汽车覆盖件拉延起皱开裂的影响因素及控制措施.docx

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汽车覆盖件拉延起皱开裂的影响因素及控制措施

汽车覆盖件拉延起皱开裂的影响因素及控制措施

一、引言

以车身覆盖件为代表的冲压零件多由复杂的空间自由曲面组成，其成形时坯料上各部分的变形状态比较复杂,差别较大,各处应力也很不均匀，常出现破裂、起皱、波纹、扭曲、松弛、瘪塘等质量缺陷。

使得汽车覆盖件成为板料成形领域最难成形的零件。

拉延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、工艺性好的拉延件，才能保证在拉延过程中不起皱、不开裂或少起皱、少开裂。

在设计拉延件时不但要考虑冲压方向、压料面形状、拉伸筋的形状等可变量的设计，还要合理地增加工艺补充部分。

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延，还要满足该工序冲模设计和制造工艺的需要，并给下道修边、翻边工序创造有利条件。

二、覆盖件的结构特征与成形特点

1、覆盖件的含义

覆盖件主要指覆盖汽车发动机和底盘、构成驾驶室及构成车身的一些零件，如轿车的挡泥板、顶盖、车门外板、发动机盖、水箱盖、行李箱盖、骨架等。

覆盖件组装后构成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状，它既是外观装饰性零件，又是封闭薄壳的受力零件。

覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。

覆盖件表面一般都具有装饰性，除考虑好用、好修、好造外，要求美观大方。

覆盖件与一般冲压件的区别：

材料薄、形状复杂（多为立体曲面），结构尺寸大，尺寸精度高，因此冲压工艺编制、冲模设计、冲模制造工艺都有一些特殊的要求，冲压设计中常把他作为一种特殊类型研究。

2、覆盖件应满足的条件

1.良好的表面质量；

2.符合要求的几何尺寸和曲面形状；

3.要有足够的刚性；

4.良好的工艺性。

3、覆盖件主要冲压工序

覆盖件的主要冲压工序有:

落料、拉深、校形、修边、切断、翻边、冲孔等。

其中最关键的工序是拉深工序。

4、覆盖件的结构特征及成形特点

1）分类：

按功能和部位分类，可分为外部覆盖件、内部覆盖件和骨架件（结构件）三类。

外部覆盖件和骨架类覆盖件的外观质量有特殊要求，内部覆盖件的形状往往更复杂。

2）按成形性质分：

深拉深成形（油箱）、胀形拉深成形（翼子板）、浅拉深成形（外门板）、弯曲成形（支架、立柱）、弯曲成形（消音器隔板）。

3）特征：

和一般冲压件相比，覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为空间曲面且曲面间有较高的连接要求、结构尺寸较大、表面质量要求高、刚性好等特点。

4）成形特点：

（1）汽车覆盖件冲压成形时，内部的毛坯不是同时贴模，而是随着冲压过程的进行而逐步贴模。

（2）成形工序多。

覆盖件的冲压工序一般要4～6道工序，多的有近10多道工序。

拉深、修边和翻边是最基本的三道工序。

（3）覆盖件拉深往往不是单纯的拉深，而是拉深、胀形、弯曲等的复合成形。

不论形状如何复杂，常采用一次拉深成形。

（4）拉深时变形不均匀，主要成形障碍是起皱和拉裂。

为此，常采用加工艺补充面和拉深筋等控制变形的措施。

（5）需要较大和较稳定的压边力。

所以，广泛采用双动压力机。

（6）材料多采用如08钢等冲压性能好的钢板，且要求钢板表面质量好、尺寸精度高。

（7）制定覆盖件的拉深工艺和设计模具时，要以覆盖件图样和主模型为依据。

5）覆盖件的成形分类：

汽车覆盖件的冲压成形分类以零件上易破裂或起皱部位材料的主要变形方式为依据,并根据成形零件的外形特征、变形量大小、变形特点以及对材料性能的不同要求,可将汽车覆盖件冲压成形分为五类:

