汽车覆盖件冲压成型过程中的常见缺陷及分析

1、Road Transport公 路 运 输2009年第 1期 总第 19期53 文章编号:16734785(2009 010053005汽车覆盖件冲压成型过程中的 常见缺陷及分析李少岩 , 齐宝军(东北林业大学交通学院 , 黑龙江 哈尔滨 150040摘要:板料冲压成型是汽车覆盖件的关键加工技术 , 文章重点叙述了 钣金冲压过程中出现缺陷的原因及影响因素 , 并通过某型号汽车的发动 机蜗壳进行参数模拟分析 , 以更直观地了解各因素对冲压成型的影响 , 最 后提出了一些解决冲压成型缺陷的意见。 关键词:钣金 ; 冲压成型 ; 缺陷 ; 分析 ; 解决中图分类号:U461191 文献标识码:A22

2、,2,:, 2, ,2,2,:; ; ; ;0 引言汽车工业是我国国民经济五大支柱产业之一 。随着市场需求的 Road Transport公 路 运 输54 西部交通科技改变 , 汽车的更新换代速度日趋加快 , 轿车一般为 34年 , 轻型车 45年 , 其它车型约为 68年 。汽车大多数组成部件是覆盖件 , 汽车覆盖件的设 计 、 制造的速度将直接影响汽车工业的发展 , 其生 产的重要方式是 板料冲压成型 。板料冲压成型是一种十分重要的制造技术 , 在汽车 、 航空 、 电器和国防等工业中都有广泛的应 用 , 特别是在汽车制造中尤为重要 , 因为汽车覆盖 件大都采用薄板冲压而成 , 产品品质

3、的好坏直接 影响到汽车的品质 。目前 , 汽车工业面临世界范 围内的激烈竞争 , 、 要求也越来越高 1 冲压成形过程中常见的缺陷板材成形过程包括成形材料选择 、 坯料制备 、 成形工序制定 、 模具设计 、 模具制造 、 成形操作 、 后 续处理等部分 。 其中 , 成形工序的制定是关键 , 其 基本工序包括弯曲 、 胀形 、 拉延和翻边 。由于板材成形过程的多样性和复杂性 , 多数 情况下成形工序与工艺参数要通过多次试验才能 确定出来 。 冲压件的材料 、 加工过程的控制 、 模具 的设计和制造都直接影响到产品质量和价格 。材 质不当 、 加工过程不当或模具形状不合适 , 很容易 出现成形

4、件破裂 、 起皱或其它形状不良问题 。冲压成形是一个包含多种复杂物理现象的工 艺过程 , 其设计和控制非常困难 , 这就是冲压成形 过程常常产生许多缺陷而又难以纠正的原因 。111 拉裂拉裂是深冲工艺产生的常见缺陷 。根据程度 不同 , 可将拉裂分为微观拉裂和宏观拉裂两种情 况 。 微观拉裂指工件中产生肉眼难以看清的裂 纹 , 尽管裂纹深度很浅 , 但一部分材料已失效 , 宏 观拉裂是指工件已出现肉眼可见的裂纹和断裂 。 宏观拉裂通常主要由薄板平面内的过度拉胀所造成 , 而微观拉裂则由单纯的拉胀引起 , 也可由单纯 的弯曲引起 , 无论是微观拉裂还是宏观拉裂都是 由于局部拉应变过大所致 。 对

5、于单纯的弯曲件来 说 , 拉裂相对容易避免一些 , 因为这时可用简单的 办法较为准确地计算弯曲区的最大拉应变 。而对 于复杂的拉深件来说 , 用传统的方法很难准确地 计算给定条件下材料的塑性流动情况 , 因而也就 。 。 , 。如调整压边 、 增加辅助工序等 。这些方法的 目的都是为了改变法向接触力和切向摩擦力的分 布 , 从而改变材料的流动状况 。 值得注意的是 , 不 应在消除一个部位拉裂的同时 , 引起另一个部位 产生拉裂或其它类型的缺陷 。112 变薄板料变薄是板料拉伸的结果 , 从工程实际的 角度来看 , 对于车身覆盖件 , 板料厚度减少 4%20%是可以接受的 , 若减少得太多 ,

