布置在工藝補充上，修邊線以外，在修邊沖孔時將它們沖掉。工藝切口一般在成形過程中切出，它可充分利用材料的塑性，即在成形開始階段利用材料徑向延伸，然后切出工藝切口，利用材料切向延伸，這樣成形深度可以深一些。在成形過程中切工藝切口時，并不希望切割材料與制件本體完全分離，切口廢料可在以后的修邊工序中一并切除。否則，將產生從沖模中清除廢料的困難。工藝切口圖3-1 左/右側邊梁反成型處增加工藝切口工藝孔一般在拉深前的落料沖孔工序中完成，如D310車型門里板的側窗處。圖3-2 門里板的落料沖

8、孔毛坯工藝切口、工藝孔的布置及其大小和形狀要視其所處的區(qū)域情況和其向外補充材料的要求而定。一般應注意以下幾點：（1）切口應與制件局部形狀相適應，以使材料合理流動。（2）切口之間應留有足夠的搭邊，以使凸模張緊材料，保證成形清晰，避免波紋等缺陷，而且修邊后可獲得良好的窗口、翻邊、孔緣質量。（3）工藝切口在拉深過程中沖出時，要注意沖孔的時間，如果過早切口會使拉深件出現(xiàn)皺紋；太晚則達不到切口的目的。（4）切口或沖孔的數量、大小和形狀，要根據所處的位置和變形要求，通過試料來確定。（5）切口的切斷部分應臨近容易破裂的區(qū)域，使各處材料變形趨于均勻，否則不一定能防止裂紋產生。4壓料面的選擇在復雜曲面大型零件的

9、拉深與成形中，在模具上都要設有壓料面。壓料面是工藝補充部分的一個組成部分，即凹模圓角半徑R凹以外的一部分。凸模對坯料開始拉深前，壓料圈將拉深坯料壓緊在凹模壓料面上。壓料面的形狀不但要保證壓料面上的材料不皺，而且應盡量造成凸模下的材料能下凹以降低拉延深度，并保證拉入凹模里的材料不皺不裂。圖4-1 壓料面與拉深方向的相對位置1-壓料圈 2-凹模 3-凸模壓料面一般有兩種：一種是壓料面就是零件本身的法蘭面，另一種則是由工藝補充部分而形成，壓料面的形狀多數是曲面的。選擇壓料面的原則：1）壓料面應盡量平整，不能有鼓起、凹坑和皺褶，在坯料被壓緊時，應不產生折皺。2）壓料面應盡量處于水平位置。這樣有利于金屬

10、流動，便于拉深工作，如圖4-1所示。圖4-2 壓料面展開長度與凸模表面展開長度比較3）壓料面應與凸模的形狀保持一定幾何關系，保證在拉深過程中，坯料始終處于張緊狀態(tài)，并能平穩(wěn)地、逐次地包攏凸模，以防產生裂紋及皺紋。因此壓料面在展開后應保證如下關系：L>L1 >圖4-3 壓料面形狀式中L凸模表面展開長度；L1壓料面展開長度；凸模表面夾角，<180°；壓料面平面夾角，<180°。如圖4-2所示為壓料面展開長度比凸模表面展開長度短（L>L1）示意圖。這樣凸模對毛坯可以拉深，但還不一定保證最后不形成波紋及起皺。如圖4-3所示的壓料面形狀，雖然L>L

11、1，但壓料面夾角比凸模表面夾角小，因此凸模從開始拉深到最后的過程中，幾個瞬間位置的壓料面展開長度比凸模表面展開長度長，形成的皺紋比較大。故這樣的壓料面是不能采用的。故防皺條件是：L>L1及>。若不能滿足這一條件，要考慮改變壓料面，或在拉深件底部設置筋或反成形形狀吸收余料。4）壓料面應使成形深度小且各部分深度接近一致。這種壓料面可保證各部分進料阻力均勻，使材料流動和塑性變形趨于均勻，減小成形難度。進料阻力不均勻，在拉深過程中毛坯可能沿凸模頂部竄動，嚴重時會產生破裂和皺紋。而達到進料阻力均勻的一個前提條件就是拉深深度均勻。5）壓料面應使毛坯在拉深成形和修邊工序中都有可靠的定位，并考慮送

12、料和取料的方便。在實際工作中，上述各項原則不能同時達到時，應根據具體情況決定取舍。5. 工藝補充形狀覆蓋件的形狀復雜，結構不對稱，為了獲得成形性良好的拉延件，有時需將覆蓋件上的翻邊展開，將孔補滿，再加上工藝補充部分使覆蓋件形成一個封閉的零件，通過這些措施，使覆蓋件的成形條件得到改善，從而保證覆蓋件的拉延質量。但是，因為拉延后要將工藝補充部分修掉，所以要在能夠拉延出滿意的拉延件的條件下，盡可能地減少工藝補充部分，降低材料消耗。5.1拉延臺階的設定拉延臺階屬于工藝補充設計的一個重要內容，它具有以下作用：1) 若按覆蓋件凸緣設定壓料面，就可能使壓料面凸凹不平，當深度差劇烈時，會出現(xiàn)開裂、起皺現(xiàn)象，設