深拉深成形类、胀形拉深成形类、浅拉深成形类、弯曲成形类和翻边成形类。

三、覆盖件的主要成形障碍及其防止措施

由于覆盖件形状复杂，多为非轴对称、非回转体的复杂曲面形状零件，因而决定了拉深时的变形不均匀，所以拉深时的起皱和开裂是主要成形障碍。

1.起皱及防皱措施

原因：

覆盖件的拉深过程中，当板料与凸模刚开始接触，板面内就会产生压应力，随着拉深的进行，当压应力超过允许值时，板料就会失稳起皱。

防皱措施：

解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋。

2.开裂及防裂措施

原因：

是由于局部拉应力过大造成的，由于局部拉应力过大导致局部大的胀形变形而开裂。

位置:

开裂主要发生在圆角部位，开裂部位的厚度变薄很大如凸模与坯料的接触面积过小、拉深阻力过大等都有可能导致材料局部胀形变形过大而开裂。

防裂措施：

为了防止开裂，应从覆盖件的结构、成形工艺以及模具设计多方面采取相应的措施。

3.覆盖件的成形障碍的防止措施

（1）覆盖件的结构上，可采取的措施有：

各圆角半径最好大一些、曲面形状在拉深方向的实际深度应浅一些、各处深度均匀一些、形状尽量简单且变化尽量平缓一些等。

（2）拉深工艺方面，可采取的主要措施有：

拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大、合理的压料面形状和压边力使压料面各部位阻力均匀适度、降低拉延深度、开工艺孔和工艺切口等。

（3）模具设计上

可采取设计合理的拉深筋、采用较大的模具圆角、使凸模与凹模间隙合理等措施。

四、覆盖件冲压成形工艺设计

1、确定冲压方向

覆盖件的冲压工艺包括拉深、修边、翻边等多道工序，确定冲压方向应从拉深工序开始，然后制定以后各工序的冲压方向。

应尽量将各工序的冲压方向设计成一致。

1）拉深方向的选择

（1）拉深冲压方向对拉深成形的影响

凸模能否进入凹模、对破裂和起皱的影响等。

（2）拉深方向选择的原则

①保证能将拉深件的所有空间形状（包括棱线、肋条、和鼓包等）一次拉深出来，不应有凸模接触不到的死角或死区。

如图a），若选择冲压方向A，则凸模不能全部进入凹模,造成零件右下部的a区成为“死区”,不能成形出所要求的形状。

选择冲压方向B后,则可以使凸模全部进人凹模,成形出零件的全部形状。

图b）是按拉深件底部的反成形部分最有利干成形面确定的拉深方向,若改变拉深方向则不能保证90°角。

拉深方向确定实例

拉深方向确定实例

②有利于降低拉深件的深度。

拉深深度太深,会增加拉深成形的难度,容易产生破裂、起皱等质量问题；拉深深度太浅,则会使材料在成形过程中得不到较大的塑性变形，覆盖件刚度得不到加强。

③尽量使拉深深度差最小。

以减小材料流动和变形分布的不均匀性。

④保证凸模开始拉深时与拉深毛坯有良好的接触状态。

开始拉深时凸模与拉深毛坯的接触面积要大，接触面应尽量靠近冲模中心。

2、工艺孔和工艺切口

当覆盖件的中间部位或成双拉深的连接部位，由于拉深过程中不能从毛坯的外部得到材料的补充而导致零件的局部破裂时，可考虑在工艺补充的适当部位冲出工艺孔或工艺切口，使容易破裂的区域得到材料的补充，克服开裂现象。

