【MFC推荐】汽车纵梁内衬筒深拉伸件工艺分析

2019-11-04 13:21:10 来源：网络

导读：

引言

随着汽车行业的飞速发展，产品更新换代越来越快，在计算机三维软件辅助设计造型的帮助下，汽车零部件形状的复杂程度越来越高，尤其是新材料、新工艺的应用，给汽车行业带来了翻天覆地的变化。但是，在传统的汽车制造业中，冲压、焊接目前还是主流趋势。冲压模具设计制造是汽车行业“四大工艺”的源头，同时也是最为关键的部分，而拉伸模的设计与制造就是冲压模具设计与制造的重中之重了。深拉伸、高强板的成形工艺仍然是冲压行业的难题，特别是深拉伸工艺。

2 制件介绍

图1所示制件是汽车底盘纵梁上连接保险杠的一个部件，俗称内衬筒，材料 DX54D+Z，料厚 2.5mm，属于盒形深拉伸件。从这个零件的使用要求分析，法兰面是与保险杠装配的平面，必须平整，而且孔位是安装孔，所以孔位尺寸必须正确稳定，确保保险杠安装后外观平滑均匀；拉伸件的盒型壁面是与纵梁贴合的焊接面，尺寸、垂直度及相对几何尺寸都有要求，同时该零件还有功能要求，材料的壁厚变化不能超过一定的限度，要确保零件的壁厚均匀，满足强度要求。

图 1 内衬筒制件图

3 工艺分析

盒形件拉伸与圆筒件的拉伸相比，最大的差别是拉伸周边的变形不均匀，圆筒件的拉伸工艺及计算目前还比较成熟，但是盒形件、尤其是异形盒形件的成形工艺及计算目前还没有比较成熟的方法，很大程度上依据经验法处理，方法也多种多样。因此，在冲压工艺设计和模具设计当中，需要解决的问题和解决问题的方法也不完全相同。虽然现阶段的计算机 CAE 辅助分析，给传统的工艺分析提供了很大的帮助，但仍然离不开传统经验数据的处理。为此制定制件成形的初步工艺方案是：①落料（需要计算确定毛坯尺寸）；②拉伸（拉伸次数待定，需要通过计算分析）；③ 整形打印；④修边冲底孔；⑤翻孔；⑥冲孔。

3.1 毛坯形状和尺寸的确定
（1）修边余量的确定。在拉伸过程中，由于材料机械性能各向异性，模具间隙的均匀性、板厚变化、摩擦阻力不等及定位不准等原因的影响，拉伸外形的凸缘周边会产生不齐的现象，尤其是深拉伸件、盒型件，凸缘形状复杂的原因，外形必须进行修边。所以在计算毛坯尺寸时，需要考虑修边余量。有凸缘盒型拉伸件的修边余量可以根据“有凸缘筒形拉伸件的修边余量δ”表格查询
（盒型件以短边为查表依据），凸缘宽度b凸=110.3mm、短边宽度b=60.03mm，凸缘的相对比值 b 凸/b=1.84mm 计算查表，得到修边量 δ =3mm，考虑材料的厚度 2.5mm，修边量取值δ=3mm 适宜。

