論覆蓋件拉延模拉延筋作用及其同材再造

文/田卓華·北汽福田汽車股份有限公司

馬超，曹翔宇，黃晶晶·北汽福田奧鈴汽車廠

自2013 年以來，國內(nèi)汽車產(chǎn)量一直保持在2000 萬輛以上，無論車身設(shè)計還是制造質(zhì)量均已接近發(fā)達國家汽車制造水平。但是，一些復(fù)雜車身覆蓋件拉延模設(shè)計與開發(fā)仍需進一步提高。車身覆蓋件拉延模對于合格拉延工序件具有舉足輕重的地位，常言道成也拉延，敗也拉延。

覆蓋件拉延破裂或皺紋是工藝補充和壓料面聯(lián)合作用的結(jié)果。常常受制于開發(fā)經(jīng)驗的不足及CAE 分析軟件的局限性，復(fù)雜拉延工序件工藝設(shè)計有時不盡完美，困擾著汽車模具制造水平的提升，即使在現(xiàn)代計算機虛擬分析已經(jīng)十分普及的今天。因為，再先進的分析軟件，都是設(shè)計師的工具和助手，借助分析系統(tǒng)能夠快速虛擬顯示、證明設(shè)計師的匠心獨具，助力造型設(shè)計極致完美。

主要有三個要素迫使拉延模工藝造型設(shè)計急待變革。首先，復(fù)雜覆蓋件模具制造調(diào)試階段，產(chǎn)品表現(xiàn)癟塘或波紋，需要局部增添或加高拉延筋；其次，總有一些調(diào)試鉗工急于求成，倉促打磨，毀掉拉延筋或其一部分，但是根本問題并沒有完全解決，甚至出現(xiàn)新的缺陷，往往需要恢復(fù)拉延筋；再次，服役模具經(jīng)過數(shù)十萬次沖壓，拉延筋磨損，也需要再造拉延筋。

上述增添、恢復(fù)、再造拉延筋三種模態(tài)，本質(zhì)是壓料面凸筋需要堆積材料，另一側(cè)去除材料。堆積拉延筋，大多采用比較節(jié)約的焊接工藝。堆焊筋常常有焊接氣孔和裂紋，二者都是破壞拉延表面及增阻的罪魁禍?zhǔn)?。盡管有先進的工藝，諸如激光燒結(jié)、凝結(jié)粉材工藝，迫于多種原因始終沒有普及。改變拉延筋方向，可以容易重構(gòu)拉延筋。改變拉延筋方向設(shè)計，勢在必行，功在設(shè)計之變革，利在當(dāng)下與未來。

拉延筋傳統(tǒng)再造

拉深力主要由拉延筋產(chǎn)生，拉延筋的阻力可達到拉深力的98.5%，如圖1 所示。車身地板拉延工藝設(shè)計，CAE 分析壓料力120t、拉深力1000t，摩擦系數(shù)0.15，拉延行程400mm，材質(zhì)DC06-0.8。

圖1 車身地板拉延工藝設(shè)計

無論是新制作模具還是服役多年的模具，拉延筋難免需要重構(gòu)。圖2 為某車型發(fā)罩外板，拉深工序件側(cè)部波紋，經(jīng)過修邊、翻邊工序后的產(chǎn)品波紋趨勢和拉延完全一致，如圖3 所示，檢測型面誤差用紅色數(shù)字表示，約500mm長的范圍內(nèi)，波紋在-2.8～1.3mm之間波動，面差最大波動4.1mm，發(fā)罩左右兩側(cè)波紋基本對稱。

圖2 拉延工序件

圖3 發(fā)罩外板側(cè)部波紋

借助于CAE 分析軟件，在設(shè)計階段，許多拉延造型能夠虛擬顯示破裂與吸頸、起皺與波紋，設(shè)計師會把拉延筋及工藝補充造型做到盡善盡美，在產(chǎn)品及模具合格的前提下，實體驗證與虛擬分析基本一致。但是，現(xiàn)實中總有一些在虛擬世界難以精準(zhǔn)把握的產(chǎn)品，一旦在模具驗證階段表現(xiàn)不良，經(jīng)常需要增加一條拉延筋。再造凸筋，最簡易的辦法是堆焊。堆焊凸筋常見弊病是氣孔和裂紋，且很難徹底杜絕，最致命的是堆焊材質(zhì)與基體不同，由于熱應(yīng)變，模具表面強化處理往往出現(xiàn)二次裂紋。