工艺切口必须设置在容易破裂的区域附近，而这个切口必须布置在工艺补充上，修边线以外，在修边冲孔时将它们冲掉。

工艺切口一般在成形过程中切出，它可充分利用材料的塑性，即在成形开始阶段利用材料径向延伸，然后切出工艺切口，利用材料切向延伸，这样成形深度可以深一些。

在成形过程中切工艺切口时，并不希望切割材料与制件本体完全分离，切口废料可在以后的修边工序中一并切除。

否则，将产生从冲模中清除废料的困难。

工艺切口、工艺孔的布置及其大小和形状要视其所处的区域情况和其向外补充材料的要求而定。

一般应注意以下几点：

（1）切口应与制件局部形状相适应，以使材料合理流动。

（2）切口之间应留有足够的搭边，以使凸模张紧材料，保证成形清晰，避免波纹等缺陷，而且修边后可获得良好的窗口、翻边、孔缘质量。

（3）工艺切口在拉深过程中冲出时，要注意冲孔的时间，如果过早切口会使拉深件出现皱纹；太晚则达不到切口的目的。

（4）切口或冲孔的数量、大小和形状，要根据所处的位置和变形要求，通过试料来确定。

（5）切口的切断部分应临近容易破裂的区域，使各处材料变形趋于均匀，否则不一定能防止裂纹产生。

3、压料面的选择

在复杂曲面大型零件的拉深与成形中，在模具上都要设有压料面。

压料面是工艺补充部分的一个组成部分，即凹模圆角半径R凹以外的一部分。

凸模对坯料开始拉深前，压料圈将拉深坯料压紧在凹模压料面上。

压料面的形状不但要保证压料面上的材料不皱，而且应尽量造成凸模下的材料能下凹以降低拉延深度，并保证拉入凹模里的材料不皱不裂。

图3-1压料面与拉深方向

的相对位置

1-压料圈2-凹模3-凸模

压料面一般有两种：

一种是压料面就是零件本身的法兰面，另一种则是由工艺补充部分而形成，压料面的形状多数是曲面的。

选择压料面的原则：

1）压料面应尽量平整，不能有鼓起、凹坑和皱褶，在坯料被压紧时，应不产生折皱。

2）压料面应尽量处于水平位置。

这样有利于金属流动，便于拉深工作，如图3-1所示。

图3-2压料面展开长度

与凸模表面展开长度比较

3）压料面应与凸模的形状保持一定几何关系，保证在拉深过程中，坯料始终处于张紧状态，并能平稳地、逐次地包拢凸模，以防产生裂纹及皱纹。

因此压料面在展开后应保证如下关系：

L>L1β>α

图3-3压料面形状

式中L——凸模表面展开长度；

L1——压料面展开长度；

α—凸模表面夹角，α<180°；

β—压料面平面夹角，β<180°。

如图3-2所示为压料面展开长度比凸模表面展开长度短（L>L1）示意图。

这样凸模对毛坯可以拉深，但还不一定保证最后不形成波纹及起皱。

如图3-3所示的压料面形状，虽然L>L1，但压料面夹角β比凸模表面夹角α小，因此凸模从开始拉深到最后的过程中，几个瞬间位置的压料面展开长度比凸模表面展开长度长，形成的皱纹比较大。

故这样的压料面是不能采用的。

故防皱条件是：

L>L1及β>α。

若不能满足这一条件，要考虑改变压料面，或在拉深件底部设置筋或反成形形状吸收余料。

4）压料面应使成形深度小且各部分深度接近一致。

这种压料面可保证各部分进料阻力均匀，使材料流动和塑性变形趋于均匀，减小成形难度。

进料阻力不均匀，在拉深过程中毛坯可能沿凸模顶部窜动，严重时会产生破裂和皱纹。

而达到进料阻力均匀的一个前提条件就是拉深深度均匀。

5）压料面应使毛坯在拉深成形和修边工序中都有可靠的定位，并考虑送料和取料的方便。

在实际工作中，上述各项原则不能同时达到时，应根据具体情况决定取舍。

4、工艺补充形状

覆盖件的形状复杂，结构不对称，为了获得成形性良好的拉延件，有时需将覆盖件上的翻边展开，将孔补满，再加上工艺补充部分使覆盖件形成一个封闭的零件，通过这些措施，使覆盖件的成形条件得到改善，从而保证覆盖件的拉延质量。