6、 则将削弱零件的刚度 , 且引起开裂 。金属的延展性和延伸率也 是影响板料拉裂与变薄的重要因素 。调整拉深筋 (拉深槛 的设计参数与布置方案可以控制板料的变薄情况 。 过大的约束力会导致板料变薄加剧 。 控制板料的变薄是模具设计的重要方面 , 一般而 言 , 板料的变薄越均匀就越能获得好的冲压件质 量 。113 起皱起皱是薄板冲压成形中另一常见缺陷 , 它的 产生原因与拉裂产生原因相反 。 是由于局部压应 力过大引起薄板厚度方向的失稳所致 。这种失稳 形式称为压缩失稳 。起皱发生时 , 皱纹的走向与 压应力垂直 , 但不能简单认为任何起皱都是压应 力引起的 。 在板料冲压成形时产生的起皱是各种

7、 各样的 , 大致可以分为压缩力 、 剪切力 、 不均匀拉 深力以及板内平面弯曲力四种 。 起皱虽然不像拉 裂那样削弱零件的强度和刚度 , 但它影响零件的 李少岩 齐宝军2009年第 1期 总第 19期55 精度和美观 。 如果在中间工序发生起皱还可能影 响下一道工序的正常进行 。 消除起皱的最直观的 办法是增加起皱处的法向接触力 , 但这有导致其 它部位被拉裂的危险 , 因此 , 消除零件的起皱也不 是一件容易的事 , 它同样要求能准确地预测材料 的流动状况 。2 影响冲压成形过程产生缺陷的因素211 材料参数方面标准 , 因此 , , n , 可从 各参数对成形极限曲线 (F LD 走向影

8、响方面研 究 。 硬化指数 n 增加时 , 将使破裂成形极限曲线 提高 , 同时也会提高材料拉延的均匀性 。对于胀 形变形也是如此 , n 增大 , 极限曲线右移 , 得到更 大的等效应变 。 同样 , 厚向异性系数 r 值越大 , 变 形路径与破裂极限曲线的交点值越大 , 当 r 值 >1时 , 板厚方向的变形比平面内困难 , 拉深不易变 薄 , 压缩不易增厚 , 从而不易出现破裂和起皱的问 题 。212 模具型面参数凹模口圆角半径的取值是否合适是拉延能否 成功的关键因素之一 , 通过典型的圆筒件的模拟 得知过大过小的半径都对成形有影响 。另外在常 压边力控制下若采用均一圆角设计凹模

9、, 为了保 证矩形板料拉延成功 , 圆角半径的数值不能 <4mm , 否则就会出现拉裂现象 。 为提高成形质量并考虑拉延后整形的便利 , 改变常规的均一圆角 设计 , 将凹模口圆角根据变形材料的流动状况取 值 , 凹模口圆角数值逐渐过渡 。但对于复杂的覆 盖件数值模拟由于工作量很大 , 一般不采用该方 法 , 而是采用统一的凹模口圆角半径 , 通过其它方 法改善材料流动速度的不均匀性 , 例如 , 涂润滑油 等 。213 工艺过程参数是指除模具和拉延板料几何参数及材料性 能以外的 , 通常在成形时才出现并起作用的过程 参数 , 包括压边力 、 摩擦力 、 拉延筋成形阻力 、 成 形速度

10、、 润滑条件以及变形路径等 。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 是覆盖件成形过程设计的一项重要内容 , 相关参 。拉延 (, 提 , ; (2 为增加传力区径向拉应 力 , 降低切向压应力 , 防止板料起皱 , 应在容易起 皱的部位设置局部短拉延筋 ; (3 为调节进料阻 力和进料量 , 通常会在拉延深度大的直线部位 , 放置阻力大的拉延筋 , 而在拉延深度大的曲线部 位不设置拉延筋 , 当拉延深度相差较大时 , 在深 的部位不设或设阻力小的拉延筋 , 在浅的部位设 阻力相对大的拉延筋 。3 冲压件拉深仿真模拟311 板料尺寸和润滑条件对成形性能的综合影响通过对某发动机蜗壳

