文／馮吉賀，李敬梓，金鍵，姜巖，李松翯·一汽解放汽車有限公司

翻邊是在坯料或制件的內(nèi)外輪廓上沿直線或曲線翻起豎立直邊或一定邊緣形狀的沖壓方法。目前，翻邊的類型可以按照兩種界定方式進(jìn)行區(qū)分。第一種是按照翻邊坯料底面形狀分類，可分為平面翻邊和曲面翻邊。當(dāng)在平面坯料或坯料的平面區(qū)域進(jìn)行翻邊時(shí)，可稱為平面翻邊；而當(dāng)在曲面坯料或坯料的曲面區(qū)域進(jìn)行翻邊時(shí)，則可稱為曲面翻邊。第二種是按照變形性質(zhì)進(jìn)行分類，可分為伸長(zhǎng)類翻邊和壓縮類翻邊。伸長(zhǎng)類翻邊呈現(xiàn)環(huán)向拉應(yīng)力狀態(tài)的坯料變形區(qū)，其最大主應(yīng)力表現(xiàn)為沿切向作用的拉應(yīng)力，宏觀表現(xiàn)為該方向的伸長(zhǎng)變形，變形區(qū)邊界開裂是其成形極限的主要限制因素；而壓縮類翻邊呈現(xiàn)切向受壓、徑向受拉應(yīng)力狀態(tài)的坯料變形區(qū)，其最大主應(yīng)力表現(xiàn)為沿切向作用的壓應(yīng)力，宏觀表現(xiàn)為該方向的壓縮變形，變形區(qū)失穩(wěn)起皺是其成形極限的主要限制因素。

汽車工程領(lǐng)域的大多數(shù)沖壓零件的翻邊形式，往往涵蓋了以上談及的兩種翻邊分類特征，例如伸長(zhǎng)類曲面翻邊，這種翻邊是指在零件曲面部分，沿其邊緣向曲面的曲率中心反向翻起，形成與該曲面垂直豎邊的沖壓成形方式。如圖1 所示，寬度為B 的弧狀曲面部分，經(jīng)過翻邊形成垂直于原毛坯曲面的高度為H的豎直立邊，其弧曲面的曲率半徑為R。

圖1 伸長(zhǎng)類曲面翻邊

大量的力學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，伸長(zhǎng)類曲面翻邊的成形極限由變形區(qū)內(nèi)材料的塑性及塑性變形能力決定，而決定成形極限的關(guān)鍵在于影響毛坯圓弧部分切向應(yīng)變數(shù)值的各項(xiàng)因素，這些因素主要是翻邊零件的幾何形狀和尺寸，包括翻邊高度H、直邊部分長(zhǎng)度L、圓弧部分曲率半徑R、底面寬度B 以及模具幾何形狀等，如圖2 所示。對(duì)于具備曲面伸長(zhǎng)類翻邊特征的某車型后圍縱梁零件，為了有效控制影響變形的切向應(yīng)變數(shù)值，避免變形區(qū)域超過成形極限而導(dǎo)致翻邊開裂，便需要從工藝設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面形成有效解決方案。

圖2 伸長(zhǎng)類曲面翻邊典型零件

后圍縱梁的零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

后圍左縱梁結(jié)構(gòu)見圖3，零件外形尺寸為1097mm×183mm×137mm，材料為IF250，厚度1.0mm。零件整體為窄長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在端頭呈現(xiàn)伸長(zhǎng)類的曲面翻邊特征。結(jié)合該零件，對(duì)于已知的影響伸長(zhǎng)類曲面翻邊成形極限的因素來看，該零件的直邊變形區(qū)的切向變形量隨翻邊高度H、直邊部分長(zhǎng)度L 的增加而增加，但隨圓弧部分曲率半徑R 的增大而減小。所以為了提升變形區(qū)域的成形極限，規(guī)避翻邊位置的開裂風(fēng)險(xiǎn)，在同步工程階段，需要盡可能地降低翻邊高度H(開缺口)、降低直邊部分長(zhǎng)度L、增大圓弧部分的曲率半徑R，即在靠近翻邊位置的零件底面棱線處變倒角處理。但是所有對(duì)于零件結(jié)構(gòu)的調(diào)整都限制于零件本身的強(qiáng)度要求而不能無限度變化，所以更多的改善工作和解決方案需要在零件的制造工藝及模具結(jié)構(gòu)上采取措施。

