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        沖壓深拉延件開裂問題的研究解決

        2021-12-26 06:08:42賀前勇
        中國金屬通報(bào) 2021年16期

        賀前勇

        (廣汽菲亞特克萊斯勒汽車有限公司,湖南 長沙 410100)

        目前汽車覆蓋件的成型主要是冷沖壓成型,即利用沖壓模具在常溫下對平板料進(jìn)行拉延、修邊、沖孔、翻邊、整形等加工工藝。而拉延是指在冷沖壓過程中,將平板件通過拉伸使材料產(chǎn)生塑性變形而最終形成空心零件的工藝過程。拉延作為汽車覆蓋件加工的首道工藝,其過程質(zhì)量直接影響到零件的質(zhì)量。拉延的穩(wěn)定性不僅受到模具型面結(jié)構(gòu)的影響,還受到成型材料和設(shè)備的影響。困擾拉延最嚴(yán)重的問題是開裂,而當(dāng)拉延的深度不斷增加時(shí),因?yàn)榘辶侠斐潭炔粩嗵岣?,開裂概率會(huì)大大增加,但是由于車輛造型的需要,往往會(huì)設(shè)計(jì)要求深拉延才能實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品,因此,解決深拉延開裂問題,是現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本課題是針對深拉延件的開裂進(jìn)行研究,我們選取了某車型尾門外板開裂進(jìn)行研究,如圖1,該零件的拉延深度為270mm,材料延伸率為21.7%,型面角度60°。而沖壓常用的覆蓋件拉延深度在100mm~240mm之間,型面角度大于75°。由于該零件型面角度小,拉延深度大,故容易產(chǎn)生開裂。該零件導(dǎo)入后非常不穩(wěn)定,生產(chǎn)超過60件時(shí)開裂報(bào)廢率達(dá)到100%,無法實(shí)現(xiàn)正常生產(chǎn)。故作者為解決該拉延件開裂問題圍繞模具和設(shè)備展開研究。

        圖1 模具截面示意圖

        1 拉延力學(xué)模型

        開裂是零件在拉伸過程中,拉伸力超過材料抗拉強(qiáng)度,材料部分位置失穩(wěn)產(chǎn)生破裂。拉伸模型進(jìn)行簡化后如下圖,主要包括拉伸力、進(jìn)料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力。當(dāng)拉伸力大于材料最大抗拉強(qiáng)度時(shí)則出現(xiàn)開裂。而拉伸力是由進(jìn)料阻力和材料在模具型面間的摩擦阻力共同決定的。

        圖2 拉伸后受力面變化

        進(jìn)料阻力取決于模具壓邊圈的拉延筋結(jié)構(gòu)以及設(shè)備所提供的壓力。該課題模具的拉延筋已經(jīng)確定,并且通過AUTOFORM仿真軟件確認(rèn)為最優(yōu),故進(jìn)料阻力取決于設(shè)備提供的壓力。

        由于拉伸過程中材料是流動(dòng)的,故材料流動(dòng)過程中會(huì)和模具型面產(chǎn)生摩擦力。該摩擦力的大小受型面間的壓力和型面結(jié)構(gòu)影響。型面結(jié)構(gòu)按產(chǎn)品造型設(shè)計(jì),故主要取決于型面間的壓力。那么型面間的壓力又受上下模具閉合后的間隙穩(wěn)定性和設(shè)備本身提供的壓力穩(wěn)定性影響。

        1.1 進(jìn)料阻力分析應(yīng)用

        其實(shí)材料在拉伸過程中分為四個(gè)階段,彈性變形階段、屈服階段、塑性變形階段以及斷裂。那么每個(gè)階段所需要的變形拉伸力是變化的。

        進(jìn)料阻力是由液壓墊提供的壓力決定的,目前所用參數(shù)提供的壓力在整個(gè)拉伸過程中是恒定的。并不能根據(jù)材料變形階段的變化提供相應(yīng)的進(jìn)料阻力。也就是說在開始拉伸階段,由于提供的壓力太大,那么相應(yīng)的進(jìn)料阻力也就越大。這樣在壓邊圈外面的材料無法有效地流入到模具中,從而導(dǎo)致最后拉伸過程開裂。

