文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

汽車沖壓件的工藝分析及應(yīng)用

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

沖壓加工是金屬塑性加工的基本方法，是靠沖壓設(shè)備和模具實(shí)現(xiàn)對(duì)板料毛坯的塑性加工過程。沖壓加工方式是一種高生產(chǎn)率、低耗材的加工方法。產(chǎn)品具有較高的尺寸精度，互換性好，且操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，因此在機(jī)械加工各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

本文重點(diǎn)介紹了沖壓工藝設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮的相關(guān)因素，對(duì)零件成形過程中工藝孔和工藝補(bǔ)充的應(yīng)用進(jìn)行描述和分析，對(duì)結(jié)構(gòu)特殊零件模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行分析，應(yīng)用TD技術(shù)解決厚板復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件拉毛問題，提高生產(chǎn)效率和延長模具壽命。

沖壓產(chǎn)品工藝性

在沖壓件的工藝分析中，應(yīng)該重點(diǎn)研究沖壓產(chǎn)品的工藝特性。沖壓件的工藝性包括沖壓件的形狀與尺寸精度是否能夠用沖壓加工方法完成；能否應(yīng)用最簡(jiǎn)單、方便的沖壓工藝方法制造完成。要對(duì)沖壓產(chǎn)品進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，首先要根據(jù)產(chǎn)品圖紙對(duì)沖壓件進(jìn)行工藝性分析，其中主要是分析在不影響產(chǎn)品性能和使用的前提下，產(chǎn)品對(duì)沖壓工藝的適應(yīng)性。一般情況下，對(duì)沖壓工藝影響最大的是零件的幾何形狀和精度要求。良好的沖壓工藝性能省料、省工序，模具易加工且壽命高，操作安全方便，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益好。

汽車沖壓工藝一般以拉延工藝、彎曲工藝、沖裁工藝為主，掌握這三種典型沖壓工藝的要求，以便在沖壓工藝設(shè)計(jì)之初就提出對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的改進(jìn)要求。

⑴拉延工藝。拉延件凸緣與側(cè)壁的圓角半徑R及底部與側(cè)壁的圓角半徑R應(yīng)盡量放大，圓角半徑大，能夠使零件容易拉延成形；拉延件應(yīng)盡量對(duì)稱或采取左右對(duì)稱的拉延件；以便成雙拉延，然后切開為兩件。

⑵彎曲工藝。彎曲時(shí)應(yīng)防止孔的變形，孔邊與彎曲處應(yīng)有適當(dāng)距離，以避免孔的變形，否則，應(yīng)先壓彎后沖孔；彎邊長度不易過?。粔簭澕?yīng)盡量考慮工藝孔定位和成雙壓彎，以改變受力情況。

⑶沖裁工藝。形狀應(yīng)盡量能使材料合理排樣，減少廢料；直線或曲線連接處應(yīng)有適當(dāng)圓角，以利于模具的制造、維修和使用；避免過長的狹長外形；孔徑及孔距應(yīng)符合最小尺寸要求。

汽車沖壓工藝分析及應(yīng)用

合理設(shè)置工藝孔

為解決成形中外部材料無法進(jìn)行補(bǔ)充帶來的問題，可以采取在拉伸毛坯的適當(dāng)位置預(yù)沖出工藝孔，或拉伸過程中在局部變形區(qū)的適當(dāng)位置沖切工藝切口。工藝孔大小應(yīng)適中，孔太大，成形時(shí)頂部拉應(yīng)力變小，容易造成翻孔現(xiàn)象；孔太小，頂部拉應(yīng)力不能充分緩解，材料不能充分流入補(bǔ)充，則會(huì)造成頂部孔周邊開口或圓角處縮頸。

如某車型—支座構(gòu)件（圖1），在一序落料后二序?yàn)槔映尚喂ば?，其成形深度?2mm。在拉伸過程中，零件內(nèi)孔被內(nèi)工藝補(bǔ)充材料封閉，形成拉伸件內(nèi)部反成形形狀。這部分形狀的成形不能靠外部材料進(jìn)行補(bǔ)充，只能靠該部位毛坯的脹形（即厚度變?。﹣韺?shí)現(xiàn)面積的增大。從而使這部分材料在沖壓成形過程中容易出現(xiàn)破裂，且裂紋容易擴(kuò)展到修邊線以外（即沖壓件上），甚至整個(gè)破裂都發(fā)生在沖壓件上。同時(shí)在拉延成形中，毛坯在凸模圓角處一直承受著材料延展的拉應(yīng)力，并且還受到凸模圓角的壓應(yīng)力，使這部分材料變薄最為嚴(yán)重。