造成拉延筋重構(gòu)的原因有以下兩點，導(dǎo)致新開發(fā)模具增添拉延筋的概率升高。

⑴CAE 分析軟件本身有局限性，即虛擬拉延過程認(rèn)為模具是剛體，即受力狀態(tài)不變形。實際是覆蓋件拉延模在力的作用下發(fā)生形變及位移。有人曾經(jīng)用數(shù)控銑床檢測卡車門板模具在重力作用下的變形。在數(shù)控銑床工作臺面，模具基本夾持長度的一半，另一半懸空，檢測出Z 向下垂0.07mm，一般模具結(jié)構(gòu)尺寸越大，下垂越大。因為沖壓件結(jié)構(gòu)不同，模具結(jié)構(gòu)也不同。即使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)類似，各模具廠設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。所以，CAE 軟件系統(tǒng)無法定義模具結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，受力變形無法計算。這是分析軟件系統(tǒng)最大的局限性。

⑵復(fù)雜覆蓋件建型及分析取決于設(shè)計經(jīng)驗。經(jīng)驗不足，有時難以發(fā)現(xiàn)風(fēng)險所在。如圖4 所示的發(fā)罩拉延工序件，調(diào)試階段產(chǎn)品左右兩側(cè)波紋較大，局部流料過快是造成側(cè)壁波紋的原因。模具出廠前，壓料面堆焊增添一條筋，局部變?yōu)殡p筋，波紋范圍內(nèi)紅色線條表示增添的筋。

圖4 發(fā)罩拉延工序件

拉延筋便捷再造

打破傳統(tǒng)設(shè)計理念，改變拉延筋方向，凸筋在下，凹槽在上，使重構(gòu)拉延筋變得非常簡潔又可靠。最重要的是拉延筋在基體上生成，與模具同材。圖5 為改變方向的拉延筋結(jié)構(gòu)。無論是新模具還是舊模具重構(gòu)拉延筋十分便捷，從源頭規(guī)避了堆焊缺陷。

圖5 改變方向的拉延筋結(jié)構(gòu)

凸筋在下，即在壓邊圈上，凹槽在上，拉延筋增阻效應(yīng)并未改變。模具調(diào)試階段若需要增加筋，只要數(shù)銑降型，凸筋浮出，無需補焊，同時壓料面調(diào)整墊安裝面同等降低；凹槽在凹模壓料面銑出。如此改造，模具閉合高度依然不變。如果在服役模具需要同材恢復(fù)筋，只需要數(shù)銑壓料面，上模無需做任何改動。對于嚴(yán)重磨損的模具，若考慮凹槽口兩條棱線的磨損，也無需補焊，只要凸筋適當(dāng)增高，比模具初始設(shè)計筋高，或改變圓筋為梯形筋，能夠抵消凹槽磨損的不利因素。當(dāng)然，凹槽也要做相應(yīng)變更，僅僅是凹槽。

傳統(tǒng)設(shè)計理念，凸筋在上，若模具使用方不接受補焊，壓料面及整個凹模型面都要降型，數(shù)銑量是壓邊圈壓料面的幾倍到數(shù)十倍，且模具閉高發(fā)生變化。

超級模具調(diào)試，在CAE 分析基礎(chǔ)上，筋的重構(gòu)再造及其他任何型面變更，全部依靠數(shù)銑完成。拉延模壓料面和筋的微調(diào)，不再手工打磨。打磨不僅不精準(zhǔn)、不一致，讓交付后的模具維修沒有數(shù)字模型，無法傳承。