（2）型面修补。考虑到零件的底部是敞口的，为方便拉伸，底部需要做成封闭型面，然后经过冲孔、翻边达到零件的最终效果，需要进行补面。取盒形件壁部圆角半径最小的一个 R=20.5mm 计算底部的翻边量。为了使翻边的痕迹尽可能的小，翻边预孔直径 d 尽可能取大，需要将冲底孔的尺寸取到拉伸件的底部圆弧切点处。从拉伸的角度分析，底部圆角 r 较大，对拉伸有利，但是翻边时的极限翻边系数 K 值与材料的性能、预孔的加工性质和状态、d/t 的比值、凸模的形状有关。目前材料性能已经明确，加工方式是冲压，翻孔凸模采用圆柱形凸模，现在需要确定的是底部圆角半径 r，它是直接关系到零件的拉伸与翻边成功的关键因素。r 越大，d 就越小，d/t 的比值越小，极限翻边系数越小，对翻孔有利，但是它还直接与零件的实际翻边系数有关，d 越小，零件的实际翻边系数就更小，这是一个矛盾的统一。如图 2 所示，先假设 r=10mm，壁厚 t= 2.5mm，那么 d=21mm，d/t=21/2.5=8.4，查表“低碳钢的极限翻边系数 K”得知：Kmin=0.52，而此时的实际翻边系数 =21/43.5=0.48，显然小于极限翻边系数，不可取。再假设 r=9mm，计算结果还是不可取。现在再假设底部圆角r=7.5mm，此时角部预冲底孔的直径d=26mm，d/t=10.4，查表，Kmin=0.55，而实际的翻边系数 K= d/D=26/43.5=0.6；大于Kmin=0.55，满足翻边要求。所以确定底部圆角 r=7.5mm。现在再来计算一下翻孔的高度值。

图 2 翻孔示意图

翻孔的高度：h2=（D-d）/2-（r + t/2）+ π/2（r + t/2）=
（43.5-26）/2-（7.5+2.5/2）+3.14/2（7.5+2.5/2）=13.74mm拉伸件的高度确定：63.27-13.74=49.53mm由此可以确定修补后零件的形状，如图3 所示。

图 3 修补后的零件图

（3）毛坯尺寸计算。正确地确定盒形件拉伸毛坯的形状和尺寸，不仅能够节省板材和节约工序，而且也有利于毛坯的变形和保证零件的质量。当毛坯的尺寸过大时，能够引起危险断面上拉应力显著地增大，对提高变形程度和减少工序不利；毛坯尺寸过大部分的变形程度减小，必然使拉伸变形较多地集中到其余部位上去，于是增加了沿毛坯周边变形分布不均的程度。这样成形的零件壁厚不均，而且也容易引起变形过分集中，局部起皱开裂等缺陷，降低零件的质量。毛坯尺寸过小时，零件成形缺料、修边不充分或者产生起皱折叠等缺陷。盒形件拉伸时确定毛坯形状和尺寸的原则：既要保证毛坯面积等于零件面积，又要保证零件成形时材料流动的对称性，避免盒形件成形时不均匀变形的特点，考虑材料在变形过程中的材料转移的复杂性，还需要对毛坯的形状和尺寸做一定的修正。从图 3 分析，这个零件实际是梯形，可以近似认为是60.03 ×75.82mm 的矩形盒，高度 58.38mm；h/b=58.38/60.03=0.97（＞0.7～0.8），属于高盒形件。根据表面积相等的原则，展开制件的毛坯尺寸如图 4 所示。

图 4 毛坯的展开尺寸

a——原始展开尺寸 b——修正后的展开尺寸

现在还不可能比较精确地用计算的方法事先确定出正确的毛坯形状和尺寸，初步考虑，在图 4a 中，A/ B 处材料流动不均匀，拉伸时容易起皱或折叠，需要进行适当的修补，如图 4b 所示，确保拉伸时材料进料的均匀性。最终精确的尺寸需要在模具调试的过程中再进一步修订。

3.2 初步估算拉伸次数和拉伸系数
（1）拉伸次数。

对于高盒形件，一般需要多次拉伸，可以“根据盒形件总拉伸系数定矩形件的拉伸次数”，查表，可以得到拉伸所需的次数，尺寸参数如图 5 所示。

图 5 各工序计算的相关参数图示

m总=1.27 ×（b1 + b）/（L + K）=1.27 ×（60.03 + 75.82）/（211.5+211.5）=0.41；t/D×100=2.5/211.5×100=1.18。查表初步估算，拉伸次数为：3。