11、建立简单的冲压件拉深 仿真模拟系统 , 在其他条件都固定的情况下研究 板料尺寸和润滑条件分别对成形过程中总拉深力 的影响 , 通过直观图观察拉深力大小 , 从而判断力 的大小是否在允许范围内 , 是否对拉深件有影响 (起皱 、 拉裂等 。最后对所得的数据通过模拟软件进行分析 , 得到了总拉深力和板料直径及摩擦 系数的综合关系图 (见图 1 。由图中可以看出 , 总拉深力随着板料直径和 摩擦系数的增加单调增大 。而且可以看到 , 这两 个因素是互相促进的 :即随着一个因素的增大 , 另 一个因素对拉深质量的影响也相应增大 , 因此 , 摩 擦条件和板料尺寸是相关的 , 在实际应用中必须 Road

12、 Transport公 路 运 输 56 西部交通科技图 1 统一加以考虑 。312 凹模圆角半径和板料厚度对成形性能的综合影响同样的 , 我们在简单圆筒形拉深仿真系统中 研究了凹模圆角半径以及板料厚度对总拉深力的 综合影响 , 通过直观图观察拉深力大小 , 从而判断 力的大小是否在允许范围内 , 是否对拉深件有影 响 (起皱 、 拉裂等 。 如图 2所示。图 2 板料厚度 、 圆角半径对板料成型影响的综合关系图由三维图可以很直观的看出 , 总拉深力随着板料厚度的增加单调增大 , 而凹模圆角半径的增 大对它影响比较小 。处于一个波动状态 , 大致上 在 R =5mm 时达到最小 , 这说明了凹

13、模圆角并不 是越大越好 , 在接下来的覆盖件模具型面的修改 过程中要加以注意 。313 模具间隙和凹模圆角半径对成形性能的综合影响, 通过直观图观察拉 从而判断力的大小是否在允许范围内 ,是否对拉深件有影响 (起皱 、 拉裂等 。由图中可 以直观的看出 , 凹凸模间隙对总拉深力的影响比 较小 , 凹模圆角半径对拉深性能的影响就比较明 显 , 总的来说 , 总拉深力随着圆角半径增大的变化 趋势是减小的 , 变化处于一种波动状态。图 3 模具间隙 、 圆角半径对板料成型影响的综合关系图4 产品缺陷的解决方法通过以上分析 , 汽车覆盖件板材冲压成形过程中产生缺陷的原因及解决方法总结如下 : 李少岩

14、齐宝军2009年第 1期 总第 19期57 表 1 汽车覆盖件板材冲压成形的缺陷及解决办法表覆盖件 缺陷产生原因解决办法破裂 1压边力过大2凹模口或拉延筋圆角半径过小3拉延筋布置不当或间隙过小4板料尺寸过大5板料放置位置不当 6局部形状变形条件恶劣 7压料面表面粗糙度过大 8润滑状况较差 9匀性 、 性能等 1减小外滑块压力 2加大相关圆角半径 3调整拉延筋数量位置和间隙4适当减小板料尺寸 5正确定位板料 6改变拉延筋设计、 加工艺口79优化板料展开料形状或重新选材起皱1压边力过小 2凹模口圆角半径过大 3拉延筋布置不当或数目过少4板料尺寸过大 5板料放置不当或定位不稳6润滑过度或润滑位置不当

15、7拉延方向不当1增大外滑块压力 2减小相关圆角半径 3增设拉延筋或改变设计4减小板料尺寸或优化形状5正确定位板料 6减少润滑或重新设计 7改变拉延方向 , 重设计5 结语人们应该认识金属塑性成形过程的本质规律 , 为在冲压成型领域的工作掌握有力的知识能 量 , 在设计工作阶段 , 能很好地进行覆盖件的模具 设计 、 工艺设计 , 在试冲试模阶段能完善 、 彻底地 进行故障缺陷分析 , 解决问题 , 使之在批量生产阶 段 , 改善覆盖件生产质量 , 降低成本 , 达到使用要 求 。参考文献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林忠钦