        研究課題現(xiàn)場所使用的拉伸墊為液壓墊,相比于氣墊,液壓墊采用伺服閥閉環(huán)控制,其響應(yīng)更快,壓力更穩(wěn)定。由于目前對液壓墊的參數(shù)設(shè)定僅設(shè)定了成型所需要的最大壓力,忽略了變化過程中的彈性變形階段和屈服階段,導(dǎo)致在拉伸初期材料不能及時(shí)補(bǔ)充到模具中而導(dǎo)致開裂。事實(shí)上,伺服液壓墊是具有分段建壓功能的,其可以根據(jù)拉伸階段變化的需要調(diào)整相應(yīng)的壓力。

        那么如何分段設(shè)定這些壓力呢,根據(jù)材料拉伸實(shí)驗(yàn),拉伸長度的5%為彈性變形階段,拉伸長度的10%為屈服階段,拉伸長度的40%為塑性變形階段。故對壓力變化的階段劃分為彈性變形階段0mm~65mm~130mm,屈服階段130mm~160mm和塑性變形階段160mm~270mm。

        1.2 材料流動(dòng)阻力分析應(yīng)用

        我們知道,摩擦力的大小取決于摩擦表面的摩擦系數(shù)和垂直于摩擦表面的壓力。所以模具型面造型對摩擦阻力產(chǎn)生很大影響,但是模具型面造型取決于產(chǎn)品的形狀,故在模具加工完成后型面的摩擦系數(shù)一定。而另外一方面則是壓力,而壓力的大小由壓機(jī)提供的沖擊力和模具型面間的間隙共同決定的。所以型面間隙和壓機(jī)沖擊力的穩(wěn)定對拉伸品質(zhì)的影響至關(guān)重要。

        (1)模具型面間隙的影響。型面間隙是指上下模閉合后的成型腔,型腔剛好就是我們成型零件的形狀。研究零件的厚度為0.75mm,所以型面間的間隙也約為0.74mm。當(dāng)型面間隙變小,則加載在型面和零件之間的壓力也增加。當(dāng)間隙大于零件厚度,則零件會(huì)出現(xiàn)反彈達(dá)不到精度要求。那么生產(chǎn)過程中型面間隙是否會(huì)產(chǎn)生改變,接下來我們對模具生產(chǎn)前和生產(chǎn)30件以及生產(chǎn)60件的間隙進(jìn)行了測量。測量數(shù)據(jù)如圖3:

        圖3 模具間隙測量變化過程

        通過以上數(shù)據(jù)可以看出生產(chǎn)過程中模具的型面間隙會(huì)隨著生產(chǎn)量的增加而變小,這是因?yàn)槔舆^程中,板件與模具型面摩擦發(fā)熱,模具受熱膨脹,導(dǎo)致模具間隙變小,而拉延的深度越大,摩擦的時(shí)間越長,產(chǎn)生的熱量則越多。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)60件后模具溫度在59℃~63℃之間,升溫明顯。故可以確定模具因?yàn)樯郎囟鴮?dǎo)致間隙變化。目前所有的冷沖模均沒有采用專用冷卻裝置,只是采用自然冷卻方式。但是在伺服線上其生產(chǎn)節(jié)拍快,加之零件拉伸深度深,導(dǎo)致模具升溫快,故需要增加專用冷卻裝置以防止模具升溫變形。

        專用冷卻裝置用熱力學(xué)公式校核,模具升溫約60℃,生產(chǎn)節(jié)拍14件/分鐘。

        發(fā)熱量:Q=Cm△T=350*450*60=99660KJ。

        平均發(fā)熱功率:P=Q/t=99660*14/80/60=28.2kw。

        所需冷卻器流量:L=P/C/△T/ρ。

        =28.2/1050/60/1.29=0.346m3。

        冷卻器數(shù)量:n=L/l=346/190=1.82。

        選型:PAJC450。

        根據(jù)冷卻裝置的選型曲線,最終選定冷卻裝置。通過加裝該冷卻裝置后,模具最高溫度約為35℃左右。間隙也穩(wěn)定在0.74左右。

        (2)壓機(jī)沖擊載荷的影響。由材料學(xué)的理論可知,金屬晶體內(nèi)部普遍存在局部排列不規(guī)則的原子,這種微觀缺陷即為位錯(cuò)。位錯(cuò)的生成與運(yùn)動(dòng)是造成材料發(fā)生塑變的主要原因。位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)通過滑移沿著滑移面進(jìn)行。拉伸作用時(shí),在同向于拉伸力外向滑移面發(fā)生移動(dòng),塑變也沿其方向進(jìn)行。加載過快則會(huì)使滑移面移動(dòng)不充分,位錯(cuò)受阻;拉伸過快也會(huì)導(dǎo)致塑性變形不能及時(shí)均勻的傳遞,相應(yīng)的載荷也不能均勻傳遞從而導(dǎo)致應(yīng)力集中出現(xiàn)破裂。所以在拉伸做功過程中需要慢速拉伸。

