對(duì)金屬板料拉伸成形過程中破裂的研究

文/王成璞·昆山麥格納汽車系統(tǒng)有限公司

金屬板料在拉伸成形的過程中，由于受多種因素的共同影響，包括成形零件的形狀、大小、深度，材料本身的厚度、硬度和坯料尺寸，模具中凸、凹模圓角的大小、凸凹模間隙的大小，以及壓邊力設(shè)置等，使得金屬板料在拉伸成形過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)破裂或嚴(yán)重拉薄的現(xiàn)象，導(dǎo)致零件報(bào)廢無法使用。盡管可采取CAE分析的方式，通過對(duì)拉伸系數(shù)、拉伸凸、凹模圓角、壓邊力設(shè)置等工藝參數(shù)的調(diào)整優(yōu)化，改善拉伸成形的破裂狀況；但有的時(shí)候這種調(diào)整并不能從根本上解決破裂的問題。

通常，在拉伸成形過程中無法有效改善或避免破裂時(shí)，工藝上就會(huì)考慮對(duì)拉伸成形零件進(jìn)行回火或局部退火，以軟化材料；或者犧牲材料性能抑或改變零件形狀，以改善拉伸成形性能。而如此改變的結(jié)果，要么增加零件的生產(chǎn)成本，要么降低零件的部分功能。

本文從另一個(gè)角度，即如何合理利用拉伸成形過程中的破裂，以改善金屬板料的拉伸成形，并結(jié)合實(shí)際工作中的兩個(gè)實(shí)例，介紹拉伸成形過程中破裂的合理利用。

拉伸成形過程中破裂產(chǎn)生的原因及其對(duì)策

根據(jù)金屬板料在拉伸成形過程中其材料在變形區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變分析可知，當(dāng)處于材料變形區(qū)域內(nèi)的材料受到的某一矢量方向上的拉應(yīng)力大于材料本身的抗拉強(qiáng)度，且此時(shí)材料又無法沿著較大的受力方向做相應(yīng)移動(dòng)時(shí)，此處的材料就會(huì)破裂。

因此，為了不使材料被拉破或嚴(yán)重拉薄，從理論上來說，就是要改變?cè)诶斐尚芜^程中材料的受力狀況或使材料在受到較大外力時(shí)，可以在相應(yīng)的方向上做相應(yīng)的移動(dòng)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，人們歸納總結(jié)了許多的方法和經(jīng)驗(yàn)，如：改變拉伸成形凸、凹模圓角半徑大小并使其粗糙度變小，改變壓邊力的設(shè)置，調(diào)整每道工序的拉伸系數(shù)，注意控制好凸凹模之間的間隙等等，其目的均是改變材料在拉伸變形區(qū)域內(nèi)所受的應(yīng)力大小及其材料變形程度，使其所受的拉應(yīng)力小于材料本身的抗拉強(qiáng)度，以避免材料破裂。

對(duì)于一些拉伸形狀較為復(fù)雜的零件，尤其是零件中有多個(gè)需成形的部位，為了改善零件拉伸成形過程中材料的受力狀態(tài)，有時(shí)在工藝上采取增加拉伸成形工序的方法，使原來成形部位兩端均受較大拉力或受力不均衡的狀態(tài)改變?yōu)閮啥耸芰^小或兩端受力較為均衡的方法來解決。

還有一種方式，就是利用拉伸成形零件的結(jié)構(gòu)和形狀，將拉伸成形中產(chǎn)生材料開裂的位置想辦法移至零件中需沖切的位置或零件外緣，如連料處以及其他最終需要切除的地方。

實(shí)例分析

案例1

圖1所示零件是一款汽車的搖窗機(jī)導(dǎo)軌，為左右對(duì)稱件。材料選用 S220GD+Z90/90，厚度（1.2±0.1）mm。

圖1 某款汽車的搖窗機(jī)導(dǎo)軌

該零件的形狀為沿長(zhǎng)度方向的一個(gè)較大半徑的圓弧，而從其橫截剖面看，又似一個(gè)兩端有小凸緣的淺寬“U”形?！癠”形截面的豎直面雖不高，且底面較寬，但兩面相交的過渡圓角較小，底面上還有非對(duì)稱分布的翻孔和較深的凹陷。

