汽车覆盖件拉伸起皱开裂分析及控制
汽车覆盖件拉伸起皱开裂分析及控制东风汽车公司车身厂 梁云荣
[摘要] 对汽车覆益件在拉伸过程中的起皱和开裂现象进行了分析，并从工艺、设计、调整等几个方面较详细地说明了解决零件拉伸起皱、开裂的方法和控调措拖。
关键词 汽车覆盖件 拉伸 起皱开裂 控制措拖
1 引言
汽车车身外形是由许多轮廓尺寸较大且具有空间曲面形状的覆盖件焊接而成，因此对覆盖件的尺寸精度和表面质量有较高要求。车身覆盖件要求表面平滑、按线清晰，不允许有皱纹、划伤、拉毛等表面缺陷，此外还要求具有足够的刚性和尺寸稳定性。车身表面质量的好坏取决于覆盖件拉伸的结果，而拉伸模是拉出合格覆盖件的关键。由于影响拉伸件质量的因索主要是起皱、开裂、拉毛和回弹，所以从编制冲压工艺到模具设计都必须认真考虑。模具制造完毕，在拉伸模调试过程中，还必须对拉伸件的起皱和开裂现象进行仔细分析与研究，并采取相应的措施。
拉伸件在拉伸过程中起皱和开裂的原因很多，主要原因有以下几个方面：
(1)拉伸模设计工艺性是否合理。
(2)模具加工质量(表面精度、硬度等)引起的问题。
(3)压力机精度(滑块平行度等)。
(4)板料质量(厚度超差)。
现对上述造成开裂、起皱的原因分别进行讨论。
2 拉伸件加工工艺的确定
拉伸件的工艺性是编制覆盖件冲压工艺首先要考虑的问题，只有设计出一个合理的、工艺性好的拉伸件，才能保证在拉伸过程中不起皱、不开裂或少起皱、少开裂。在设计拉伸件时不但要考虑冲压方向、冲压位置、压料面形状、拉伸筋的形状及配置、工艺补充部分等可变量的设计，还要合理地增加工艺补充部分，正确确定压料面。各可变量设计之间又有相辅相成的关系，如何协调各变量的关系．是成形技术的关键，要使之不但满足该工序的拉伸，还要满足该工序冲模设计和制造工艺的需要，并给下道熔边、翻边工序创造有利条件，一般应注意以下几个方面。
2.1 冲压方向的确定
零件的冲压方向是确定拉伸工艺首先要遇到的问题，它不但决定能否拉伸出满意的拉伸件，而且还影响到工艺补充部分的多少和压料面的形状。合理确定冲压方向应满足以下3方面的要求。
(1)保证凸模能够进入凹模。如图1a所示，凹模右方下边的形状向外凸出，最凸出点超过凹模口尺寸，使凸模不能进入凹模，这个拉伸方向是不能进行拉伸的，必须改变拉伸方向，使凸模能够进入凹模。如图1b所示，将图1a沿顺时针方向旋转一个角度．使凸棋能够进入凹模。
(2)使凸模接触毛坯的面积大。接触面越大，接触面与水平面的夹角越小．毛坯越不易发生局部应力过载而使零件产生破裂。材料在拉伸时贴模性能提高，容易获得完整的凸模形状，有利于提高零件的变形程度。
(3)压料面各部分进料阻力要均匀可靠。拉伸深度均匀是保证压料面各部分进料阻力均匀可靠的主要条件。而压料面各部分进料阻力均匀是确保拉伸件不起皱、不开裂的重要保证。
例如，东风3t车前围上盖板的拉伸深度较浅，考虑到各方位深度大致相同，为改善凸模拉伸毛坯的条件，有利于金属内应力分布更均匀，保证冲压件有更高的表面质量，确定冲压方向为图2所示的沿y轴顺时针旋转25°30'的方向，这样选取有以下2个原因：①使得凸模接触毛坯的面积大；②前围上盖板零件经过汽车位置旋转一定角度后，压料面是乎的，拉伸深度比较均匀，两面进料阻力基本上一样，增加压料力可提高零件变形的均匀度，零件整体刚性提高。同时残留应力分布均匀，减少残留应力回复时带来的回弹程度。
2.2 合理增加工艺补充圈分
为了实现拉伸，往往要在制件的基础上增加工艺补充部分，从而达到满意的拉伸效果。工艺补充的好坏是拉伸件设计水平的重要标志，合理的增加工艺补充部分应满足以下3方面的要求：
(1)该工序拉伸的要求。