        根據(jù)這一理論我們需要降低拉伸過程中的速度以保證拉延質(zhì)量,我們隨后進(jìn)行了試驗(yàn),在同等條件下對壓機(jī)設(shè)定不同的工作速度以看拉延的效果如表1。

        表1 拉伸過程中拉延效果分析

        通過測試,在壓機(jī)速度為10SPM的生產(chǎn)節(jié)拍下,可以完全避免開裂。但是10SPM的生產(chǎn)速度相對于高速伺服線來說節(jié)拍太低。故需要在不影響節(jié)拍的前提下降低拉伸速度。根據(jù)伺服壓機(jī)的特點(diǎn),伺服壓機(jī)的整個(gè)工作過程其工作速度可以根據(jù)需要進(jìn)行編程,其編程是借助于舒勒的仿真軟件。在拉延開始階段根據(jù)上面測試結(jié)果將壓機(jī)速度降低到10SPM,而其他非拉伸做功過程壓機(jī)仍以最大速度運(yùn)行,這樣整體節(jié)拍仍然保證在15SPM左右。這樣實(shí)現(xiàn)慢速拉延后,零件成型更穩(wěn)定。

        1.3 分析與討論

        汽車沖壓覆蓋件屬于冷沖壓成型,拉伸成型受到的影響因素眾多。包括模具的結(jié)構(gòu)、拉延筋的結(jié)構(gòu)及數(shù)量、產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)、零件拉伸深度、設(shè)備的精度、生產(chǎn)的參數(shù)等等。前期產(chǎn)品因?yàn)樵O(shè)計(jì)的原因?qū)е铝慵Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,拉伸深度大,角度小等產(chǎn)品本身的缺陷而導(dǎo)致模具結(jié)構(gòu)無法完全保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性。故需要加以考慮利用設(shè)備的性能來彌補(bǔ)模具的缺陷。

        通過分析材料拉伸試驗(yàn)過程,對拉伸的影響主要有進(jìn)料阻力和材料型面間的摩擦力,當(dāng)進(jìn)料阻力越大,則材料流入到型面里面也越少。根據(jù)材料的延伸率計(jì)算方法,當(dāng)型面里面的材料不能及時(shí)補(bǔ)充時(shí)即I變小,那么拉伸同樣的深度不變,材料的延伸率ε必然增大,當(dāng)超過材料延伸率時(shí)出現(xiàn)開裂。

        而拉伸過程中,拉伸速度快則會(huì)導(dǎo)致材料塑性變形不能均勻傳遞,出現(xiàn)不均勻后則出現(xiàn)應(yīng)力集中最終開裂。并且材料在產(chǎn)生塑性變形的過程其實(shí)是材料的流動(dòng),若是模具型面間隙變小則型面間的壓力增加,摩擦力也隨之增加。這樣材料的流動(dòng)阻力增加。也導(dǎo)致了材料塑性變形不能均勻傳遞而出現(xiàn)開裂。

        2 小結(jié)

        深拉延件小角度拉延件(拉伸深度>240mm,角度<60°),零件出現(xiàn)開裂的概率劇增,而降低其開裂的方法如下:

        (1)模具設(shè)計(jì)階段必須考慮模具發(fā)熱,利用熱力學(xué)模型增加冷卻裝置以保證模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量得到有效釋放。

        (2)對于具備分段建壓功能的伺服液壓墊,要根據(jù)不同的拉伸階段設(shè)定不同的拉伸參數(shù),以使材料所受的拉伸力與材料各階段變形所需要的力相匹配。

        (3)對于伺服壓機(jī)線,整個(gè)拉延成型過程可以分段控制,通過降低拉延做功過程中的壓機(jī)速度減緩材料塑性變形的非均勻傳遞,其他非做功階段壓機(jī)以最大速度運(yùn)行,可以有效降低零件開裂,同時(shí)保證生產(chǎn)效率。

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