大型拉延模调试的实践性研究

文| 闫石 王贺 高立达 任志国

虽然目前CAE、CAM技术的高速发展，使得冲压模具的设计制造越来越容易，但为了追求成本和效率，其复杂性也随之提高。模具的不同、冲压毛坯材料的不同、生产条件的不同，也使得研究冲压成型的过程显得异常复杂，难以下手。

本文根据冲压工艺的相关原理，来揭示在拉延成型过程中，各种因素对拉延成型的影响，以及各种因素在成型过程中的互相影响关系，尤其着重阐述了拉延模具的压料面、拉延筋对零件成型的影响及其相互控制和影响，同时通过一个实践案例，总结及梳理拉延模调试的思路及方法。

关键词：冲压、拉延、调试、拉延筋、压料面

引言

众所周知，轿车车身的大型冲压件，绝大多数为冷冲压产品，而在些冲压件中，又有多数零件为复杂曲面成型，其拉延成型工序有如下共同特点：

拉深与胀形的复合

汽车车身的大型冲压件，多数为复杂的曲面成型，且其中包含了拉深、胀形等多种冲压工艺，部分零件甚至根据实际需要，增加了切边的工艺内容。根据零件的形状、材料种类及性能、零件所需强度等需求，在设计冲压工艺的过程中决定了拉深和胀型的成份的多少。

材料厚度

这部分冲压件的毛坯料厚度较小，一般为0.5mm-2mm，在拉深的变形区，更容易失稳起皱。

材料的强度

由于车身材料有的作用是增加整个车身的强度，有的作用是辅助支撑，而有的作用是外观形状及修饰，这样就造成了毛坯间的强度指标差异极大。普通软钢的抗拉强度只有200-300MPa，而有的安全件毛坯的抗拉强度达到近1000MPa。

正是因为冲压件材料的不同、大小的不同、形状的不同等等，使得在研究冲压成型的过程显得异常复杂，难以下手。

对此，本文以材料厚度介于0.5mm-1mm之间，抗拉强度小于350Mpa的普通软钢大型汽车零件的复杂成型为研究对象，根据冲压工艺的相关原理，来揭示在拉延成型过程中，各种因素对成型的影响，以及各种因素在成型过程中的互相影响关系，并通过一个实践案例，总结及梳理拉延模调试的方法及思路。

拉延的分类

根据在拉延过程中变形区的受力不同，可将拉延分成以下两种类型。

外凸曲线拉延

分模轮廓线为外凸曲线，变形区在径向上受拉应力，切向上受压应力；

内凹曲线拉延

分模轮廓线为内凹曲线，变形区在径向和切向均受拉应力作用，与伸长类翻边的受力相同；

以侧围外板拉延为例，A柱下部外侧变形区为外凸曲线拉延（图1），内侧变形区为内凹曲线拉延（图2）。

拉延模影响成型质量的要素分析

影响拉延成型质量的要素分析

拉延成型的质量实质上取决于变形区材料向凸凹模内部流动的多少及状态，而这些又取决于材料变形区各部分向内流动的阻力。所以对影响材料流动阻力的因素进行分解，见表1及表2；

（1）压料面。

在外凸曲线拉延的法兰区，材料在向内部流动过程中，区域内的任意点在切向上均受压应力的作用。在此力的作用下，整个法兰区在切向上有起皱趋势，而且这种趋势随着拉深系数减小、凹模圆角的减小、拉延深度的增加、材料厚度的变薄而增加。而压料面的核心作用就是将法兰区域束缚在一定的间隙内，防止及限制其起皱。

（2）压料力。

拉延模的压料力，也称压边力，通用来源于压力机的液压或气压拉伸垫，也有个别情况直接在模具中设置弹性原件来提供压料力。它一般通过拉延模具的压料圈将力传递到压料面。在不考虑平衡块的情况下，压料力将直接施加到毛坯表面来抵抗毛坯失稳起皱。也就是说，拉延成型过程中压料力的大小至少要能够控制毛坯法兰区在切向压应力作用下的失稳。

在压料力的作用下，毛坯在成型过程向内流动的过程中，必然受到摩擦阻力，且其大小与压料力，即摩擦阻力的法向压力成正比。同时也与模具和毛坯表面的摩擦系数成正比。

（3）平衡块。

平衡块是均匀分布于材料毛坯周围，介于模具压料圈和凹模间的刚性垫块。它的主要作用是保证和调节合理的压料面间隙。压料面间隙，也就是平衡块调整的状态是生产过程中的一个非常重要的环节，它不仅决定毛坯能否起皱、可能起皱的大小，同时还决定着压料力能否施加在毛坯上，进而决定材料向内流动的摩擦阻力的大小。所以在生产调试过程中，我们也通过平衡块高度调整结合压料面的微小弹性变形临时性局部改变压料的松紧，进而调节进料阻力。材料毛坯向内流动的阻力中，由压料面带来的摩擦阻力的比重越大，则走料对平衡块越敏感，也就是说在调节进料阻力的时候，调整平衡块所起的作用相比拉延筋为主要进料阻力的情况将更加有效。

