淺拉延技術(shù)在汽車覆蓋件沖壓工藝上的應用

文/葉夢彬·廣汽乘用車有限公司

本文基于對淺拉延技術(shù)的實際研究和應用經(jīng)驗，介紹了淺拉延工藝在汽車覆蓋件沖壓工藝設計上的優(yōu)點，總結(jié)了幾個淺拉延工藝設計的做法，并針對淺拉延工藝可能產(chǎn)生的問題，如剛性不足、滑移等，提出了一系列處理對策。

汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對汽車的造型要求越來越高，對沖壓工藝技術(shù)的要求也越來越高，對成本的要求也越來越高，給沖壓工藝技術(shù)帶來了一個個新的挑戰(zhàn)。新產(chǎn)品的造型，降成本的要求，促使我們技術(shù)上不斷地創(chuàng)新。淺拉延技術(shù)成了汽車覆蓋件沖壓技術(shù)研究的方向之一。淺拉延通過降低汽車覆蓋件的拉延深度，能減小拉延的難度，有利于提高材料利用率，降低沖壓成本。本文基于對淺拉延技術(shù)的實際研究和應用經(jīng)驗，對淺拉延技術(shù)的優(yōu)點，設計要點，可能產(chǎn)生的問題及處理對策做個分享。

淺拉延技術(shù)

汽車沖壓淺拉延技術(shù)是指減小板料拉延深度并獲得合格的產(chǎn)品質(zhì)量的汽車覆蓋件沖壓技術(shù)。這一技術(shù)其實早就有應用，只是以前沒有作為一個相對獨立的工藝技術(shù)進行分類和研究。日系汽車廠普遍采用的門外板拉延工藝(圖1)、頂棚的拉延工藝，由于采用了方形拉延筋對材料進行鎖止拉延，沒有采用國內(nèi)自主品牌汽車廠普遍使用的半圓筋拉延工藝，拉延深度就明顯比自主品牌汽車廠的門外板、頂棚拉延深度小。這其實就是一種淺拉延技術(shù)。

圖1 采用方筋拉延的門外板

從圖1 可以看出，采用方筋設計的門外板拉延工藝，拉延深度明顯較淺。而國內(nèi)門外板等零部件早幾年普遍還在采用半圓筋拉延，拉延深度較深。

對于同一種沖壓件，如果通過工藝分析，使板料能夠通過一種拉延深度比過去的工藝方案淺，獲得合格的產(chǎn)品的工藝技術(shù)，這就是一種淺拉延技術(shù)，可以歸類于淺拉延技術(shù)的應用。

淺拉延技術(shù)的優(yōu)點

可以提高材料利用率

淺拉延由于拉延深度淺，最直接的作用是可以減少板料流入，減小坯料尺寸，提高材料利用率。

如圖2 所示，當門外板采用半圓筋拉延時，由于是半圓筋，拉延時材料會產(chǎn)生流入，為了提高零件的剛性，需要適當加大拉延的深度、拉延工序做較大的工藝補充，這兩個原因造成材料需求增加。使用半圓筋拉延，材料的邊緣一般不能進入半圓筋內(nèi)，以拉延后材料邊線保持在半圓筋外5 ～20mm 范圍為宜，也增加了對材料的需求。采用半圓筋材料的利用率相對會低一些。

圖2 門外板采用半圓筋拉延工藝示意

采用方形筋拉延工藝(圖3)，可以提高材料的利用率，有效減少對板料的需求，降低單臺車成本。由于拉延筋對板材的鎖止作用，拉延過程中基本不存在材料流入，材料只發(fā)生了張拉形變，屬于一種不完全的脹形成形工藝，材料需求少。淺拉延工藝補充面根據(jù)需要設計，沒有采用半圓筋的工藝補充大，沖壓廢料少。方筋拉延時，板料只需要保證拉延完成之后板料邊緣在方筋之外5mm 左右即可，壓邊廢料可以大為減少。