13、定拉延臺階，可獲得加工性良好的壓料面，利于成形質量。2) 對于一些覆蓋件，其側壁易出現(xiàn)體皺紋，滑傷、沖擊線、翹曲、松弛等缺陷，解決這些缺陷的辦法，一般是通過拉延臺階，使材料充分變形。3) 在后工序中，零件次村往往在修邊時，零件與模具形狀不易重合，設定拉延臺階有利于零件定位，同時可將那些需要斜鍥修邊的地方，改成垂直修邊。5.2拉延臺階高度和寬度的關系圖5-1表示了拉延臺階在拉延過程中的情況：W>H：即拉延臺階寬，其效果減弱，故易出現(xiàn)沖擊線和滑傷。WH：為理想的拉延臺階。W<H：即拉延臺階相對于深度大，材料在凸模與凹模的約束中，會在加工是出現(xiàn)破裂。HWW>HHWWHWHW<

14、H圖5-1 拉延臺階高寬關系5.3幾個案例圖5-2所示的零件邊緣有很大的高差，故設定了拉延臺階，壓料面的形狀得到了緩和，成形效果較好。但將壓料面完全取成平面，則會在零件后部R處也會出現(xiàn)拉延臺階，R處將出現(xiàn)皺紋，同時臺階相對其寬度較深，反而不利于拉延。圖5-2 深度不均勻設定臺階劇烈的高差得到緩解后半部不能出現(xiàn)臺階修邊線圖5-3所示零件周圍邊緣的修邊形狀凸凹不規(guī)矩，可通過設定拉延臺階，得到平坦的壓料面。修邊線圖5-3 使斜鍥修邊變?yōu)榇怪毙捱厛D5-4所示碟形零件，修邊時，拉延件不易與模具重合，設計拉延臺階利于修邊時定位，而且臺階設定后，材料變形充分，零件剛性好，不易回彈。必須注意的是，圓角R易出現(xiàn)

15、皺紋，因此，R1<R2，這對防止皺紋出現(xiàn)是重要的。圖5-5所示零件，沖擊線較易出現(xiàn)在零件側壁，對外觀質量有所影響，若增設拉延臺階，可擴大凹模口，使沖擊線出現(xiàn)在零件的底部，同時產生較強的拉力。修邊線修邊線圖5-4 成形與修邊的關系R2R1圖5-5 防止沖擊線修邊線沖擊線沖擊線修邊線修邊線翻邊線總之，應根據覆蓋件的具體情況，綜合考慮壓料面、拉延深度、拉延方向等諸多因素，上述設定拉延臺階方法，只是工藝補充方面一些典型的例子，在實際工作，還需靈活掌握應用。6 拉延筋技術6.1 拉延筋的作用拉延筋是板料拉深成形中的主要控制手段之一，較之其它控制手段具有簡單方便，易于實現(xiàn)等優(yōu)點。它能更加穩(wěn)定、有效、

16、靈活、均勻地控制壓料力。隨著沖壓制件的復雜程度和難度的不斷增加，拉深筋的設置和調整已成為拉深模具設計及試模過程中的關鍵技術。其作用描述如下:(1) 增加進料阻力。拉延筋阻力是由坯料通過拉延時的彎曲反彎曲變形力、摩擦力以及因變形硬化引起的再變形抗力增量二部分組成的。如圖6-1所示,板料流經拉延筋時,在點1到點6之間發(fā)生了彎曲、回復、彎曲的反復變形,這些變形所需要的變形力加上筋與板料表面的摩擦力都直接作用在板料上,增加了板料流動的進料阻力。拉延檻也是拉延筋的一種,由于其彎曲更劇烈,所以其進料阻力大得多,更適用于曲率較小、平坦的或深度小的覆蓋件,使板料成形不僅靠壓邊圈外材料的流入與補充,更依靠材料本

17、身的塑性變形來成形。圖6-1 板料流過半圓筋所發(fā)生的形變(2) 調節(jié)進料阻力的分布。通過對拉延筋的位置、根數和形狀的適當配置,使拉延過程中各部分流動阻力均勻,坯料流入模腔的量適合制件各處的需要,從而調節(jié)材料的流動情況,增加坯料流動的穩(wěn)定性。(3) 降低對壓料面精度的要求。不用拉延筋時,壓料面表面精度要求較高,即要求平整、光滑、貼合、均勻。使用拉延筋后,壓料面間隙可適當加大,表面精度可適當降低,從而減少模面制造工作量,減少壓料面的磨損。(4) 增加零件的剛性。通過增加徑向拉應力,促使板料承受足夠的拉脹成形,對于大曲面平坦零件成形時易出現(xiàn)的松弛回彈及波紋等缺陷,設置筋(檻) 可產生很大的徑向拉應力