（4）拉延筋。

拉延筋是布置在材料毛坯法兰区（压料面区域）的凸凹形状，旨在通过材料经过此形状的过程中所产生的变形阻力来调节材料和径向拉力。拉延筋在目前模具行业的应用中有多种形式，但无论哪种其根本作用均是通过调节进料阻力，控制走料速度，进而而均衡材料流动的多少。换句话说，材料要想流入成型区域，就必须克服经过拉延筋所产生变形的力。基于这样的基本原理，拉延筋布置的原则为拉延深度浅、拉深系数大、成形简单的位置需要更大的进料阻力，可以通过多布置拉延筋、适当增加拉延筋高度、减小拉延筋和筋槽圆角来实现。

一种错误的方法为依靠筋与筋槽之间的小间隙获得进料阻力。这种做法不仅失去了拉延筋本应有的作用，而且将会使进料阻力急剧增加，进而破坏材料流动的稳定性。

（5）模具表面粗糙度及润滑

根据一般模具结构及拉延的成型原理，以及本章对影响拉延成型质量的要素分析，不难得出以下结论：材料毛坯的法兰区域在注入凸凹模侧壁的过程中所受到的阻力主要分为变形阻力和摩擦阻力，而摩擦阻力又可以分为两部分。其中一部分为毛坯与压料面之间的摩擦阻力，其法向压力为拉延垫提供的压料力；另外一部分为毛坯与拉延筋、槽的圆角及凹模圆角间的摩擦阻力，其法向压力为毛坯径向拉应力的分力。而这两部分摩擦阻力的摩擦系数均取决于模具表面及毛坯表面的表面粗糙度及其中间的润滑。

各要素之间的互相影响

从上一节的分析得知，直接影响拉延成型质量的因素为毛坯向内流动的阻力，即我们常说的进料阻力。进料阻力又可分为摩擦阻力和变形抗力。而压料面（间隙）、压料力、拉延筋、模具与材料的表面粗糙度、润滑等因素又对这两类阻力有直接影响。它们之间的相互关系比较容易理解，但在实际工作中这些影响因素往往交织在一起，并且其下一级的子因素又互相影响，给问题的判断、分析和解决带来难题。以下对于一些重点的交叉点逐一进行说明。

（1）拉延筋高度对其它因素的影响。

模具压料面在压紧毛坯之前，必然先使拉延筋成型。而当模具拉延筋形状过深，也就是过高的时候，拉延筋的成形力亦将增加，当此力超过拉伸垫设置的压料力的时候，会造成筋的成形不充分，不仅影响筋本身对材料的控制作用，同时相对造成压料面空，从而影响压料面对板料起皱的控制作用。

（2）压料面与法兰区皱的关系。

压料面的基本作用就是控制起皱。当压料力不足时，法兰区板料在切向压应用的作用下，其失稳隆起产生产强大力量会将压料面顶起（大多数是从局部开始），最终造成整个压料面失控并产生大面积皱纹。当制件由于形状原因，各部位起皱趋势差异较大时，起皱趋势大的区域将最先隆起并抵抗压料力，此时可会造成压料面的倾斜，形成压料面一面松一面紧的问题。

（3）拉延筋与法兰区皱的关系。

制件法兰区起皱后，在流过拉延筋时由于塑性变形，褶皱被展平，在此过程中进一步增加了进料阻力。当褶皱过大时，其将无法通过拉延筋并卡死，直接造成零件的裂纹。同时，法兰区板料在起皱，以及在切向压应力下变厚的过程中均会发生不同程度的硬化，其强度指标将会显著提升，这就使得其通过产生塑性变形并拉延筋时的阻力进一步增加。所在在法兰区皱和拉延筋的协同作用下，材料向内流动的阻力将显著增加。换句话说，拉延筋对法兰区褶皱敏感。

（4）平衡块对压料面及拉延筋的影响。

平衡块的高低直接决定着压料面间隙，即压料力能否施加到板料毛坯上，所以平衡块对压料有决定性的作用。而对于拉延筋，平衡块的高低只改变了筋与槽合入的多少，对拉延筋形成的阻力的影响较小，当平衡块调整量不大的情况下，此种影响忽略不计。但需要强调的是，在增加平衡块高度的同时，法兰区起皱的趋势将增加，一旦起皱，其通过拉延筋时的阻力将显著增加，从这一角度看，平衡块的调整也对拉延筋阻力有着间接影响。

