汽車覆蓋件沖壓成型過(guò)程中的常見(jiàn)缺陷及分析

1、Road Transport公 路 運(yùn) 輸2009年第 1期 總第 19期53 文章編號(hào):16734785(2009 010053005汽車覆蓋件沖壓成型過(guò)程中的 常見(jiàn)缺陷及分析李少巖 , 齊寶軍(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院 , 黑龍江 哈爾濱 150040摘要:板料沖壓成型是汽車覆蓋件的關(guān)鍵加工技術(shù) , 文章重點(diǎn)敘述了 鈑金沖壓過(guò)程中出現(xiàn)缺陷的原因及影響因素 , 并通過(guò)某型號(hào)汽車的發(fā)動(dòng) 機(jī)蝸殼進(jìn)行參數(shù)模擬分析 , 以更直觀地了解各因素對(duì)沖壓成型的影響 , 最 后提出了一些解決沖壓成型缺陷的意見(jiàn)。 關(guān)鍵詞:鈑金 ; 沖壓成型 ; 缺陷 ; 分析 ; 解決中圖分類號(hào):U461191 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A22

2、,2,:, 2, ,2,2,:; ; ; ;0 引言汽車工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)五大支柱產(chǎn)業(yè)之一 。隨著市場(chǎng)需求的 Road Transport公 路 運(yùn) 輸54 西部交通科技改變 , 汽車的更新?lián)Q代速度日趨加快 , 轎車一般為 34年 , 輕型車 45年 , 其它車型約為 68年 。汽車大多數(shù)組成部件是覆蓋件 , 汽車覆蓋件的設(shè) 計(jì) 、 制造的速度將直接影響汽車工業(yè)的發(fā)展 , 其生 產(chǎn)的重要方式是 板料沖壓成型 。板料沖壓成型是一種十分重要的制造技術(shù) , 在汽車 、 航空 、 電器和國(guó)防等工業(yè)中都有廣泛的應(yīng) 用 , 特別是在汽車制造中尤為重要 , 因?yàn)槠嚫采w 件大都采用薄板沖壓而成 , 產(chǎn)品品質(zhì)

3、的好壞直接 影響到汽車的品質(zhì) 。目前 , 汽車工業(yè)面臨世界范 圍內(nèi)的激烈競(jìng)爭(zhēng) , 、 要求也越來(lái)越高 1 沖壓成形過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷板材成形過(guò)程包括成形材料選擇 、 坯料制備 、 成形工序制定 、 模具設(shè)計(jì) 、 模具制造 、 成形操作 、 后 續(xù)處理等部分 。 其中 , 成形工序的制定是關(guān)鍵 , 其 基本工序包括彎曲 、 脹形 、 拉延和翻邊 。由于板材成形過(guò)程的多樣性和復(fù)雜性 , 多數(shù) 情況下成形工序與工藝參數(shù)要通過(guò)多次試驗(yàn)才能 確定出來(lái) 。 沖壓件的材料 、 加工過(guò)程的控制 、 模具 的設(shè)計(jì)和制造都直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量和價(jià)格 。材 質(zhì)不當(dāng) 、 加工過(guò)程不當(dāng)或模具形狀不合適 , 很容易 出現(xiàn)成形

4、件破裂 、 起皺或其它形狀不良問(wèn)題 。沖壓成形是一個(gè)包含多種復(fù)雜物理現(xiàn)象的工 藝過(guò)程 , 其設(shè)計(jì)和控制非常困難 , 這就是沖壓成形 過(guò)程常常產(chǎn)生許多缺陷而又難以糾正的原因 。111 拉裂拉裂是深沖工藝產(chǎn)生的常見(jiàn)缺陷 。根據(jù)程度 不同 , 可將拉裂分為微觀拉裂和宏觀拉裂兩種情 況 。 微觀拉裂指工件中產(chǎn)生肉眼難以看清的裂 紋 , 盡管裂紋深度很淺 , 但一部分材料已失效 , 宏 觀拉裂是指工件已出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋和斷裂 。 宏觀拉裂通常主要由薄板平面內(nèi)的過(guò)度拉脹所造成 , 而微觀拉裂則由單純的拉脹引起 , 也可由單純 的彎曲引起 , 無(wú)論是微觀拉裂還是宏觀拉裂都是 由于局部拉應(yīng)變過(guò)大所致 。 對(duì)