但是，因为拉延后要将工艺补充部分修掉，所以要在能够拉延出满意的拉延件的条件下，尽可能地减少工艺补充部分，降低材料消耗。

1）拉延台阶的设定

拉延台阶属于工艺补充设计的一个重要内容，它具有以下作用：

（1）若按覆盖件凸缘设定压料面，就可能使压料面凸凹不平，当深度差剧烈时，会出现开裂、起皱现象，设定拉延台阶，可获得加工性良好的压料面，利于成形质量。

（2）对于一些覆盖件，其侧壁易出现体皱纹，滑伤、冲击线、翘曲、松弛等缺陷，解决这些缺陷的办法，一般是通过拉延台阶，使材料充分变形。

（3）在后工序中，零件次村往往在修边时，零件与模具形状不易重合，设定拉延台阶有利于零件定位，同时可将那些需要斜锲修边的地方，改成垂直修边。

2）拉延台阶高度和宽度的关系

图4-1表示了拉延台阶在拉延过程中的情况：

W>H：

即拉延台阶宽，其效果减弱，故易出现冲击线和滑伤。

W≈H：

为理想的拉延台阶。

W

即拉延台阶相对于深度大，材料在凸模与凹模的约束中，会在加工是出现破裂。

图4-1拉延台阶高宽关系

五、覆盖件成形模具的典型结构和主要零件的设计

1、覆盖件拉深模

1）拉深模的典型结构

覆盖件拉深设备有单动压力机和双动压力机，形状复杂的覆盖件必须采用双动压力机拉深

根据设备不同，覆盖件拉深模也可分为单动压力机上覆盖件拉深模和双动压力机上覆盖件拉深模。

（如图所示）所示分别为单动压力机上和双动压力机上覆盖件拉深模的典型结构示意图。

图1单动压力机上覆盖件拉深模图2双动压力机上覆盖件拉深模

2）拉深模主要零件的设计

（1）拉深模结构尺寸

由于覆盖件拉深模形状复杂，结构尺寸一般都较大，所以凸模、凹模、压边圈和固定座等主要零件都采用带加强肋的空心铸件结构，材料一般合金铸铁、球墨铸铁和高强度的灰铸铁（HT250、HT300）。

（2）凸模设计

除工艺补充、翻边面的展开等特殊工艺要求部分外，凸模的外轮廓就是拉深件的内轮廓，其轮廓尺寸和深度即为产品图尺寸。

凸模工作表面和轮廓部位处的模壁厚比其它部位的壁厚要大一些，一般为70～90（如图1、图2）。

为了保证凸模的外轮廓尺寸，在凸模上沿压料面有一段40～80的直壁必须加工（如图3）。

为了减少轮廓面的加工量，直壁向上用45°斜面过渡，缩小距离为15～40。

图3凸模外轮廓

（3）凹模设计

拉深毛坯是通过凹模圆角逐步进入凹模型腔，直至拉深成凸模的形状。

凹模结构可分为闭口式凹模结构和通口式凹模结构。

闭口式凹模结构的凹模底部是封闭的，在拉深模中，绝大多数是闭口式凹模结构。

如图4所示为微型汽车后围拉深模，该模具采用的是闭口式凹模结构，在凹模的型腔上直接加工出成形的凸、凹槽部分。

图5是汽车门里板拉深模。

模具的凹模底部是通的，通孔下面加模座，反成形凸模紧固在模座上。

这种凹模底部是通的凹模结构称为通口式凹模结构。

1、7-起重棒；2-定位块；3、11-通气孔；4-凸模；5-导板；6-压边圈；

8-凹模；9-顶件装置；10-定位键；12-到位标记；13-耐磨板；14-限位板

图4采用闭口式凹模结构的微型汽车后围拉深模

1、7-耐磨板；2-凹模；3-压边圈；4-固定板；5-凸模；6-通气孔；8-下底板；

9-拉深筋；10-反成形凸模镶块；11-反成形凹模镶块；12-顶出器

图5采用通口式凹模结构的汽车门里板拉深模

（4）拉延筋技术

1）拉延筋的作用

拉延筋是板料拉深成形中的主要控制手段之一，较之其它控制手段具有简单方便，易于实现等优点。

它能更加稳定、有效、灵活、均匀地控制压料力。

随着冲压制件的复杂程度和难度的不断增加，拉深筋的设置和调整已成为拉深模具设计及试模过程中的关键技术。

其作用描述如下:

a.增加进料阻力。

拉延筋阻力是由坯料通过拉延时的弯曲反弯曲变形力、摩擦力以及因变形硬化引起的再变形抗力增量二部分组成的。

如图6所示,板料流经拉延筋时,在点1到点6之间发生了弯曲、回复、弯曲的反复变形,这些变形所需要的变形力加上筋与板料表面的摩擦力都直接作用在板料上,增加了板料流动的进料阻力。