拉延模研配过程中的先后次序及原则

基于压料面和拉延筋的基本作用，在不考虑其它外界条件的情况下，应先对压料面进行研配，保证压料面的均匀着色。这是在拉延过程中保证法兰边不起皱的重要保证。整个压料面不应有局部的高点，这些局部受力点将给成型过程带来极大的不稳定因素。

（1）平衡块配平。

选择合适的拉伸垫压力（压料力）并锁定。压力的选择应该至少能够保证压料部分的材料不起皱或皱纹可以接受。

抛光压料面、拉延筋和槽的圆角、凹模圆角，并稳定其表面粗糙度；做好以上基础工作后，应结合实际压件状态进行以下调整。

如果制件开裂，则可按以下原则和步骤进行调试。通过调整拉延筋参数，如降低拉延筋高度或加大筋和筋槽圆角，减小进料阻力，使材料易于流入。同时也可微调平衡块，适当加大压料间隙，减小压料面对材料流入过程中的摩擦阻力。涂油虽然也可以减小进料阻力，但由于涂油将随着生产的进行而更多的堆积，油量大小的波动将会对成型的稳定性造成影响，所以应尽量减小涂油量的波动。 一般情况下不调整已研配好的压料面，除非在某些特殊情况下，如采用其它方案无效果，同时受压料圈刚性限制，调整平衡块难以改善局部的走料，可以适当放松局部压料面，但一定要严格控制起皱趋。另外也可通过尝试加大凹模圆角、减小板料规格、调整工艺补充等手段进行改善，在此不现赘述。

如制件形面由于进料过多而起皱，则可按以下步骤处理。调整拉延筋来增大进料阻力。可通过增加拉延筋数量、加高拉延筋高度、减小筋槽圆角等措施，但首选减小拉延筋的圆角。由于拉延筋的控制走料作用主要是是通过材料流过圆角时的塑性变形抗力实现的，所以改变圆角将对增加阻力产生最直接和有效的作用。但同时，越小的圆角在生产过程中磨损的速度会越快，这无疑会降低生产的稳定性。增加筋的高度也能够增加进料阻力，但同时也会增加筋的成型力及需要更多的材料参与筋的成型，进而使筋成型过程中材料在压料面上形成聚集的褶皱，增加了成型的不稳定性，所在增加筋的高度要选择性使用。

增加压料力也是一种常用的手段，但调整压料力通常其影响范围较大，所以要充分考虑压料力的增加对除缺陷以外的其他部位进料阻力的影响。

通过改变工艺补充形状、大小或增加工艺补充来吸收多余的材料。

增大板料轮廓尺寸。板料轮廓的增加相当于拉深系数的减小，在此影响下，材料在向内流动的过程中，抵抗切向压缩塑性变形的力将明显增大，即进料阻力明显加大。所以此措施对于控制大多数拉延模具的形面波浪、起皱缺陷效果直接且稳定，但这样也会增加材料消耗定额从而影响成本，所以选择板料轮廓尺寸一定要找到制件成型质量和成本之间的平衡点。

其它如减少润滑、减小凹模圆角等措施亦可根据实际情况选择使用。

常见的成型不稳定的影响因素

材料在流动过程中通过了部分或全部的拉延筋或槽的圆角。在走料过程中材料可能发生流过筋（筋槽）圆角，造成进料阻力突然衰减。这种现象往往在生产中决定了制件质量的好坏，是一种常见的不稳定影响因素。所以一般情况下，应控制在整个成型过程中，材料均不会流过任意一个筋或筋槽的圆角，除非有其它的控制手段能够稳定的保证制件的成型质量。

压料面外缘的高点。如在压料面外缘存在高点，即局部的受力部位，当板料在流动过程中通过了此高点，则意味着进料阻力的急剧衰减，板料向内流动将可能失去控制，进而造成成型的不稳定。可以说压料面外缘的局部高点有百害而无一利，所以在模具的初始调试阶段就应保证压料面无此缺陷，且保证合理、均匀的压料面间隙。

压料力与抵抗法兰区起皱的力处于临界状态。

如图5所示，拉延成型过程中，在主应力σ1的作用下，法兰区的任意点均受到切向压应力，此力造成了材料在切向上的起皱趋势，而要克服此趋势，必须有足够大的压料力Q。一旦压料力不足以抵抗起皱，则褶皱必然发生并将失去控制。而从图4也可看出，已经形成的褶皱很难通过拉延筋。原因主要有两个方面，一是褶皱隆起后将很难通过拉延筋与槽之间的间隙，严重时可能直接卡死而造成撕料；二是板料在切向压缩变厚的同时，又发生了褶皱变形，剧烈的塑性变形所产生的硬化效应使板料的强度指标明显上升，这样在通过拉延筋及槽的多个圆角时将更不容易产生塑性变形，致使进料阻力急剧加大。

