浅析零件翻边开裂缺陷及解决办法

本文针对冲压零件翻边成形过程中开裂风险与翻边高度、角度设置及零件材料选择的内在联系方面进行详细的阐述，分析了进行产品冲压零件设计时，各个翻边结构设计参数对翻边开裂风险的影响程度、产生影响的原因，以及可行的规避措施，从而指导设计方案优化。在汽车车身冲压零件的设计中，两次翻边造型是一种非常常见的设计结构，起到增大零件匹配焊接搭接面以及提高零件强度等作用。但实际在冲压零件成形过程中，两次翻边结构经常会出现翻边起皱、翻边叠料以及翻边开裂等缺陷，造成制件品质下降。某些汽车车身关键部位的冲压零件存在以上问题点时，会造成车身强度降低，甚至危及乘员安全。上述冲压零件缺陷在产品设计阶段可通过运算分析，改善设计结构进行规避。本文通过对翻边开裂缺陷进行分析，通过开裂缺陷与翻边高度、角度设置及冲压零件材料选用等设计参数的内在联系，分析冲压件选择不同材料时，结构翻边高度及角度存在的限制，从而尽可能地从设计阶段进行优化，规避后期冲压零件出现开裂缺陷的风险。采用的翻边结构如图1所示，在冲压件设计中，通常采用的翻边结构主要有三种：第一，制件普通平板部位边缘翻边；第二，制件折弯同时两面的边缘并向内翻边；第三，制件折弯同时两面的边缘均并向外翻边。对于折弯并向内的翻边结构，我们通常采用的成形工艺是先折弯成形，后凸缘面翻边成形。通常产生的制件缺陷是第二次翻边导致凸缘面部位产生起皱。折弯并向外的翻边结构，通常有两种成形方式：一种是如图2所示的拉延后翻边工艺，采用此种工艺的制件在后翻边的凸缘面上易出现翻边起皱缺陷；另一种成形方式是如图3所示的先一次翻边后再二次折弯成形工艺，采用此种工艺的制件在先翻边的凸缘面上易出现二次折弯部位料边边缘开裂缺陷。本文主要针对先一次翻边后再二次折弯成形工艺的折弯并外翻边结构（见图3，以下简称“两次翻边”）的开裂缺陷进行分析，并探讨在设计阶段产品结构可采取的规避措施。翻边开裂的原因造成冲压件开裂的原因有很多，但是产生的根源在于开裂部位成形时拉伸程度超过了材料所能承受的强度极限，即成形过程材料流动的拉伸量超过了材料允许的最大拉伸率。对用于冲压生产所用的原材料，不存在材料拉伸。进行折弯或者翻边成形时，紧贴模具凸模面的材料通常也不存在拉伸，所以对于两次翻边的结构，分析翻边边缘开裂风险时，只需要考虑翻边边缘的材料拉伸量是否超过了所选材料的最大伸长率。如图4所示的零件，要分析制件翻边边缘是否开裂，只需要计算分析图示L3对比L1的拉伸量是否超过材料允许的最大拉伸率。折弯后外翻边结构材料伸张计算某种零件翻边部位的结构（见图4），折弯R角尺寸为R1，折弯角度为θ1；凸缘面向外翻边R角尺寸为R2，翻边角度为θ2。计算翻边边缘L3料边的伸长率δ，要计算L3料边的伸长率，就必须计算出L1、L2和L3的长度，则L1=2πR1×θ1/?360。要计算L2，需确定L2与L1的关系，因为L1与L2圆弧均在同一次折弯过程产生，所以将L1与L2所在的假想平面重合后，两圆弧圆心必然重合，由此运用立体几何计算RL2与R2的关系即可。图5中线段O'A、O'B为翻边R2圆弧切线，夹角为θ2（即凸缘面向外翻边夹角）；线段OA、OB为翻边R2圆弧法线，相交与R2圆弧圆心O点，夹角为θ3；θ2与θ3角度互补。将L2与L1所在平面重叠，两圆弧圆心重合，则：RL2=R1+?lBCθ3=180°-θ2lBC=R2-lOC=R2-R2×?cosθ3=R2+R2×cosθ2RL2=R1+lBC=R1+R2（1+cosθ2）L2=2πRL2×θ1/360=2π［R1+R2（1+cosθ2）］×θ1/360如L3部位翻边高度为h，则L3=2πRL3×θ1/360=2π×（RL2+h）×θ1/360δ=（L3-L1）/L1×100%=［R2（1+cosθ2）+h］/R1×100%代入相关数值，即可运算出，经两次翻边后，L3部位材料的拉伸率δ。（以上计算中RL2为图5所示弧L2的半径；RL3为图5所示弧L3的半径；lBC为图5所示线段BC长度；lOC为图5所示线段OC长度）翻边高度及角度的设计控制从以上计算得出的拉伸率δ计算公式可知，经两次翻边后料边边缘拉伸程度，与两次翻边时所设置的翻边R角大小（即上例R1、R2）、凸缘面的翻边角度（即上例θ2）、以及凸缘面折弯部位预留的直边段（即上例h）有直接关系。当计算所得拉伸率δ大于材质本身允许的伸长率δS时，制件在翻边成形过程即可能出现边缘开裂的风险，且考虑计算误差及成形过程中其他因素的影响，应考虑增加安全因数k，即要确保制件经两次翻边后不出现开裂风险，必须满足：kδ<δS，(k值取决于工装精度、生产设备精度、操作过程稳定性及制件原材料性能的稳定性等)，同时当选择的材料料厚越厚时，按图4所示的料厚方向，会造成R2值越大，也就是说零件选用材料的料厚越厚，越容易造成零件的两次翻边成形过程中出现开裂的风险。翻边开裂风险的零件设计控制在实际产品零件设计过程中，凸缘面翻边角度θ2与零件间的匹配关系相关联，设计时进行调整的可行性很小。凸缘面翻边R角R2要求取值尽量小，当R2值减去材料料厚值后约为2～5mm时，基本可满足翻边要求；且R2取值越小，可使凸缘面有效匹配面积越大，提高产品匹配质量。结合计算公式可知，要减小两次翻边时材料的拉伸率δ值，可行的零件设计控制措施是降低凸缘面翻边部位料边的长度，即降低h值。以及增大折弯R角，即增大R1值，但增大折弯R角易导致出现制件反弹缺陷。结语两次翻边后材料伸长率的计算公式解释了产生翻边开裂的理论影响因素，在设计上可行的控制开裂措施亦与实际解决此类翻边开裂缺陷手段一致，即降低两次翻边凸缘面折弯部位直线段翻边高度。实际冲压件模具制作及生产过程中，导致制件翻边开裂的因素很多，但在设计阶段，必须考虑冲压件材料选择与翻边高度、角度等的内在联系。单纯考