5、于單純的彎曲件來(lái) 說(shuō) , 拉裂相對(duì)容易避免一些 , 因?yàn)檫@時(shí)可用簡(jiǎn)單的 辦法較為準(zhǔn)確地計(jì)算彎曲區(qū)的最大拉應(yīng)變 。而對(duì) 于復(fù)雜的拉深件來(lái)說(shuō) , 用傳統(tǒng)的方法很難準(zhǔn)確地 計(jì)算給定條件下材料的塑性流動(dòng)情況 , 因而也就 。 。 , 。如調(diào)整壓邊 、 增加輔助工序等 。這些方法的 目的都是為了改變法向接觸力和切向摩擦力的分 布 , 從而改變材料的流動(dòng)狀況 。 值得注意的是 , 不 應(yīng)在消除一個(gè)部位拉裂的同時(shí) , 引起另一個(gè)部位 產(chǎn)生拉裂或其它類型的缺陷 。112 變薄板料變薄是板料拉伸的結(jié)果 , 從工程實(shí)際的 角度來(lái)看 , 對(duì)于車身覆蓋件 , 板料厚度減少 4%20%是可以接受的 , 若減少得太多 ,

6、 則將削弱零件的剛度 , 且引起開(kāi)裂 。金屬的延展性和延伸率也 是影響板料拉裂與變薄的重要因素 。調(diào)整拉深筋 (拉深檻 的設(shè)計(jì)參數(shù)與布置方案可以控制板料的變薄情況 。 過(guò)大的約束力會(huì)導(dǎo)致板料變薄加劇 。 控制板料的變薄是模具設(shè)計(jì)的重要方面 , 一般而 言 , 板料的變薄越均勻就越能獲得好的沖壓件質(zhì) 量 。113 起皺起皺是薄板沖壓成形中另一常見(jiàn)缺陷 , 它的 產(chǎn)生原因與拉裂產(chǎn)生原因相反 。 是由于局部壓應(yīng) 力過(guò)大引起薄板厚度方向的失穩(wěn)所致 。這種失穩(wěn) 形式稱為壓縮失穩(wěn) 。起皺發(fā)生時(shí) , 皺紋的走向與 壓應(yīng)力垂直 , 但不能簡(jiǎn)單認(rèn)為任何起皺都是壓應(yīng) 力引起的 。 在板料沖壓成形時(shí)產(chǎn)生的起皺是各種

7、 各樣的 , 大致可以分為壓縮力 、 剪切力 、 不均勻拉 深力以及板內(nèi)平面彎曲力四種 。 起皺雖然不像拉 裂那樣削弱零件的強(qiáng)度和剛度 , 但它影響零件的 李少巖 齊寶軍2009年第 1期 總第 19期55 精度和美觀 。 如果在中間工序發(fā)生起皺還可能影 響下一道工序的正常進(jìn)行 。 消除起皺的最直觀的 辦法是增加起皺處的法向接觸力 , 但這有導(dǎo)致其 它部位被拉裂的危險(xiǎn) , 因此 , 消除零件的起皺也不 是一件容易的事 , 它同樣要求能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料 的流動(dòng)狀況 。2 影響沖壓成形過(guò)程產(chǎn)生缺陷的因素211 材料參數(shù)方面標(biāo)準(zhǔn) , 因此 , , n , 可從 各參數(shù)對(duì)成形極限曲線 (F LD 走向影

8、響方面研 究 。 硬化指數(shù) n 增加時(shí) , 將使破裂成形極限曲線 提高 , 同時(shí)也會(huì)提高材料拉延的均勻性 。對(duì)于脹 形變形也是如此 , n 增大 , 極限曲線右移 , 得到更 大的等效應(yīng)變 。 同樣 , 厚向異性系數(shù) r 值越大 , 變 形路徑與破裂極限曲線的交點(diǎn)值越大 , 當(dāng) r 值 >1時(shí) , 板厚方向的變形比平面內(nèi)困難 , 拉深不易變 薄 , 壓縮不易增厚 , 從而不易出現(xiàn)破裂和起皺的問(wèn) 題 。212 模具型面參數(shù)凹?？趫A角半徑的取值是否合適是拉延能否 成功的關(guān)鍵因素之一 , 通過(guò)典型的圓筒件的模擬 得知過(guò)大過(guò)小的半徑都對(duì)成形有影響 。另外在常 壓邊力控制下若采用均一圓角設(shè)計(jì)凹模

