文／朱百慶·北京汽車股份有限公司

沖壓模具交付沖壓車間初期，生產(chǎn)穩(wěn)定性差是比較常見的問(wèn)題，尤其是拉深模具，起皺、開裂和拉毛現(xiàn)象往往交替出現(xiàn)。行業(yè)上用成形裕度或拉深穩(wěn)定性來(lái)評(píng)價(jià)拉深模具的批量生產(chǎn)穩(wěn)定性，但很多工程師容易混淆這兩個(gè)概念，不能正確理解成形裕度與拉深穩(wěn)定性本質(zhì)上的區(qū)別。雖然成形裕度和拉深穩(wěn)定性兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都能反映出拉深模具在批量生產(chǎn)時(shí)的穩(wěn)定性，但如果驗(yàn)收人員混淆這兩個(gè)概念，在驗(yàn)收模具時(shí)，會(huì)用錯(cuò)方法，做出錯(cuò)誤的判斷，給模具鉗工的工作帶來(lái)很大的困擾。

拉深變形的原理

拉深模具由凸模、凹模和壓邊圈組成。拉延成形過(guò)程是用凸模把板料擠入凹模，以形成具有凸模形狀的沖壓零件。在此過(guò)程中，坯料凸緣部分由于受到切向壓應(yīng)力的作用，會(huì)產(chǎn)生褶皺，為防止褶皺，必須設(shè)有壓邊裝置（壓邊圈），如圖1所示。

圖1 拉深示意圖

在拉延成形過(guò)程中，板料與凸模先接觸的位置在徑向拉應(yīng)力的作用下最先開始發(fā)生減薄的塑性變形，塑性變形引起材料的冷作硬化，硬化造成減薄的位置屈服強(qiáng)度增加，從而硬化的部分不再減薄，而是把拉深力傳遞給相鄰未減薄的區(qū)域，使相鄰未減薄的區(qū)域開始減薄，如圖2所示。當(dāng)板料所有區(qū)域減薄量一致時(shí)，所有位置的屈服強(qiáng)度也趨于一致，繼續(xù)拉深過(guò)程中，板料在現(xiàn)有減薄的基礎(chǔ)上重復(fù)上一減薄過(guò)程。

在減薄過(guò)程中，如果內(nèi)部某區(qū)域拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，板料就會(huì)在該區(qū)域開裂。要想解決開裂問(wèn)題，就需要其他區(qū)域或外部補(bǔ)充板料順利進(jìn)入到該區(qū)域，也就是控制板料在模具型腔內(nèi)部的流動(dòng)性，由此完成拉深過(guò)程，如圖3所示。

圖2 板料減薄變形過(guò)程

圖3 材料流動(dòng)示意圖

前面的說(shuō)明是基于所有拉深單元均處于雙向拉伸狀態(tài)的假設(shè)，由于車身沖壓零部件的造型復(fù)雜，在整個(gè)拉深過(guò)程中，并不是每個(gè)時(shí)刻每個(gè)拉深單元均處于雙向拉伸狀態(tài)，如果在拉深結(jié)束時(shí)，板料在某一區(qū)域還處于非雙向拉伸狀態(tài)，零件就容易出現(xiàn)褶皺的現(xiàn)象，要解決褶皺問(wèn)題，也需要控制板料的流動(dòng)速度和流動(dòng)量，使所有區(qū)域最終能夠處于雙向拉伸狀態(tài)。

批量生產(chǎn)過(guò)程中，如果外部生產(chǎn)條件在容差范圍內(nèi)變化時(shí)，能否使零件始終保持既不開裂又不起皺的狀態(tài)，取決于兩方面：一方面是零件的造型設(shè)計(jì)，另一方面是拉延模具的工藝設(shè)計(jì)及調(diào)試狀態(tài)，也就是我們常說(shuō)的成形裕度和拉深穩(wěn)定性。

成形裕度

成形裕度一度被理解成：為保持零件不失效（失效指的是出現(xiàn)開裂或褶皺等質(zhì)量問(wèn)題）而容許外界生產(chǎn)條件發(fā)生變化的程度，最常見的測(cè)試方法是增加壓邊力，測(cè)試?yán)钍欠耖_裂。但實(shí)際上，這種測(cè)試方法測(cè)試的并不是成形裕度，而是拉深的穩(wěn)定性。成形裕度是針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言的，是指產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)容許拉深模具型腔內(nèi)板料在相鄰區(qū)域內(nèi)相互流動(dòng)補(bǔ)充的極限程度及拉深力在相鄰區(qū)域相互傳遞的能力。

成形裕度高指的是相鄰區(qū)域板料容易相互補(bǔ)充，拉伸應(yīng)力可以順利傳遞給相鄰區(qū)域，如此可以保證拉深過(guò)程中各個(gè)區(qū)域能夠擁有相對(duì)一致的應(yīng)力狀態(tài)及減薄狀態(tài)。如圖4所示的頂蓋外板CAE分析結(jié)果，在產(chǎn)品區(qū)域內(nèi)，減薄率均勻，從成形極限圖來(lái)看，也不存在起皺的趨勢(shì)，說(shuō)明頂蓋外板的成形裕度較高。