此件的工藝方案可以采用單件沖壓方式，也可考慮采取左右件合模（即：左右件連在一起）的方式。采用單件沖壓，除了落料?？晒灿猛猓罄m(xù)的成形、沖孔、翻孔、切邊等模具均需左、右件各制造一套，不僅模具的成本較高，零件的沖壓成本也較高。若采取左右件合模的方式，模具的成本可相應(yīng)節(jié)省，零件的沖壓成本也會(huì)降低。但從工藝的角度看，左右件合模成形的難度大于單件沖壓成形。

圖2 零件兩端側(cè)面出現(xiàn)的破裂區(qū)域

為了節(jié)約模具制造及沖壓成本，此件采用了左右件合模的工藝方案。在初期的拉伸成形試模時(shí)，零件在兩端的側(cè)面有一段較大的破裂區(qū)域，如圖2所示。后經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)此處的材料受力拉伸成形時(shí)，由于成形折彎角的內(nèi)圓角較小，且近旁還有一較深的凹陷，導(dǎo)致材料兩端受力較大，從而使得此處材料破裂。若將內(nèi)圓角先加大，然后再整形，勢(shì)必會(huì)多出一道工序，造成模具及沖壓成本增加。

那么，能否改變零件破裂一端的受力狀態(tài)，從而使得零件的開裂狀態(tài)得以改變呢？經(jīng)過查看，零件一端的外形基本上為零件的外形，沒有修切余量，無法再改變。而通過觀察分析，對(duì)另一端連料部分做了修改調(diào)整，試模后發(fā)現(xiàn)開裂狀態(tài)有所改善，說明修調(diào)方向正確。據(jù)此，再繼續(xù)對(duì)連料部分進(jìn)行了數(shù)次修改調(diào)整，將材料的破裂位置移到了連料處，終于使得原豎直面上的開裂現(xiàn)象完全消失，且經(jīng)剖切檢測(cè)，此處的材料拉薄量也很小，如圖3所示。

圖3 剖切檢測(cè)材料拉薄量很小

圖4 汽車門鎖中的一個(gè)基板

圖5 折彎處常常出現(xiàn)裂紋

圖6 半敞開形凹陷成形的連料狀態(tài)

案例2

圖4所示零件為汽車門鎖中的一個(gè)基板，材料選用QSTE500，材料厚度2.0mm。此件采取了連續(xù)模生產(chǎn)方式，在向上折彎有壓筋的小翻邊時(shí)，其一端的折彎處常常出現(xiàn)裂紋，如圖5所示。

通過對(duì)連續(xù)模的料帶進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原來料帶中在其旁的半敞開形凹陷成形時(shí)，此處為連料狀態(tài)，如圖6所示，零件凹陷成形過程中受力較大，已經(jīng)有明顯的拉薄現(xiàn)象，在其后的向上折彎時(shí)，此拉薄處自然會(huì)產(chǎn)生明顯的開裂。

據(jù)此，對(duì)此處連料進(jìn)行了改進(jìn)，將此處連料部分全部切除，再加上對(duì)模具的局部調(diào)整和修改，結(jié)果大大改善了此處易產(chǎn)生折彎裂紋的情況。

結(jié)束語

目前，越來越多的汽車零部件采用高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼。這種強(qiáng)度較好的材料，其成形拉延性則相對(duì)較差。許多零件在其拉伸成形過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)拉薄或開裂現(xiàn)象。

通過對(duì)上述兩個(gè)實(shí)例的分析，不難看出，由于受到材料本身的性能影響，一些零件在拉伸成形過程中，會(huì)出現(xiàn)拉薄或開裂現(xiàn)象，但如果根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形狀或是其工藝排料的一些特點(diǎn)，可通過合理的工藝設(shè)計(jì)，將開裂或拉薄部位移至工件中需沖切或去除的部位，以改變材料在拉伸成形過程中的受力狀態(tài)，即有效地利用材料拉伸成形中的破裂，從而制造出無裂紋或拉薄量很小的工件。