9、, 為了保 證矩形板料拉延成功 , 圓角半徑的數(shù)值不能 <4mm , 否則就會(huì)出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象 。 為提高成形質(zhì)量并考慮拉延后整形的便利 , 改變常規(guī)的均一圓角 設(shè)計(jì) , 將凹?？趫A角根據(jù)變形材料的流動(dòng)狀況取 值 , 凹?？趫A角數(shù)值逐漸過(guò)渡 。但對(duì)于復(fù)雜的覆 蓋件數(shù)值模擬由于工作量很大 , 一般不采用該方 法 , 而是采用統(tǒng)一的凹?？趫A角半徑 , 通過(guò)其它方 法改善材料流動(dòng)速度的不均勻性 , 例如 , 涂潤(rùn)滑油 等 。213 工藝過(guò)程參數(shù)是指除模具和拉延板料幾何參數(shù)及材料性 能以外的 , 通常在成形時(shí)才出現(xiàn)并起作用的過(guò)程 參數(shù) , 包括壓邊力 、 摩擦力 、 拉延筋成形阻力 、 成 形速度

10、、 潤(rùn)滑條件以及變形路徑等 。其中合理的 拉延筋布置方式和拉延筋成形阻力大小的求解 是覆蓋件成形過(guò)程設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容 , 相關(guān)參 。拉延 (, 提 , ; (2 為增加傳力區(qū)徑向拉應(yīng) 力 , 降低切向壓應(yīng)力 , 防止板料起皺 , 應(yīng)在容易起 皺的部位設(shè)置局部短拉延筋 ; (3 為調(diào)節(jié)進(jìn)料阻 力和進(jìn)料量 , 通常會(huì)在拉延深度大的直線部位 , 放置阻力大的拉延筋 , 而在拉延深度大的曲線部 位不設(shè)置拉延筋 , 當(dāng)拉延深度相差較大時(shí) , 在深 的部位不設(shè)或設(shè)阻力小的拉延筋 , 在淺的部位設(shè) 阻力相對(duì)大的拉延筋 。3 沖壓件拉深仿真模擬311 板料尺寸和潤(rùn)滑條件對(duì)成形性能的綜合影響通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)蝸殼

11、建立簡(jiǎn)單的沖壓件拉深 仿真模擬系統(tǒng) , 在其他條件都固定的情況下研究 板料尺寸和潤(rùn)滑條件分別對(duì)成形過(guò)程中總拉深力 的影響 , 通過(guò)直觀圖觀察拉深力大小 , 從而判斷力 的大小是否在允許范圍內(nèi) , 是否對(duì)拉深件有影響 (起皺 、 拉裂等 。最后對(duì)所得的數(shù)據(jù)通過(guò)模擬軟件進(jìn)行分析 , 得到了總拉深力和板料直徑及摩擦 系數(shù)的綜合關(guān)系圖 (見(jiàn)圖 1 。由圖中可以看出 , 總拉深力隨著板料直徑和 摩擦系數(shù)的增加單調(diào)增大 。而且可以看到 , 這兩 個(gè)因素是互相促進(jìn)的 :即隨著一個(gè)因素的增大 , 另 一個(gè)因素對(duì)拉深質(zhì)量的影響也相應(yīng)增大 , 因此 , 摩 擦條件和板料尺寸是相關(guān)的 , 在實(shí)際應(yīng)用中必須 Road

12、 Transport公 路 運(yùn) 輸 56 西部交通科技圖 1 統(tǒng)一加以考慮 。312 凹模圓角半徑和板料厚度對(duì)成形性能的綜合影響同樣的 , 我們?cè)诤?jiǎn)單圓筒形拉深仿真系統(tǒng)中 研究了凹模圓角半徑以及板料厚度對(duì)總拉深力的 綜合影響 , 通過(guò)直觀圖觀察拉深力大小 , 從而判斷 力的大小是否在允許范圍內(nèi) , 是否對(duì)拉深件有影 響 (起皺 、 拉裂等 。 如圖 2所示。圖 2 板料厚度 、 圓角半徑對(duì)板料成型影響的綜合關(guān)系圖由三維圖可以很直觀的看出 , 總拉深力隨著板料厚度的增加單調(diào)增大 , 而凹模圓角半徑的增 大對(duì)它影響比較小 。處于一個(gè)波動(dòng)狀態(tài) , 大致上 在 R =5mm 時(shí)達(dá)到最小 , 這說(shuō)明了凹