(2)压料面的要求。
(3)拉伸后的修边和翻边工序的要求。
设计中应根据修边线的位置确定各工艺补充部分的尺寸，特别是凹模R圆角处，因凹模圆角部分对抗伸毛坯进料阻力影响很大，直接关系到拉伸件的起皱或开裂，所以取值要合理。工艺补充部分的凹模圆角半径一般取8-10mm，在能够拉出满意的拉伸件的条件下，尽可能减少工艺补充部分，但必要时还要有意增加工艺补充(如凹槽、斜槽、凸筋等)。如果在设计拉伸件时，经过仔细分析，已考虑到某一部分(形状变化急剧的部分)在拉伸时有多余的金属，材料易流动，可能会产生起皱，那么工艺人员就要有意在这部分的工艺补充上加凹槽或凸筋等，使多余的金属在拉伸过程中流到凹模或凸筋中，充分吸收多余的材料，使拉伸不易起皱。同时加凹攒时要考虑到修边容易去掉，这个方法可有效地耀决拉伸起皱问题。
2.3 正确配定压料面的形状
压料面是工艺补充的一部分，在增加工艺补充时必须正确确定压料面的形状，使压料面各部分进料阻力均匀可靠。要做到这一点，必须要保证拉伸深度均匀，因为只有在压料圈将拉伸毛坯压紧在凹模压料面上，不形成皱纹或折痕，才能保证拉伸件不皱不裂。在确定压料面时要尽量降低拉伸深度，使形面乎绥，还一定要保证压料面展开长度比凸模展开长度短，材料才能产生拉伸。如果压料面展开长度比凸模长，拉伸时可能会形成波纹或起皱。如果压料面是覆盖件本身的凸缘部分，则凹模圆角半径只要根据具体情况确定，因覆盖件圆角半径一般都比较小，直接作为凹模圆角半径不易拉伸，必须加大才不会导致拉伸时起皱或破裂。加大后的圆角，可通过后工序的整形达到产品要求。
2.4 增加工艺切口或冲工艺孔
覆盖件在拉伸过程中，拉伸较深的或有窗口反拉伸成形的零件易拉裂，可用增加工艺切口或工艺孔的方法来解决。增加的工艺孔或切口应保证不因材料流动不好，拉应力过小而形成波纹或起皱，故工艺切口或工艺孔必须放在拉应力员大的拐角处，工艺切口或工艺孔的位置、大小、数量和形状需要在调试拉伸模时试验确定。如东风8t平头柴油车例围外板拉伸模、东风EQ2102军用车的中支按外板拉伸模就是通过在反成形和拉伸深处的拐角处冲制工艺切口得到圆满解决的，保证了拉伸件的表面质量。工艺切口或工艺孔、凹槽应故在废料部分，最后将其修掉。侧围板和中支柱零件如图3、4所示。
3 模具设计时应注意的问题
3.1 缓冲装置
覆盖件的拉伸是在双动压力机上进行的，液压机工作时会产生较大的冲击力，导致模具韧始工作阶段材料变形不均匀，局部起皱，因而模具设计了图5所示的缓冲装置，在压料面以外加4―6块聚氨团橡胶，消除拉伸开始时产生的过大冲击力，以满足工作时的韧始拉伸变形，使拉伸件不出现皱裂。
3.2 增加平衡块
由于覆盖件在拉伸时受多方面因素的影响，如压力机精度、模具制造误差等，造成压料面间隙不均匀，各点的压力不均匀，导致拉伸开裂、起皱。增加平衡块的作用是调整压料面的间隙，稳定进料阻力，使材料流动均匀。平衡块数量一般为6个，用内六角螺钉分别安装于压料困与凹模上，其间隙调整为最大不产生皱纹，最小不低于制件料厚。
4 起皱和开裂现象的解决方法
4.1 零件起皱
拉伸件产生凸缘起皱和简壁起皱主要是由于拉伸时板料受压缩变形而引起的，通常采用提高板内径向拉应力来消除皱纹，其调整方法如下：
4.1.1 调整压边力的大小
当皱纹在制件四周均匀产生时，应判断为压料力不足，逐渐加大压料力即可消除皱纹。当拉伸锥形件和半球形件时，拉伸开始时大部分材料处于悬空状态．容易产生侧壁起皱，故除增加压边力外，还应采用增加捡伸筋来增大板内径向拉应力，消除皱纹。
4.1.2 调整凹模圆角半径
凹模圆角半径太大，会增大坯料悬空部位，减弱控制起皱的能力，调整时可适当减小凹模圆角半径。