（2）核算角部的拉伸系数及第一次拉伸许可高度。对于盒形件，由于圆角部分对直边部分的影响相对较小，圆角处的变形最大，矩形件的拉伸系数为前后半成品角部圆角半径之比，壁部圆角半径现在有 R20.5mm 和 R21.5mm 二种情况，取较小值 R=20.5mm 计算拉伸系数。故变形程度用较小的圆角处的假想
拉伸系数来表示。根据t/D×100=2.5/211.5=1.18和 r/b=21.75/60.03=0.36的比值，查表“盒形件角部的第一次拉伸系数m1”得知：m1≥0.41；m2≥0.70；查“盒形件第一次拉伸许可的最大比值 h/r”得知：h/r=3.1，那么 h1max=67.4mm。

3.3 各工序拉伸的工艺参数的计算与选择
高盒形件需要多次拉伸，一般在前几次拉伸时，采用过渡形状（方形盒多用圆形过渡，矩形盒则用椭圆形或圆形过渡，而在最后一次才拉成方盒或矩形盒），因此需要确定各道工序的过渡形状。确定高盒形件半成品形状和尺寸的方法较多，常用的方法有罗氏法、经验法等。罗氏法是首先确定倒数第二次（n- 1 次）拉伸的半成品形状，再往前逐次反推，首先拉成较大的圆角，而后逐次减小圆角半径，直至达到工件要求。

下面从倒数第二次（即 n-1 次）起反推各工序的过渡形状及其尺寸，不同材料的盒形件，其成形过程中材料的稳定性也不一样，具体的过渡形状及尺寸计算会有所差异。

根据“高矩形盒的多工序拉伸的计算程序与计算公式”计算（相关参数如图 5 所示）。
（1）相对厚度。t/b×100=2.5/60.03×100=4.16，（＞2）；b=60.03＜50t，（50t=50×2.5=125）。采用第一种方法计算。
（2）假想毛坯直径（见图 4）。D=211.5mm。
（3）工序间距离。sn=an≤10t，这里暂取值 8.0mm。
sn 在实际作图的过程中，考虑角部间隙，进行了适当调整，sn=7.4mm。
（4）工序比例系数。x1=（K- b）（/L- b1）=（211.5-60.03）/（211.5-75.82）=1.1。
（5）（n-1）道工序半径。Rs（n-1）=0.5b+ sn=60.03/2+ 8.0=38.0mm。
考虑零件是梯形，所以Rs（n-1）小端=37.5mm；Rs（n-1）大端= 38.5mm。
（6）角部间隙。x=sn + 0.41r- 0.207b=8.0 + 0.41 × 21.75-0.207×60.03=4.5mm。
（7）（n- 2）道序的半径。Rs（n- 2）=Rs（n- 1）/mn- 1=37.5/ 0.83=45.2mm；（m2 取 0.83）
（8）工序间距离。s（n- 1）=（Rs（n- 2）-Rs（n- 1））/x1=（45.2- 37.5）/1.1=7mm。 a（n-1）=R（s n-2）-R（s n-1）=7.7mm。
（9）核算各工序的拉伸系数。m1=d1/D=45.2 × 2/ 211.5=0.43。（要求 m1≥0.41）
（10）矩形件拉伸的间隙。矩形件拉伸的间隙分直边间隙和圆角间隙两部分。直边部分间隙一般为 Z/2=（1~1.1）t，末次拉伸一般为 Z/2=t，圆角部分间隙一般比直边部分稍大（大 0.1t）。一般是首次拉伸使用较大间隙，末次拉伸使用较小间隙，中间工序随工序次数增加而间隙逐渐减小，中间工序一般均以凹模为基准件，间隙由减小凸模获得。工件要求内尺寸时，间隙取在凹模，工件要求外尺寸时，间隙取在凸模。
（11）拉伸凸、凹模的圆角半径的选择。凹模口部圆角半径 r 凹的大小，对拉伸工作有很大的影响。如 r 凹太小，毛坯拉入凹模的阻力大，拉伸力增大，致使拉伸件产生划痕或裂纹; 但 r 凹过大，会使压边圈下面被压的毛坯面积减小，使悬空段增大，易起皱。当圆角半径小于 2t 时，需要整形工序。凸模的圆角半径对拉伸也有影响，圆角半径太小，角部弯曲变形大，危险断面易拉断；圆角半径太大，毛坯底部承压面积减小，底部会变薄和内皱。拉伸的凹模圆角半径可以根据经验公式进行初步计算，先取较小值，然后在模具调试中再适当修正圆角半径。