圖3 門外板采用方形筋拉延工藝示意

對于采用半圓筋的拉延件，淺拉延就是控制拉延深度，減少工藝補充。如側(cè)圍和翼子板的淺拉延工藝，采用的拉延筋都是半圓筋。

側(cè)圍通過淺拉延工藝，拉延深度可以減少30 ～50mm(圖4)，材料利用率可以提高1%～2%，單臺成本可以降低十多元。翼子板采用淺拉延工藝(圖5)，拉延深度也可以減少30 ～50mm，材料利用率可以提高2%～3%，節(jié)約的材料可以降低單臺成本3 ～5 元。

圖4 側(cè)圍的淺拉延和深拉延的對比

圖5 翼子板的淺拉延工藝

可以改善工藝

成形深度越深，材料流動距離越長，起皺、開裂、拉傷的風險越高，成形難度越高。采用淺拉延工藝，拉延成形深度淺，不易起皺開裂，拉延相對就穩(wěn)定很多。淺拉延材料流入距離相對較小，有利于減少角部起皺、材料流入距離較大區(qū)域的拉傷風險，工藝能獲得明顯改善，可以提高成形穩(wěn)定性。

有利于銳棱件的成形

由于車身精致化和造型更美觀的需要，當前越來越多的車型外板采用銳棱造型(圖6、圖7)，棱線R角＜6.5mm，甚至號稱達到R0。采用銳棱設計的外板件，成形時極容易產(chǎn)生嚴重滑移(除非棱線在后序整出來)。為了解決滑移和開裂，有的廠家采用了拉延后整形的工藝，增加了工序數(shù)，增加了成本。而淺拉延技術(shù)是最直接、最有效、成本最低的降低銳棱件品質(zhì)風險的對策。淺拉延工藝由于拉延深度淺，材料流動距離相對較小，滑移的距離也相對較小，有利于防止和減少嚴重滑移的發(fā)生。當然在使用淺拉延工藝控制滑移時有時還需要結(jié)合一些其他工藝對策，比如沖壓方向，但是減少拉延深度是降低銳棱件品質(zhì)風險最重要的對策之一。

圖6 采用銳棱的門外板

圖7 門外板的淺拉延

降低后序的工藝難度

淺拉延工藝可以減少后序模具的工藝難度，如側(cè)圍，采用深拉延必須斜切邊的，淺拉延可以改為正切邊(圖8)，模具結(jié)構(gòu)更簡單可靠。淺拉延廢料相對較小，有利于切邊的排廢料，降低卡廢料風險，提高生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率。

圖8 深拉延和淺拉延切邊工藝對比

可以減少脫鋅的產(chǎn)生

只要用到鍍鋅鋼板進行沖壓，板料發(fā)生脫鋅是生產(chǎn)中多多少少都會發(fā)生的(圖9)。采用淺拉延工藝，材料流動距離相對深拉延要短，脫鋅相對會較少。淺拉延技術(shù)可以有效減少脫鋅的產(chǎn)生，有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少抹模次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。

圖9 板件脫鋅局部狀態(tài)

淺拉延工藝的設計應用

要設計淺拉延工藝，需要做到以下幾點。

⑴壓料面盡量采用隨形設計，減少工藝補充，降低拉延深度。淺拉延工藝，采用壓料面的隨形設計，有利于材料的流入平衡，也可以減少工藝補充，降低拉延深度，降低材料的廢料率。常規(guī)拉延和淺拉延的工藝對比如圖10 所示。

圖10 常規(guī)拉延工藝和淺拉延工藝的對比

⑵切邊線可以放在壓邊面上，或者略高、略低于壓料面。切邊線可以放在壓邊面上，或者略高、略低于壓料面，可以最大限度的減少材料廢料率，提升材料利用率。

⑶盡量減少工藝補充，減小工藝補充包，降低工藝補充面高度。工藝補充對材料利用率有重要的影響，工藝補充越多越大，材料利用率越低。

⑷如果可以，盡可能采用方筋設計，如果不行也要盡量采用鎖料效果更強的拉延筋設計。由于淺拉延工藝材料的變形程度一般偏低，采用鎖料效果更好的拉延筋，有利于增大拉延工藝材料的變形率，提升零件剛性。

⑸充分利用CAE 進行分析，預測變形不充分導致的剛性不足、滑移、沖擊線風險，提前對應制定對策。充分利用CAE 進行分析，充分的發(fā)現(xiàn)淺拉延的各種質(zhì)量問題，將問題更多、更早的暴露出來并加以解決是我們工藝獲得成功的保障。因此，在淺拉延工藝中，應利用CAE 模擬分析來預測可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，并提前采取措施加以控制和解決相應的問題。