圖1 某車型—支座構(gòu)件

只做構(gòu)件的產(chǎn)品，分析后決定在一序落料工序件對(duì)角預(yù)沖出1個(gè)φ12mm和1個(gè)φ15mm的工藝孔（圖2）。這樣，可以使成形區(qū)內(nèi)部材料向外補(bǔ)充，因而減少危險(xiǎn)區(qū)的拉應(yīng)力，使容易破裂的區(qū)域的變形情況得到改善，同時(shí)可以從相鄰區(qū)域里得到材料補(bǔ)充，避免破裂的發(fā)生。同時(shí)，這兩個(gè)工藝孔還可以作為下道工序的定位使用。實(shí)踐證實(shí)，該方法有效解決了產(chǎn)品拉延工序局部材料易破裂的問題。

因此，對(duì)于一些拉伸深度較深或脹形變形較大、容易產(chǎn)生破裂的部位，若正好存在內(nèi)工藝補(bǔ)充部位，則應(yīng)在拉伸工序中考慮增加工藝孔或工藝切口來改變毛坯的變形程度，消除破裂因素。

圖2 構(gòu)件上的工藝孔

合理設(shè)置工藝補(bǔ)充

工藝補(bǔ)充是指為了順利拉伸出合格的制件、在沖壓件的基礎(chǔ)上添加部分材料。工藝補(bǔ)充不僅對(duì)拉伸成形起著重要影響，而且對(duì)后序修邊、整形、翻邊等工序的進(jìn)行也有很大影響。在拉伸復(fù)雜曲面制件時(shí)，當(dāng)其拉伸件帶有很深的凹坑或有較大的凸起及鼓包時(shí)，在拉伸成形時(shí)，往往由于不能從坯料的外部得到材料的補(bǔ)充而造成零件的局部破裂。這時(shí)，為了避免這種現(xiàn)象，就需要考慮在成形工序前的預(yù)成形過程中預(yù)留出部分工藝補(bǔ)充材料，使容易破裂的區(qū)域從工藝儲(chǔ)備材料中得到材料的補(bǔ)充。

圖3為某車型底盤產(chǎn)品右/左框架加強(qiáng)板，產(chǎn)品局部存在較深的成形凹坑，該位置的成形過程中材料流入量不足以形成零件的既定形狀，零件的成形主要是依靠材料的局部變薄而成形。在成形時(shí)凹坑頂部圓角變形區(qū)材料同時(shí)承受雙向拉應(yīng)力，徑向產(chǎn)生伸長變形，導(dǎo)致厚度減薄，超過材料變形承擔(dān)時(shí)，導(dǎo)致凹坑頂部破裂（圖4）。

在不能靠外部材料的流入來補(bǔ)充的情況下，這時(shí)為減少頂部變形區(qū)拉應(yīng)力，在第一道工序預(yù)拉伸時(shí)在后序凹坑位置處，預(yù)成形出一個(gè)中心凸起的工藝材料補(bǔ)充鼓包（見圖5），使材料充分儲(chǔ)備。該工藝補(bǔ)充在二次成形時(shí)使用，可以解決外部材料流入量不足而產(chǎn)生制件開裂的問題。在預(yù)留工藝材料補(bǔ)充時(shí)，如果該工藝補(bǔ)充在第一次凸起預(yù)成形中，凸模圓角半徑過小，儲(chǔ)備的材料不足，使該工藝補(bǔ)充在最終成形工序中過早參與了變形，導(dǎo)致頂部材料減薄，也會(huì)造成凹坑處破裂。

圖5 工藝材料補(bǔ)充鼓包

模具結(jié)構(gòu)改進(jìn)

常見的U形零件如果左右兩側(cè)同時(shí)需要修邊時(shí)，為保證操作的方便，使產(chǎn)品生產(chǎn)中能實(shí)現(xiàn)上下自如的取放件操作，模具上通常采用兩側(cè)斜楔機(jī)構(gòu)進(jìn)行同時(shí)修邊。如某車型底盤零件—左右固定架第三序修邊工序，就采取了雙側(cè)斜楔同時(shí)修邊模具結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 雙側(cè)斜楔同時(shí)修邊模具結(jié)構(gòu)

但上述結(jié)構(gòu)的模具在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)局部修邊凸凹模鑲塊經(jīng)常出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，使產(chǎn)品產(chǎn)生倒向凹模內(nèi)側(cè)的毛刺，而該毛刺又使制件卡在凹模上難以被取出。分析原因?yàn)樵摦a(chǎn)品形體偏細(xì)高，其修邊凹模鑲塊工作中受到不斷振動(dòng)后難以可靠固定在下模座中。同時(shí)由于制造精度的原因及生產(chǎn)中經(jīng)常需維修兩側(cè)凸模，導(dǎo)致斜楔機(jī)構(gòu)凸模無法保證，同時(shí)接觸制件和凹模并進(jìn)行修邊，而這種不同步更是加劇了凹模鑲塊在生產(chǎn)中受到的振動(dòng)，使凸、凹模產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，從而產(chǎn)生毛刺。因此，對(duì)于這種類型產(chǎn)品，通常采用的雙側(cè)斜楔修邊模具結(jié)構(gòu)不但無法實(shí)現(xiàn)方便的操作，還使產(chǎn)品產(chǎn)生毛刺，同時(shí)導(dǎo)致模具需要頻繁拆卸維修，無法保證正常生產(chǎn)。