拉延槛也是拉延筋的一种,由于其弯曲更剧烈,所以其进料阻力大得多,更适用于曲率较小、平坦的或深度小的覆盖件,使板料成形不仅靠压边圈外材料的流入与补充,更依靠材料本身的塑性变形来成形。

图6　板料流过半圆筋所发生的形变

b.调节进料阻力的分布。

通过对拉延筋的位置、根数和形状的适当配置,使拉延过程中各部分流动阻力均匀,坯料流入模腔的量适合制件各处的需要,从而调节材料的流动情况,增加坯料流动的稳定性。

c.降低对压料面精度的要求。

不用拉延筋时,压料面表面精度要求较高,即要求平整、光滑、贴合、均匀。

使用拉延筋后,压料面间隙可适当加大,表面精度可适当降低,从而减少模面制造工作量,减少压料面的磨损。

d.增加零件的刚性。

通过增加径向拉应力,促使板料承受足够的拉胀成形,对于大曲面平坦零件成形时易出现的松弛回弹及波纹等缺陷,设置筋（槛）可产生很大的径向拉应力使材料充分变形,减少由于变形不足而产生的回弹、松弛、扭曲、波纹、收缩等。

e.提高零件表面质量。

可防止因凸缘周边材料不均匀流动造成的不可避免产生的皱纹进入修边线内,减轻或消除大底角筒形件、球形件、锥形件等零件（凸凹模之间有较大的间隙）中间悬空部分因材料集中发生的内皱现象。

f.合理设置拉深筋可在一定程度上降低对压床吨位的需求。

通过增加胀形成分和增大进料阻力,可减小板料外形尺寸,提高材料利用率。

g.稳定生产,降低废品率。

使用拉延筋可建立所需的应力状态,增大径向拉应力,减小切向压应力,减少由于起皱、压边力以及板料厚度变化等原因而产生的废品,使拉延过程稳定。

h.对板料有校整作用,纠正坯料的不平整缺陷,提高材料的拉延性能。

2）拉延筋的种类、结构形式与设置

拉延筋的种类与结构形式在相关资料中有详细的描述。

相对而言,拉延筋的设置,包括筋的大小、位置、根数等,更能影响到拉延筋所起的作用,而拉延筋的设置也正是根据希望它要起到的作用来完成的。

概言之,就是在需要增加和调节进料阻力的地方设置拉延筋。

设置筋应注意以下几点:

a.零件压料后应保证不起外皱、不起内皱、不拉裂。

b.如图7所示,考虑到筋所处位置的形面形状、后续模具结构的合理性,当筋的位置处在平坦部位时,一般按图7（a）设置。

当筋的位置处在形面时,考虑到修边模的凹模刃口,一般按图7（b）或图7（c）所示设置。

对于深拉延件,其侧壁易出现波纹,应使拉延筋离凹模口远一些,从而在一定程度上使经过拉延筋的坯料在流入凹模口前被校平。

（a）（b）（c）

图7　拉延筋的位置

c.在绝大多数情况下,拉延筋（槛）的走向要与坯料流动方向垂直,但在某种情形下,筋的走向可与坯料流动方向成一定角度或平行于坯料流动方向,以防止走料过程中的窜料或厚度变化转移。

d.考虑到拉延的经济性,采用最小可行的筋边距和筋间距,但如果对材料利用率没有影响,拉延筋位置应取大一些。

e.对外覆盖件,筋的位置应设置在拉延筋拉痕不会影响产品的位置上。

f.考虑到制造维修的方便性,应尽可能采用整体筋,在本体上直接加工出来。

在不能事先设定拉延筋具体位置时,可采用镶筋。

以便于调试时的变更。

在平的压料面上最好采用镶筋结构,可望将压料面的数控铣加工改为磨削加工,减少加工成本。

g.拉延筋的高度变化应注意缓慢过渡。

比如在圆角区的拉延筋高度为1～3mm,从圆角结束位置处,在40mm范围内,缓慢变成一般位置拉延筋的高度。

在拉延筋的端头,筋的高度渐变至0的过渡区段应在30mm长左右,且端头在平面以圆角收尾。

在调整时,拉延筋槽可以加深,但必须保证槽宽。

h.对于多排的拉延筋,应使筋的高度有所变化。

随着坯料从外向里流入,在伸长变形区和直线弯曲变形区,料厚变薄,压料面间隙相对增大,减小了压料力,或料厚虽无明显变化,但随着坯料的流动压料面减少,压料力也相应减少,应使筋的高度由外向里逐渐增高,使筋的进料阻力由小到大,以补偿压料力的减少。