13、模圓角并不 是越大越好 , 在接下來(lái)的覆蓋件模具型面的修改 過(guò)程中要加以注意 。313 模具間隙和凹模圓角半徑對(duì)成形性能的綜合影響, 通過(guò)直觀圖觀察拉 從而判斷力的大小是否在允許范圍內(nèi) ,是否對(duì)拉深件有影響 (起皺 、 拉裂等 。由圖中可 以直觀的看出 , 凹凸模間隙對(duì)總拉深力的影響比 較小 , 凹模圓角半徑對(duì)拉深性能的影響就比較明 顯 , 總的來(lái)說(shuō) , 總拉深力隨著圓角半徑增大的變化 趨勢(shì)是減小的 , 變化處于一種波動(dòng)狀態(tài)。圖 3 模具間隙 、 圓角半徑對(duì)板料成型影響的綜合關(guān)系圖4 產(chǎn)品缺陷的解決方法通過(guò)以上分析 , 汽車覆蓋件板材沖壓成形過(guò)程中產(chǎn)生缺陷的原因及解決方法總結(jié)如下 : 李少巖

14、齊寶軍2009年第 1期 總第 19期57 表 1 汽車覆蓋件板材沖壓成形的缺陷及解決辦法表覆蓋件 缺陷產(chǎn)生原因解決辦法破裂 1壓邊力過(guò)大2凹?？诨蚶咏顖A角半徑過(guò)小3拉延筋布置不當(dāng)或間隙過(guò)小4板料尺寸過(guò)大5板料放置位置不當(dāng) 6局部形狀變形條件惡劣 7壓料面表面粗糙度過(guò)大 8潤(rùn)滑狀況較差 9勻性 、 性能等 1減小外滑塊壓力 2加大相關(guān)圓角半徑 3調(diào)整拉延筋數(shù)量位置和間隙4適當(dāng)減小板料尺寸 5正確定位板料 6改變拉延筋設(shè)計(jì)、 加工藝口79優(yōu)化板料展開(kāi)料形狀或重新選材起皺1壓邊力過(guò)小 2凹?？趫A角半徑過(guò)大 3拉延筋布置不當(dāng)或數(shù)目過(guò)少4板料尺寸過(guò)大 5板料放置不當(dāng)或定位不穩(wěn)6潤(rùn)滑過(guò)度或潤(rùn)滑位置不當(dāng)

15、7拉延方向不當(dāng)1增大外滑塊壓力 2減小相關(guān)圓角半徑 3增設(shè)拉延筋或改變?cè)O(shè)計(jì)4減小板料尺寸或優(yōu)化形狀5正確定位板料 6減少潤(rùn)滑或重新設(shè)計(jì) 7改變拉延方向 , 重設(shè)計(jì)5 結(jié)語(yǔ)人們應(yīng)該認(rèn)識(shí)金屬塑性成形過(guò)程的本質(zhì)規(guī)律 , 為在沖壓成型領(lǐng)域的工作掌握有力的知識(shí)能 量 , 在設(shè)計(jì)工作階段 , 能很好地進(jìn)行覆蓋件的模具 設(shè)計(jì) 、 工藝設(shè)計(jì) , 在試沖試模階段能完善 、 徹底地 進(jìn)行故障缺陷分析 , 解決問(wèn)題 , 使之在批量生產(chǎn)階 段 , 改善覆蓋件生產(chǎn)質(zhì)量 , 降低成本 , 達(dá)到使用要 求 。參考文獻(xiàn)G L 1, Q Lin 1Determining the opti 2bla nk -holder force s using a daptive re 2sponse surf a ce metho dolo gy (ARSM 1International J ournal of Adva nce d Ma nuf a cturing Technolo gy , 2004,82:101-107.2林忠欽