也許有人擔(dān)心凸筋在下，影響板料定位。實際大可不必有此擔(dān)憂，因為，板坯定位依靠四周定位板已經(jīng)十分穩(wěn)定，理論上定位板有效定位增加一個凸筋的高度，約4.0 ～6.0mm。只是板料接觸壓料面面積較小，筋的頂面撐起板坯與壓料面有間隙，拉延增阻和筋在上模完全一樣。無論凸筋在上或在下，壓邊圈升起，滑塊下降接料，都是在底缸壓力作用下板料先生成筋，滑塊繼續(xù)下降，板料流過筋產(chǎn)生阻力，即拉伸力。

深拉延模具和高強度板拉延模具，筋的磨損較快，每當(dāng)沖壓一定量，磨損致使拉延作用降低或失效，為便于恢復(fù)，凸筋在下，容易數(shù)銑降型再造。由于是本體材質(zhì)，徹底規(guī)避焊接裂紋、氣孔等缺陷，更不會有日后表面強化處理導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)二次裂紋。通常壓邊圈壓料面厚度為50mm，降型恢復(fù)凸筋，極限情況最大減薄一個筋的高度。開發(fā)設(shè)計壓料面和調(diào)整墊座面時，厚度預(yù)留5 ～8mm，即壓料面厚度為55 ～58mm。

覆蓋件拉延模幾乎全部采用倒裝結(jié)構(gòu)，工作時凹模在上，凸模及壓邊圈在下。拉延筋的傳統(tǒng)設(shè)計概念，起源于開發(fā)經(jīng)驗不足和數(shù)控銑床資源稀缺。在上模壓料面設(shè)計凸筋，下模壓邊圈設(shè)置凹槽，之所以如此設(shè)計，是假設(shè)凸筋正確，只動下模凹槽，便于人工打磨。圖6 為拉延模壓料面?zhèn)鹘y(tǒng)筋布局。形成傳統(tǒng)拉延筋的原因有以下三個。

圖6 拉延模壓邊面?zhèn)鹘y(tǒng)筋的布局

⑴調(diào)試方便。20 世紀(jì)80、90 年代，拉延模凸筋在上，凹槽在下，認(rèn)為便于鉗工調(diào)試打磨。相反，凹槽在上，仰打不方便，沙灰侵染面積較大。這個習(xí)慣，貌似簡約，其實不然。簡單的前提是假設(shè)凸筋不改，需要加速進料，只好打磨、放大下模凹槽口部棱線R以降低阻力。若需要增阻，絕對不簡單。增補凸筋，或增高凸筋，調(diào)試依然是先堆焊，再仰打。鉗工勞動強度大，環(huán)境污染嚴(yán)重。從大概率事件來看，舊的設(shè)計模50%打磨下模凹槽，50%打磨上模堆焊凸筋。

⑵資源稀缺。那時，數(shù)控銑床剛剛起步，人工調(diào)試打磨十分普遍。能夠手工改造的，絕不用數(shù)控銑床；但是，絲毫顧及不到手工變更型面是不可傳承和復(fù)制的。

⑶標(biāo)準(zhǔn)較低。那個年代，CAE 分析基本處于初級階段，精準(zhǔn)度較低。筋的再造全部采用補焊工藝，堆焊氣孔和裂紋較普遍，主機廠不得不讓步接收。

結(jié)束語

本文論述拉延模拉延筋增阻原理。車身模具開發(fā)過程及在用拉延模功能恢復(fù)，拉延筋免不了重構(gòu)，改變拉延筋方向使其再造更容易，拉延效應(yīng)同材恢復(fù)更便捷。如果沿用過去的設(shè)計結(jié)構(gòu)，拉延筋堆焊工藝出現(xiàn)大量氣孔和裂縫，導(dǎo)致拉延拉毛、拉裂、摩擦力增大；也因為焊材與母材的差別，模具表面強化處理受限。

時代在發(fā)展，技術(shù)在進步，國內(nèi)汽車模具飛速發(fā)展，質(zhì)量水平不斷提高，模具制造必須緊跟時代步伐，變革設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，才能滿足主機廠日益增長的模具及覆蓋件的質(zhì)量要求。變革拉延筋設(shè)計方向簡單易行，同材質(zhì)的拉延筋重構(gòu)必定深受主機廠青睞。

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