而对于压缩变形区材料在流动过程中料厚有增大的趋势,使压料面间隙相对减少而增大了进料阻力,此时使多排筋的高度由外向里逐渐降低,以适应压料力的变化。

i.为便于模具调试维修,不论是单动拉延还是双动拉延,原则上将拉延筋设置在上模上（上模为凸筋）,而将拉延筋槽做在下模,因为调试拉延模时拉延筋一般不打磨,拉延筋槽做在下模便于研配,也便于放料,与拉延筋槽做在上模相比,它的抑制力较弱，而且易出现翘曲的缺陷。

如图8,在情形（a）时,材料的弯曲变形在R1、R2处相抵消,拉延侧壁的翘曲小。

在情形（b）时，没有拉延筋，凹模口R的弯曲变形仍然残留，侧壁会产生翘曲。

在情形（c）时，R1、R2的弯曲变形属同一方向，翘曲更严重。

所以有时候拉延筋距凹模口的距离要适当大一些，特别是对于深拉延件的侧壁易出现回弹时更要如此，使坯料流过拉延筋后再经过一段被校平的区域。

（a）（b）（c）

图8　筋对翘曲的影响

j.拉延筋一般设置在压料面上,但根据它所起的作用,在某些场合亦可设置在其它需要的地方。

比如:

①在深斜拉延侧面上，容易出现波浪，可用或横或竖之闲筋以消之。

②在拉延件中，若有较深的反拉延时，在反拉延凹模口外边的材料，容易起皱，应视必要和可能而设置内筋以舒皱，即在凹模口以内设置拉延筋,如图9所示，在主拉延面上设内筋，并在反拉延面上也设内筋，只要在主拉延面与反拉延面上的内部闲筋互相配合恰当，便能起到舒平防皱的效果。

图9　内筋

③鞍形拉延件中部易起皱。

同样可以用内筋舒皱,但产品应允许有筋存在。

k.对空间曲面变化小的浅拉延件，若后续工序件需用拉延筋（槛）定位，设置拉延筋（槛）位置时要考虑后续定位块结构尺寸，修边凹模强度等，还要使定位稳定可靠。

3）拉延筋的局限性

作为冲压成形的控制方法,拉延筋并不是唯一的措施。

在实际生产中必须根据零件的几何形状及精度要求等方面的情况灵活地采取各种不同的方法解决其成形的问题。

拉延筋的局限性如下:

a.必须依赖于足够的压边力才能使拉延筋起作用。

当压边力不足时，在压边圈与凹模面接触的过程中，拉延筋自身成形不足，不仅不能增加材料流动的阻力，随着材料向里流动，凸缘面将产生皱纹，皱纹产生的阻力及皱纹通过筋时的反作用力会导致压边圈上浮，皱纹还将拉毛模面。

另外即使压料时筋的成形充分，如果压边力不足，材料通过筋时的反力也会造成压边圈上浮。

生产过程中常常出现气压不足或波动等引起压边力不足而造成废品率上升的现象。

因此使拉延筋起作用的必须条件是:

①初始压力足以使筋成形。

②确保在板料流入凹模的全过程中，随着材料硬化加剧引起弯曲力不断上升，使筋不被抬起。

b.当零件对称变形或者变形接近均匀及不需要很大的胀形成分等情况下，不设置筋而采用平面压边形式。

c.材料的相对厚度大时，不用拉延筋甚至不用压料。

d.多次拉延时，一般只在最后一次拉延时设置拉延筋。

e.需借助数字仿真分析软件对拉延筋的设置及更改作出快速评估，减少物理试模，降低制造成本，缩短制造周期。