r =0.8×（（D-d）t）1/2
r 凹 n=（0.6~0.9）r 凹（n-1）
r 凸=（0.6~1）r 凹
经过计算：r 凹 1=8.8mm，取值 9mm，r 凸 1=7.5mm。
r 凹 2=8mm，r 凸 2=7.5mm
r 凹 3=5mm，r 凸 3=7.5mm
r 凹 4=4.11mm，r 凸 4=7.5mm

具体情况需要根据模具调试的结果进行修正，先小后大原则；拉伸完成后，利用整形工序将圆角半径整到制件要求。
（12）毛坯的拉入量控制。第一次拉伸时，拉入凹模的材料比所需的面积加大 3%~5%，在后序拉伸时，逐步返回到凸缘上来，避免在第二次以后的拉伸中凸缘受拉变形，而使零件开裂或变薄。

4 确定工艺流程和拉伸工序图

（1）根据计算的结果，拟定的最终工艺流程是：① 落料（毛坯中间的工艺小孔是模具调试时的定位基准孔）；②拉伸（拉伸次数 3 次）；③整形打印；④修边冲底孔；⑤翻孔；⑥冲孔如图 6 所示。
（2）拉伸关键工序图。

5 CAE分析及模具验证

通过理论计算的拉伸工序尺寸参数，再利用计算机 CAE 模拟分析，结果比较满意，再通过模具制造到实际验证，达到了预期的效果，如图 7 所示。
6 结束语

拉伸模型面设计的优劣直接影响到制件是否能够顺利成形，成形质量的优劣及制件调试周期的长短等。高矩形深拉伸件的工艺计算相对更麻烦，所以必须综合考虑各种因素，确定合理的工序尺寸。有条件时，可以通过计算机模拟进一步确认，然后再设计模具。

图 6 拉伸关键工序图

a——一次拉伸 b——二次拉伸 c——三次拉伸 d——整形

e——各工序相关参数图

图 7 CAE分析图片及最终实物

Autoform 等软件已经在模具设计中得到广泛的应用。这些软件的应用，使得设计人员可以结合自己的经验直接在计算机上设计出产品的型面，并使用Autoform 对设计出的型面进行拉伸过程的模拟，结合模拟的情形，反过来优化产品型面，得到最优的产品造型。本文通过对拉伸工艺的计算分析进行详细描述，对拉伸模具设计具有一定的指导作用。

这个零件的拉伸模具结构比较简单，第一次拉伸需要压料圈，后续拉伸不再压料，拉伸工序需要注意工序件的定位、模具排气，零件顶出，凹模的 TD 处理。模具调试过程中，主要关注模具圆角、间隙以及毛坯尺寸的修订。经过一定批量的生产验证，模具工作过程稳定，制件尺寸准确，壁厚较均匀，外观质量好，该模具目前已经投入批量生产。

现在，随着计算机技术的发展，Catia、UG、Autoform 等软件已经在模具设计中得到广泛的应用。这些软件的应用，使得设计人员可以结合自己的经验直接在计算机上设计出产品的型面，并使用 Autoform 对设计出的型面进行拉伸过程的模拟，结合模拟的情形，反过来优化产品型面，得到最优的产品造型。本文通过对拉伸工艺的计算分析进行详细描述，对拉伸模具设计具有一定的指导作用。

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