18、使材料充分變形,減少由于變形不足而產生的回彈、松弛、扭曲、波紋、收縮等。(5) 提高零件表面質量?？煞乐挂蛲咕壷苓叢牧喜痪鶆蛄鲃釉斐傻牟豢杀苊猱a生的皺紋進入修邊線內,減輕或消除大底角筒形件、球形件、錐形件等零件(凸凹模之間有較大的間隙) 中間懸空部分因材料集中發(fā)生的內皺現(xiàn)象。(6) 合理設置拉深筋可在一定程度上降低對壓床噸位的需求。通過增加脹形成分和增大進料阻力,可減小板料外形尺寸,提高材料利用率。(7) 穩(wěn)定生產,降低廢品率。使用拉延筋可建立所需的應力狀態(tài),增大徑向拉應力,減小切向壓應力,減少由于起皺、壓邊力以及板料厚度變化等原因而產生的廢品,使拉延過程穩(wěn)定。(8) 對板料有校整作用,糾正坯

19、料的不平整缺陷,提高材料的拉延性能。6.2 拉延筋的種類、結構形式與設置拉延筋的種類與結構形式在相關資料中有詳細的描述。相對而言,拉延筋的設置,包括筋的大小、位置、根數等,更能影響到拉延筋所起的作用,而拉延筋的設置也正是根據希望它要起到的作用來完成的。概言之,就是在需要增加和調節(jié)進料阻力的地方設置拉延筋。設置筋應注意以下幾點:(1) 零件壓料后應保證不起外皺、不起內皺、不拉裂。(2) 如圖6-2所示,考慮到筋所處位置的形面形狀、后續(xù)模具結構的合理性,當筋的位置處在平坦部位時,一般按圖6-2(a)設置。當筋的位置處在形面時,考慮到修邊模的凹模刃口,一般按圖6-2(b)或圖6-2(c)所示設置。對

20、于深拉延件,其側壁易出現(xiàn)波紋,應使拉延筋離凹模口遠一些,從而在一定程度上使經過拉延筋的坯料在流入凹模口前被校平。(a)(b)(c)圖6-2 拉延筋的位置(3) 在絕大多數情況下,拉延筋(檻) 的走向要與坯料流動方向垂直,但在某種情形下,筋的走向可與坯料流動方向成一定角度或平行于坯料流動方向,以防止走料過程中的竄料或厚度變化轉移。(4) 考慮到拉延的經濟性,采用最小可行的筋邊距和筋間距,但如果對材料利用率沒有影響,拉延筋位置應取大一些。(5) 對外覆蓋件,筋的位置應設置在拉延筋拉痕不會影響產品的位置上。(6) 考慮到制造維修的方便性,應盡可能采用整體筋,在本體上直接加工出來。在不能事先設定拉延筋

21、具體位置時,可采用鑲筋。以便于調試時的變更。在平的壓料面上最好采用鑲筋結構,可望將壓料面的數控銑加工改為磨削加工,減少加工成本。(7) 拉延筋的高度變化應注意緩慢過渡。比如在圓角區(qū)的拉延筋高度為13mm,從圓角結束位置處,在40mm范圍內,緩慢變成一般位置拉延筋的高度。在拉延筋的端頭,筋的高度漸變至0的過渡區(qū)段應在30mm長左右,且端頭在平面以圓角收尾。在調整時,拉延筋槽可以加深,但必須保證槽寬。(8) 對于多排的拉延筋,應使筋的高度有所變化。隨著坯料從外向里流入,在伸長變形區(qū)和直線彎曲變形區(qū),料厚變薄,壓料面間隙相對增大,減小了壓料力,或料厚雖無明顯變化,但隨著坯料的流動壓料面減少,壓料力也

22、相應減少,應使筋的高度由外向里逐漸增高,使筋的進料阻力由小到大,以補償壓料力的減少。而對于壓縮變形區(qū)材料在流動過程中料厚有增大的趨勢,使壓料面間隙相對減少而增大了進料阻力,此時使多排筋的高度由外向里逐漸降低,以適應壓料力的變化。(9) 為便于模具調試維修,不論是單動拉延還是雙動拉延,原則上將拉延筋設置在上模上(上模為凸筋),而將拉延筋槽做在下模,因為調試拉延模時拉延筋一般不打磨,拉延筋槽做在下模便于研配,也便于放料,與拉延筋槽做在上模相比,它的抑制力較弱，而且易出現(xiàn)翹曲的缺陷。如圖6-3,在情形(a)時,材料的彎曲變形在R1、R2處相抵消,拉延側壁的翹曲小。在情形(b)時，沒有拉延筋，凹?？赗