圖4 頂蓋外板成形裕度（CAE分析結(jié)果）

如果局部區(qū)域拉深力傳遞不順暢，就會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，或者出現(xiàn)局部區(qū)域的板料不能順利進(jìn)入相鄰區(qū)域而產(chǎn)生褶皺的現(xiàn)象，那么就認(rèn)為此類零件的成形裕度低。以圖5所示的車門內(nèi)板為例，車門內(nèi)板的減薄率差異較大，局部減薄率已達(dá)極限，但從成形極限圖來(lái)看，局部位置還存在起皺的趨勢(shì)，這說(shuō)明車門內(nèi)板的成形裕度很低。

直觀的講，在拉深過(guò)程中，板料由外部補(bǔ)充的量（即板料流入量）變化較大時(shí)，如果零件本身并沒(méi)有發(fā)生開裂或褶皺的現(xiàn)象，說(shuō)明內(nèi)部區(qū)域板料可以順利的相互補(bǔ)充，能夠均勻減薄，因此零件成形裕度較大；反之，如果板料流入量變化很小，零件就發(fā)生開裂或褶皺的現(xiàn)象，說(shuō)明內(nèi)部區(qū)域板料不能及時(shí)的相互補(bǔ)充，減薄不均勻，因此零件的成形裕度小。

圖5 車門內(nèi)板成形裕度（CAE分析結(jié)果）

零件的成形裕度取決于零件的造型設(shè)計(jì)和選材。零件造型的拔模角度、型面特征的高低落差、圓角的大小都很大程度的影響著零件內(nèi)部板料的流動(dòng)可控性，零件內(nèi)部板料流動(dòng)可控性好，意味著在零件內(nèi)部各區(qū)域之間，板料可以很容易的互相及時(shí)補(bǔ)充。零件的成形裕度管理屬于同步工程范疇，應(yīng)該在零件設(shè)計(jì)初期階段進(jìn)行控制，在不影響零件本身使用性能的前提下，盡量通過(guò)改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)提高零件的成形裕度。

拉深穩(wěn)定性

拉深穩(wěn)定性指的是當(dāng)外部生產(chǎn)條件發(fā)生變化時(shí)，零件內(nèi)部拉伸應(yīng)力狀態(tài)不發(fā)生變化或發(fā)生零件成形裕度范圍內(nèi)的輕微變化，零件不會(huì)出現(xiàn)失效的情況。比如，當(dāng)拉深模具的壓邊力發(fā)生變化（尤其是增大）時(shí)，板料由外部進(jìn)入模具型腔內(nèi)部的量不會(huì)發(fā)生變化，或發(fā)生很小的變化，就不會(huì)引起零件內(nèi)部的拉伸應(yīng)力狀態(tài)及減薄狀態(tài)發(fā)生較大變化，說(shuō)明此沖壓模具的生產(chǎn)穩(wěn)定性好。

圖6 壓料面受力分布圖

保證拉深模具穩(wěn)定性的辦法，就是通過(guò)控制平衡塊保持壓邊圈與凹模壓料面的間隙稍大于板料厚度，拉深過(guò)程主要依靠拉深筋產(chǎn)生的阻力控制板料流動(dòng)，而不是依靠壓邊圈與凹模壓料面對(duì)板料的摩擦阻力，從而保證進(jìn)料阻力在緩沖壓力發(fā)生變化時(shí)能夠保持相對(duì)恒定，提高拉深模具批量生產(chǎn)穩(wěn)定性。圖6所示為壓料面受力分布圖，凹模與壓邊圈間隙C1＞t(t為板料厚度），由此保證緩沖壓力F增大時(shí)，增大的力作用在平衡塊上，保證施加到板料上的力F1保持不變，從而保證進(jìn)料阻力不變，進(jìn)而保證拉深的穩(wěn)定性。

對(duì)于成形裕度較大的零件，拉深模具的穩(wěn)定性對(duì)零件失效的影響并不是很大，比如發(fā)動(dòng)機(jī)蓋內(nèi)板，由于零件形狀簡(jiǎn)單，成形裕度較大，板料流入量大一點(diǎn)，零件不會(huì)起皺，板料流入量小一點(diǎn)，零件不會(huì)開裂，此時(shí)拉深模具的穩(wěn)定性顯得并不是那么重要。對(duì)于成形裕度較小的零件，拉深模具的穩(wěn)定性就對(duì)批量穩(wěn)定生產(chǎn)起到了關(guān)鍵性的作用，比如車門內(nèi)板，由于產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)的原因，零件深度較大，型面特征落差較大，導(dǎo)致零件的成形裕度小，拉深時(shí)板料流入量稍大一點(diǎn)就起皺，板料流入量稍小一點(diǎn)就開裂，對(duì)于此類零件，拉深模具的穩(wěn)定性就顯得尤為重要，拉深模具穩(wěn)定性好可以保證在外界條件發(fā)生變化的時(shí)候，板料流入量保持相對(duì)穩(wěn)定，從而保證零件不失效。

結(jié)束語(yǔ)

成形裕度與拉深穩(wěn)定性從本質(zhì)上講是兩個(gè)不同的概念。成形裕度是針對(duì)零件設(shè)計(jì)而言，要在零件設(shè)計(jì)初期階段進(jìn)行控制；拉深穩(wěn)定性是針對(duì)拉深模具而言的，要在模具工藝設(shè)計(jì)階段及模具調(diào)試階段進(jìn)行控制。兩個(gè)概念雖然都和批量生產(chǎn)穩(wěn)定性相關(guān)，但不能混為一談，模具開發(fā)人員要對(duì)這兩個(gè)概念有清晰的認(rèn)識(shí)，為模具開發(fā)及驗(yàn)收工作提供正確的導(dǎo)向。