4.1.3 调整压料面的间隙
调整压料面间隙的方法有以下几种：
(1)采用里紧外松的原则。在凹模口直线弯曲变形区和伸长变形区应允许压料面稍有里紧外松现象，如图6所示，即里侧间隙应赂小于料厚t，外侧间隙应略大于料厚t。因为在此两类区域中，材料变形过程中料厚t或不变或变薄，这样就造成了压料间隙的变化。
图7所示为材料变形过程中不同区域材料受力情况，从图7可知，伸长类变形区在圆周方向径部均受拉应力作用，料厚变薄。随着材料的流动，料厚变薄，压料面间隙相对增大，减少了压料力。当板料流过紧区时，压料困就减弱了压料作用，而里紧外松的压料面则可以均衡压料力。随着材料的矗动，压料困始终保持压料作用，防止起皱等缺陷产生。
(2)采用里松外紧的原则，即内侧间隙大于料厚，外侧间隙小于料厚，如图8所示。在压缩变形区中材料处于径向受拉，切向受压的应力状态．毛坯在圆周方向上产生压缩变形。随着材料的温动，料厚有增大的趋势，且这种趋势明显增加，这祥会使压料面间隙相对减小进而增大进料阻力，材料在拉力作用下易于破裂。因此在调整模具压料面间隙时，宜在此处采用里松外紧的原则，消除材料厚度增加对材料变形的不利影响。
覆盖件拉伸棋的调整是一项比较复杂和困难的工作，在压料力不易控制的情况下，采取调整拉伸间隙的办法可消除因材料厚度变化而引起的压料力变化对材料变形的不利影响，这种方法在调整拉伸棋时是很有效的。上述压料面间隙调整原则是实际调整拉伸模的经验总结，它与理论分析相吻合。
4.2 零件开裂
零件开裂的根本原因在于拉伸变形抗力大于简壁开裂处材料的实际有效抗拉强度。解决拉伸件破裂的调整方法如下：
(1)调整压料力，使压料力变小。
(2)调整拉伸间隐，使间隙变大，并使间隐变得均匀。
(3)调整凹模圆角半径。凹模圆角半径太小，零件易拉裂，加大凹模圆角半径可减小拉裂程度。
(4)调整凸模圆角半径。
(5)调整凸模与凹模的相对位置。
(6)毛坯尺寸太大或形状不当，板料质量及润滑不好也会使零件拉裂，故应改变毛坯尺寸或形状，调整冲压工艺。
造成零件开裂的原因很多，在调整时应仔细检查开裂状况、产生的部位，确定产生开裂的拉伸行程位置，根据具体情况推断产生开裂的原因，从而制定出解决开裂的具体方案。
5 模具调试中解决起皱开裂的几点体会
拉伸模一般在第1次试拉时拉伸件又皱又裂，这时必须仔细观察分斩压料面的情况，分析各种引起皱裂的原因。如果压料面有压痕，凹模圆角半径处开裂，说明进料困难；如果压料面形成波纹，则开始进料容易，以后由于波纹的产生，材料流动困难，从而产生起皱开裂，也就是说在拉伸过程中，材料流动的难易，都会引起拉伸件的起皱和开裂，那么不同的情况就要用不同方法去解决。
进料困难一般是由于压料面的进料阻力太大引起的。如果压料面和凹模圆角表面粗糙度值太商，或有反成形，局部拉伸太大，就要调节外滑块，减小压边力，适当加大凹模圆角，降低表面蛆幢度值和加大拉伸筋槽的间隙。如果局部拉伸变形太大，有反成形，则要采取增加工艺切口或工艺孔的方法解决。
进料容易主要是由于压料面的进料阻力太小，压料面接触不好，或设计的拉伸件工艺性较差所致。如果是压料面问题则要求研修压料面，保证全面接触，另外还要调节外滑块增加压边力或增加压边面积。如果是拉伸件工艺性较差，则要重新设计拉伸件，以拉伸出合格产品。
以上仅是从工艺和拉伸模设计以及调整几个方面讨论了如何防止或解决覆盖件的拉伸皱裂问题，引起拉伸件皱裂的原因很多，但只要对发生的现象仔细研究和分斩，不同情况用不同的方法去解决，就会拉出表面质量好的覆盖件。
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