淺拉延可能帶來的問題及對策

淺拉延技術(shù)的應用也可能產(chǎn)生一些新的問題。淺拉延工藝帶來的主要問題是容易發(fā)生剛性不足和局部的滑移問題。

淺拉延的剛性不足及其對策

由于淺拉延的拉延深度低，材料容易出現(xiàn)局部流動較小，板件變形量較小，局部變形不足而產(chǎn)生剛性不足。根據(jù)經(jīng)驗，拉延材料變薄率在4%以上時，材料的塑性變形較充分，零件的剛性較好(圖11)。

圖11 翼子板淺拉延變薄率

提高淺拉延件剛性的對策有：

⑴增加拉延鎖邊力。如果采用淺拉延工藝后產(chǎn)品整體出現(xiàn)剛性不足，可以增加拉延鎖邊力，減少材料流入，提高產(chǎn)品的剛性。增加拉延鎖邊力可采用方筋或者梯形筋，如門外板、發(fā)蓋外板、頂棚等。采用方筋的模具，拉延材料流入基本上被鎖死，成形類似于不完全的脹形變形，材料不流入，靠拉長材料完成成形，材料變形較充分，變形率較高。

⑵加大拉延深度。如果通過減少材料流入剛性還是無法達成目標，比如一些商務車，門外板巨大而造型平整(圖12)，板料很難全面拉開，應盡可能在方筋的基礎上加大拉延深度獲得可以接受的零件剛性。加大拉延深度要注意方案細節(jié)，否則不一定能獲得滿意的效果。

圖12 某巨大的后門外板的剛性分析

⑶修改產(chǎn)品局部設計或者修改局部工藝補充。如果是局部剛性不足，可以修改產(chǎn)品局部設計或者修改局部工藝補充的設計，提高產(chǎn)品剛性。

⑷允許存在少量不影響品質(zhì)的變形率不足。有些零件大而造型復雜，尖點多，不同部位高度差大，不管采用深拉延還是淺拉延，也不管采用什么對策，還是會存在一定范圍內(nèi)的變形率不足。在不影響整體剛性品質(zhì)的前提下，可以允許一定范圍內(nèi)的變形率不足存在(圖13)。

圖13 某尾門外板和某側(cè)圍后翼子板的剛性分析

淺拉延的滑移及其對策

滑移一般發(fā)生在拉延的小圓角棱線部位。在拉延成形過程中，棱線位置凸模圓角首先觸料，當棱線R較小時(一般認為小于25 倍料厚)，棱線部分材料產(chǎn)生變形硬化，硬化痕跡隨著成形過程發(fā)生移動滑出圓角范圍，從而在制件外表面產(chǎn)生滑移。滑移是不可完全避免的。當滑移距離大于一定距離(5mm)時，如果接觸應力也大于一定值(鋼板屈服強度的10%)，涂裝后滑移線將會比較明顯，影響外觀品質(zhì)。

解決淺拉延滑移的對策有：

⑴調(diào)整壓料來調(diào)整材料的流入，縮小滑移距離，使滑移距離在5mm 以內(nèi)；

⑵調(diào)整局部拉延變形的強度(如放大局部棱線R)降低滑移位置的接觸應力，使接觸應力小于鋼板屈服強度的10%；

⑶調(diào)整沖壓方向來調(diào)整材料的流入，控制調(diào)整滑移距離；

⑷做大工藝補充以改變觸料，來調(diào)整局部滑移線接觸應力，使接觸應力小于鋼板屈服強度的10%。

淺拉延工藝在工藝分析階段要充分使用Autoform 分析軟件模擬全工序的成形過程，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量缺陷，采取工藝更改措施，在分析階段加以解決。

結(jié)束語

淺拉延技術(shù)是一種降成本和技術(shù)升級非常好工藝手段，在內(nèi)外板的沖壓中都可以應用。隨著沖壓工藝技術(shù)的發(fā)展，相信淺拉延技術(shù)在將來會得到進一步的發(fā)展，在汽車覆蓋件沖壓方面的應用也會越來越成熟和廣泛。