压料力范围。从以上分析可知，压料力最小值至少能够抵抗压料面起皱，同时在压料面摩擦阻力起主导作用时，压料力至少要能够有效控制材料的向内流动；压料力的最大值不能因为摩擦阻力过大而影响零件成型质量。也就是说，压料力过大可造成制件裂纹，压料力过小可能造成由于摩擦力减小而引起的褶皱或由于法兰区褶皱过大而引起的制件裂纹。当这个压料力范围比较窄时，有可能造成要么材料流入造成制件表面褶皱、波浪，要么不能流入造成制件开裂。所以该压力范围越大越有利于制件成型质量。

其它影响因素。除以上重要因素外，还包括压力机精度、拉深垫稳定性、板料性能、板料在模具中的位置稳定性、板料初始压料姿态、润滑的波动、模具及板料温度、模具及板料的表面粗糙度等，在这里不一一分析，但在生产调试过程中要逐一确认及排查。

拉延模调试的实践性研究

分析解决问题的基本思路

整个思路如下表所示，但其中有两个重要的结点，一是在明确问题和第一次调查分析，二是在恢复完基准后的首次上线验证后的调查分析。在这两个环节中不能遗漏任何一个问题现象和有价值线索，并对所有信息进行系统分析，正确判断问题性质及深层原因，以保证措施正确并有针对性。

X车型行李箱外板问题介绍

问题概括：

X车型行李箱外板风窗侧与牌照侧走料失控，互相牵制，多处交替出现质量缺陷，生产极不稳定，废品率50%，返修率100%。

缺陷现象：四周法兰区严重褶皱、两侧尾灯处裂纹、两侧肩部褶皱、风窗侧严重波浪、牌照侧裂纹及褶皱交替出现，见图6。

问题调查及分析

经过对前期生产状态的掌握及对目前问题现象的分析，综合得出以下结论：

（1）经过长时间的调试，模具的导向基准、托杆基准丢失；

（2）牌照侧为了控制走料，压料面外缘焊接加高后，造成成型末期此区域进料阻力急剧衰减，进而造成成型不稳定；

（3）拉延筋经过多次焊接，已不确定其控制走料的能力；

（4）平衡块不能有效的、稳定的控制压料面间隙.

整体方案实施过程

（1）基准恢复。

托杆支柱下方垫片全部撤掉后，上线进行间隙测量。测量后进站将凸凹模压料圈托杆支柱进行间隙配平工作。

上下模、压料圈与上下模的导向间隙重新测量及恢复；压料面研配：将压料面外缘高点全部去除，内缘研配至着色均匀；对压料圈R角的实际值进行测量并对比实际值与理论值的差值，以此来衡量目前拉延筋的控制走料的能力；平衡块配平至全部虚着色；在线验证整个制件的法兰区的走料状态，综合衡量压料面与拉延筋配合后的控制走料的能力，同时判断二者在控料阻力上所起作用的权重；在线验证结果及分析结论：风窗侧波浪、裂纹与牌照侧波浪、裂纹交替再现，综合分析的结论为牌照及风窗侧的拉延筋控料能力差且受力不均衡。

措施制定及实施：根据验证结果对凹模牌照及风窗下方四根压料筋进行焊接。宽度增加2mm.，高度增加2mm;，对外板压料圈牌照及风窗下方四段压料槽及槽内侧压料面进行焊接。

外委加工，风窗侧维持数模的筋槽圆角，牌照侧拉延筋及槽的圆角半径减小0.5mm。

研配，去高点，抛光，在线多轮调试，优化工艺参数，结果确认：经过措施实施及多轮的调试优化，最终仍以双侧压料筋控料为主并达到力的平衡，经验证零件质量状态达到预期结果。

总结

此案例中，经过对问题现象的分析，证明行李箱外板在拉延成型过程中，法兰区的切向压应力较大，进而造成了压料面失稳起皱趋势大。这样就要求有较高的压料力才能抵抗起皱。基于此，不能以压料面的摩擦阻力来做为控制走料的主体，否则将造成压料力小引起起皱失控进而引起裂纹与压料力大引起摩擦阻力大进而引起裂纹之间的巨大矛盾。解决此矛盾，应保证足够的压料力来抵抗法兰区起皱，同时以双侧压料筋控料为主并达到力的平衡，最终实现问题的解决。

结论

经过以上的分析及通过对实践案例的梳理，明确了大型拉延模调试的基本思路，指出了在调查分析阶段，全面搜集问题现象和有价值线索，并对所有信息进行系统分析，正确判断问题性质及深层原因的重要性，同时也清晰了在分析和制定措施过程中，各影响成型质量的各因素之间的关系及相互作用。在实践中应用这些理论，有助于解决一些较为复杂的冲压成型问题，同时也有助于提升维修及工程技术人员的解决此类问题的能力。