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，解決左右固定架在生產(chǎn)中出現(xiàn)的上述問題，現(xiàn)對(duì)該產(chǎn)品三序修邊模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。取消了斜楔側(cè)修機(jī)構(gòu)，改為一般的上下垂直沖壓方向，同時(shí)將兩側(cè)斜楔修邊的模具結(jié)構(gòu)改為在一套模具中實(shí)現(xiàn)先修一邊后再修另一邊的雙槽模具結(jié)構(gòu)（圖7）。

該模具結(jié)構(gòu)將原模具復(fù)雜的兩側(cè)斜楔機(jī)構(gòu)修邊改為通常的上下方向垂直修邊，簡(jiǎn)化了模具結(jié)構(gòu)，使模具維修更方便；同時(shí)消除了原模具中凹模鑲塊難以固定和斜楔不同步而產(chǎn)生的振動(dòng)問題，使產(chǎn)品不再產(chǎn)生毛刺，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品正常的生產(chǎn)操作。該實(shí)例為類似零件的沖壓工藝提供了借鑒的依據(jù)，并提出了解決類似產(chǎn)品問題的新思路。

圖7 先修一邊后再修另一邊的雙槽模具結(jié)構(gòu)

復(fù)雜成形工藝中TD新技術(shù)的應(yīng)用

圖8為某車型副車架—左右縱臂，其形狀十分復(fù)雜，型面和尺寸精度要求均較高，且料厚達(dá)到3.4mm。因此，盡管其第三序成形模具鑲塊熱處理后硬度已達(dá)到58～62HRC，但由于在產(chǎn)品成形過程中模具凹模局部R角位置受到劇烈摩擦，導(dǎo)致模具凹模表面頻繁產(chǎn)生拉毛甚至積瘤，極大降低了凹模表面光潔度，使材料在沿凹模表面滑動(dòng)過程中受到較強(qiáng)的阻力，在成形最深的圓窩位置產(chǎn)生縮頸甚至破裂現(xiàn)象。在經(jīng)過全面了解和比較后，認(rèn)為可以采用一種模具表面超硬化處理新技術(shù)，即TD覆層處理技術(shù)（圖9），以解決上述產(chǎn)品和模具出現(xiàn)的問題。

圖8 某車型副車架—左右縱臂

TD模具表面超硬化處理技術(shù)是采用金屬碳化物擴(kuò)散覆層原理，在一定的處理溫度下將工件置于硼砂熔鹽及其特種介質(zhì)中，通過特種熔鹽中的金屬原子和工件中的碳、氮原子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，擴(kuò)散在工件表面而形成一層幾微米至二十余微米的釩、鈮、鉻、鈦等金屬碳化層。

圖9 采用TD涂層技術(shù)鑲塊

TD覆層處理技術(shù)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：①模具表面硬度大大提高，全面解決磨損、拉毛等現(xiàn)象；同等工況下，使用壽命平均提高十倍以上。②與基體冶金結(jié)合，表現(xiàn)出最優(yōu)異的抗剝離性，可反復(fù)處理。③不論工件形狀如何，都能形成均勻的被覆層，處理過程中模具變形較小。④被覆后的表面粗糙度與處理前大致相同，若母材表面加工光滑，處理后可直接使用。

采用TD覆層處理技術(shù)可以徹底解決模具磨損、拉毛等現(xiàn)象，產(chǎn)品成形表面質(zhì)量良好（圖10）。不用經(jīng)常拆裝、維修模具，勞動(dòng)效率大幅提高，并使模具使用壽命大大提高，同時(shí)降低了模具的維修費(fèi)用，還可使產(chǎn)品廢次品率大幅降低。

圖10 產(chǎn)品成形狀態(tài)良好

大量實(shí)踐證明，TD覆層處理是目前解決模具拉傷和復(fù)雜型面產(chǎn)品拉伸問題的經(jīng)濟(jì)而有效的方法之一，并可將模具的使用壽命提高數(shù)倍至數(shù)十倍，極具使用價(jià)值。TD覆層處理技術(shù)在解決汽車高強(qiáng)度鋼板和厚料板沖壓模具表面拉傷問題和提高模具壽命方面效果顯著，其應(yīng)用將會(huì)越來越多。

結(jié)束語

綜上所述，汽車沖壓產(chǎn)品的工藝分析必須認(rèn)真研究產(chǎn)品的使用性能和精度要求，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)條件，加以認(rèn)真的分析和研究。對(duì)難度較大或復(fù)雜的零件，可以采取理論分析和經(jīng)驗(yàn)積累并行，以工藝分析結(jié)論解決實(shí)際生產(chǎn)中的難題。