23、的彎曲變形仍然殘留，側壁會產生翹曲。在情形(c)時，R1、R2的彎曲變形屬同一方向，翹曲更嚴重。所以有時候拉延筋距凹模口的距離要適當大一些，特別是對于深拉延件的側壁易出現(xiàn)回彈時更要如此，使坯料流過拉延筋后再經過一段被校平的區(qū)域。(a)(b)(c)圖6-3 筋對翹曲的影響(10) 拉延筋一般設置在壓料面上,但根據它所起的作用,在某些場合亦可設置在其它需要的地方。比如: 在深斜拉延側面上，容易出現(xiàn)波浪，可用或橫或豎之閑筋以消之。 在拉延件中，若有較深的反拉延時，在反拉延凹?？谕膺叺牟牧?，容易起皺，應視必要和可能而設置內筋以舒皺，即在凹?？谝詢仍O置拉延筋,如圖6-4所示，在主拉延面上設內筋，并在反拉

24、延面上也設內筋，只要在主拉延面與反拉延面上的內部閑筋互相配合恰當，便能起到舒平防皺的效果。圖6-4 內筋 鞍形拉延件中部易起皺。同樣可以用內筋舒皺,但產品應允許有筋存在。(11) 對空間曲面變化小的淺拉延件，若后續(xù)工序件需用拉延筋(檻)定位，設置拉延筋(檻)位置時要考慮后續(xù)定位塊結構尺寸，修邊凹模強度等，還要使定位穩(wěn)定可靠。6.3 拉延筋的局限性作為沖壓成形的控制方法,拉延筋并不是唯一的措施。在實際生產中必須根據零件的幾何形狀及精度要求等方面的情況靈活地采取各種不同的方法解決其成形的問題。拉延筋的局限性如下:(1) 必須依賴于足夠的壓邊力才能使拉延筋起作用。當壓邊力不足時，在壓邊圈與凹模面接觸

25、的過程中，拉延筋自身成形不足，不僅不能增加材料流動的阻力，隨著材料向里流動，凸緣面將產生皺紋，皺紋產生的阻力及皺紋通過筋時的反作用力會導致壓邊圈上浮，皺紋還將拉毛模面。另外即使壓料時筋的成形充分，如果壓邊力不足，材料通過筋時的反力也會造成壓邊圈上浮。生產過程中常常出現(xiàn)氣壓不足或波動等引起壓邊力不足而造成廢品率上升的現(xiàn)象。因此使拉延筋起作用的必須條件是:初始壓力足以使筋成形。確保在板料流入凹模的全過程中，隨著材料硬化加劇引起彎曲力不斷上升，使筋不被抬起。(2) 當零件對稱變形或者變形接近均勻及不需要很大的脹形成分等情況下，不設置筋而采用平面壓邊形式。(3) 材料的相對厚度大時，不用拉延筋甚至不用

26、壓料。(4) 多次拉延時，一般只在最后一次拉延時設置拉延筋。(5) 需借助數字仿真分析軟件對拉延筋的設置及更改作出快速評估，減少物理試模，降低制造成本，縮短制造周期。7CAE技術的運用隨著非線形理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型過程的CAE分析技術日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設計中發(fā)揮了重要的作用。目前的金屬板料成形CAE系統(tǒng)已能提供多方面的分析和模擬結果：材料的流動、厚度的變化、破壞、起皺、回彈，以及殘余應力和應變，用以預測產品設計和加工工藝的合理性。工藝人員可以根據模擬分析的結果對工藝方案進行優(yōu)化、對產品設計提出修改意見，從而有效地縮短模具設計周期，大大減少試模時間，幫助企業(yè)改進產品質量，降低生產成本，從根本上提高企業(yè)的市場競爭力。（1）通過對零件的可成形工藝性分析，做出零件是否可制造的早期判斷，通過模擬分析，及時向研發(fā)部門提出產品改進方案，減少實際試模次數，縮短開發(fā)周期。如D530一排半薄頂側頂蓋是在D310標準車側頂蓋的基礎上簡單地降低80mm而成的，由于其深度與寬度的比值加大，且后部存在局部突起，通過通過CAE分析，發(fā)現(xiàn)其成形過程中嚴重拉裂，在距離下死點50mm時已經開裂，即使使用DC06級別的材料，仍不能解決；多次修改工藝補充部分、調整工藝參數效果也不明顯。根據以往CAE在D310零件中的應