圖3 后圍左縱梁零件

零件工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常規(guī)的翻邊成形工藝

從后圍縱梁零件本身的造型和結(jié)構(gòu)分析，通常采用拉延后修邊，最后翻邊來實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品。對(duì)于常規(guī)的翻邊工藝，通常采用在修邊后零件的底面直接翻出直壁立面，即在拉延工藝設(shè)計(jì)時(shí)將修邊線保留在拉延零件底面上，該種常規(guī)的翻邊工藝設(shè)計(jì)及CAE 模擬分析結(jié)果如圖4 所示。從分析結(jié)果可以看到，這種常規(guī)工藝在修邊工序之前均未出現(xiàn)失效問題，但從翻邊工序的成形結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然已經(jīng)從產(chǎn)品角度對(duì)影響直邊變形區(qū)切向變形量的參數(shù)進(jìn)行了最大限度地調(diào)整和優(yōu)化，但這種伸長(zhǎng)類的曲面翻邊仍然出現(xiàn)了較為明顯的開裂風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)，已超過了變形區(qū)本身的成形極限，所以需要突破常規(guī)工藝設(shè)計(jì)理念，從工藝優(yōu)化和合理的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段著手解決這類零件的翻邊開裂問題。

圖4 常規(guī)翻邊成形工藝及CAE 結(jié)果

半拉延半翻邊成形工藝

常規(guī)的翻邊成形工藝已被證實(shí)不能規(guī)避翻邊直壁變形區(qū)開裂的風(fēng)險(xiǎn)，研究嘗試采用半拉延半翻邊的成形工藝方案來解決翻邊開裂問題。如圖5 所示，半拉延半翻邊的工藝設(shè)計(jì)將零件直壁段區(qū)域與翻邊底面坯料的過渡圓角及少部分直壁立面在拉延工序中成形，可以看到修邊線所在的工作面不再與零件坯料底面共面，而是與其形成臺(tái)階。在修邊工序后，不再如常規(guī)工藝進(jìn)行全立壁翻邊，而是將已成形的剩余一半直壁段翻起即可。其實(shí)，該種解決方案也是從影響伸長(zhǎng)類曲面翻邊成形極限的因素出發(fā)，其原理是從工藝設(shè)計(jì)手段降低翻邊高度H 來保證變形量不超過翻邊變形區(qū)的成形極限。

圖5 半拉延半翻邊的工藝設(shè)計(jì)

基于工藝方案的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通常翻邊模具鑲塊的設(shè)計(jì)原則是要保證翻邊鑲塊邊緣各位置在翻邊運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)接觸坯料，以保證翻邊直立壁的平整，在各個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間段，鑲塊邊緣距離坯料均為等距線，具體如圖6 所示。但是，本文研究的后圍縱梁零件的翻邊立面變形區(qū)本就存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，為了保證開裂風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的板料不因超過成形極限而開裂失效，需要改變模具鑲塊的各位置與翻邊前坯料的接觸順序，在保證翻邊直立壁的平整度的前提下，盡可能讓變形區(qū)的直邊段先行觸料，以提供給極限變形區(qū)(風(fēng)險(xiǎn)區(qū))足夠的材料而完成最后的翻邊過程。針對(duì)該件所設(shè)計(jì)的模具翻邊鑲塊與坯料的接觸形式詳見圖7。

圖6 翻邊過程的模具鑲塊與坯料的位置關(guān)系

優(yōu)化后的工藝及模具方案的模擬分析

采用半拉延半翻邊的工藝設(shè)計(jì)方案，并優(yōu)化翻邊模具鑲塊形狀設(shè)計(jì)，對(duì)零件翻邊工序的成形性進(jìn)行CAE 模擬分析。由圖8 可以看到，原來開裂的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域已經(jīng)消失，下一步需要在實(shí)際制造端進(jìn)行驗(yàn)證方案的可行性及穩(wěn)定性論證。

圖8 優(yōu)化工藝及模具結(jié)構(gòu)后的CAE 結(jié)果

方案實(shí)施效果

圖9 為采用優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)方案后的零件實(shí)物圖，翻邊位置成形良好，未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。目前，零件已完成萬余次生產(chǎn)，均未產(chǎn)生開裂廢品。

圖9 零件實(shí)物

結(jié)束語

本文聚焦具有伸長(zhǎng)類曲面翻邊沖壓件的翻邊開裂問題，除了在同步工程階段盡可能優(yōu)化翻邊高度、直邊段長(zhǎng)度、圓弧部分的曲率半徑等影響翻邊成形極限的因素，又采用了半拉延半翻邊的成形工藝，并優(yōu)化翻邊成形鑲塊的造型結(jié)構(gòu)，收到了更為顯著的改善效果，并形成了一套系統(tǒng)的沖壓件伸長(zhǎng)類曲面翻邊開裂問題的解決方案，為汽車行業(yè)該類型零件的設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面確立了新的方向。