汽车冲压件的工艺分析及应用

GXF360 2017-12-30

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汽车冲压件的工艺分析及应用

文/杨庆波·一汽轿车股份有限公司

冲压加工是金属塑性加工的基本方法，是靠冲压设备和模具实现对板料毛坯的塑性加工过程。冲压加工方式是一种高生产率、低耗材的加工方法。产品具有较高的尺寸精度，互换性好，且操作简单易于实现机械化和自动化，因此在机械加工各个领域已经得到了广泛的应用。

本文重点介绍了冲压工艺设计阶段应考虑的相关因素，对零件成形过程中工艺孔和工艺补充的应用进行描述和分析，对结构特殊零件模具结构改进进行分析，应用TD技术解决厚板复杂结构零件拉毛问题，提高生产效率和延长模具寿命。

冲压产品工艺性

在冲压件的工艺分析中，应该重点研究冲压产品的工艺特性。冲压件的工艺性包括冲压件的形状与尺寸精度是否能够用冲压加工方法完成；能否应用最简单、方便的冲压工艺方法制造完成。要对冲压产品进行工艺设计，首先要根据产品图纸对冲压件进行工艺性分析，其中主要是分析在不影响产品性能和使用的前提下，产品对冲压工艺的适应性。一般情况下，对冲压工艺影响最大的是零件的几何形状和精度要求。良好的冲压工艺性能省料、省工序，模具易加工且寿命高，操作安全方便，产品质量稳定，经济效益好。

汽车冲压工艺一般以拉延工艺、弯曲工艺、冲裁工艺为主，掌握这三种典型冲压工艺的要求，以便在冲压工艺设计之初就提出对产品设计的改进要求。

⑴拉延工艺。拉延件凸缘与侧壁的圆角半径R及底部与侧壁的圆角半径R应尽量放大，圆角半径大，能够使零件容易拉延成形；拉延件应尽量对称或采取左右对称的拉延件；以便成双拉延，然后切开为两件。

⑵弯曲工艺。弯曲时应防止孔的变形，孔边与弯曲处应有适当距离，以避免孔的变形，否则，应先压弯后冲孔；弯边长度不易过小；压弯件应尽量考虑工艺孔定位和成双压弯，以改变受力情况。

⑶冲裁工艺。形状应尽量能使材料合理排样，减少废料；直线或曲线连接处应有适当圆角，以利于模具的制造、维修和使用；避免过长的狭长外形；孔径及孔距应符合最小尺寸要求。

汽车冲压工艺分析及应用

合理设置工艺孔

为解决成形中外部材料无法进行补充带来的问题，可以采取在拉伸毛坯的适当位置预冲出工艺孔，或拉伸过程中在局部变形区的适当位置冲切工艺切口。工艺孔大小应适中，孔太大，成形时顶部拉应力变小，容易造成翻孔现象；孔太小，顶部拉应力不能充分缓解，材料不能充分流入补充，则会造成顶部孔周边开口或圆角处缩颈。

如某车型—支座构件（图1），在一序落料后二序为拉延成形工序，其成形深度为72mm。在拉伸过程中，零件内孔被内工艺补充材料封闭，形成拉伸件内部反成形形状。这部分形状的成形不能靠外部材料进行补充，只能靠该部位毛坯的胀形（即厚度变薄）来实现面积的增大。从而使这部分材料在冲压成形过程中容易出现破裂，且裂纹容易扩展到修边线以外（即冲压件上），甚至整个破裂都发生在冲压件上。同时在拉延成形中，毛坯在凸模圆角处一直承受着材料延展的拉应力，并且还受到凸模圆角的压应力，使这部分材料变薄最为严重。

图1 某车型—支座构件

只做构件的产品，分析后决定在一序落料工序件对角预冲出1个φ12mm和1个φ15mm的工艺孔（图2）。这样，可以使成形区内部材料向外补充，因而减少危险区的拉应力，使容易破裂的区域的变形情况得到改善，同时可以从相邻区域里得到材料补充，避免破裂的发生。同时，这两个工艺孔还可以作为下道工序的定位使用。实践证实，该方法有效解决了产品拉延工序局部材料易破裂的问题。

因此，对于一些拉伸深度较深或胀形变形较大、容易产生破裂的部位，若正好存在内工艺补充部位，则应在拉伸工序中考虑增加工艺孔或工艺切口来改变毛坯的变形程度，消除破裂因素。

图2 构件上的工艺孔

合理设置工艺补充

工艺补充是指为了顺利拉伸出合格的制件、在冲压件的基础上添加部分材料。工艺补充不仅对拉伸成形起着重要影响，而且对后序修边、整形、翻边等工序的进行也有很大影响。在拉伸复杂曲面制件时，当其拉伸件带有很深的凹坑或有较大的凸起及鼓包时，在拉伸成形时，往往由于不能从坯料的外部得到材料的补充而造成零件的局部破裂。这时，为了避免这种现象，就需要考虑在成形工序前的预成形过程中预留出部分工艺补充材料，使容易破裂的区域从工艺储备材料中得到材料的补充。

图3为某车型底盘产品右/左框架加强板，产品局部存在较深的成形凹坑，该位置的成形过程中材料流入量不足以形成零件的既定形状，零件的成形主要是依靠材料的局部变薄而成形。在成形时凹坑顶部圆角变形区材料同时承受双向拉应力，径向产生伸长变形，导致厚度减薄，超过材料变形承担时，导致凹坑顶部破裂（图4）。

在不能靠外部材料的流入来补充的情况下，这时为减少顶部变形区拉应力，在第一道工序预拉伸时在后序凹坑位置处，预成形出一个中心凸起的工艺材料补充鼓包（见图5），使材料充分储备。该工艺补充在二次成形时使用，可以解决外部材料流入量不足而产生制件开裂的问题。在预留工艺材料补充时，如果该工艺补充在第一次凸起预成形中，凸模圆角半径过小，储备的材料不足，使该工艺补充在最终成形工序中过早参与了变形，导致顶部材料减薄，也会造成凹坑处破裂。

图5 工艺材料补充鼓包

模具结构改进

常见的U形零件如果左右两侧同时需要修边时，为保证操作的方便，使产品生产中能实现上下自如的取放件操作，模具上通常采用两侧斜楔机构进行同时修边。如某车型底盘零件—左右固定架第三序修边工序，就采取了双侧斜楔同时修边模具结构，如图6所示。

图6 双侧斜楔同时修边模具结构

1-凹模 2-凸模 3-斜楔 4-后挡块 5-凸模固定板

但上述结构的模具在生产中发现局部修边凸凹模镶块经常出现崩刃现象，使产品产生倒向凹模内侧的毛刺，而该毛刺又使制件卡在凹模上难以被取出。分析原因为该产品形体偏细高，其修边凹模镶块工作中受到不断振动后难以可靠固定在下模座中。同时由于制造精度的原因及生产中经常需维修两侧凸模，导致斜楔机构凸模无法保证，同时接触制件和凹模并进行修边，而这种不同步更是加剧了凹模镶块在生产中受到的振动，使凸、凹模产生崩刃现象，从而产生毛刺。因此，对于这种类型产品，通常采用的双侧斜楔修边模具结构不但无法实现方便的操作，还使产品产生毛刺，同时导致模具需要频繁拆卸维修，无法保证正常生产。

为保证产品质量，解决左右固定架在生产中出现的上述问题，现对该产品三序修边模具进行结构改进。取消了斜楔侧修机构，改为一般的上下垂直冲压方向，同时将两侧斜楔修边的模具结构改为在一套模具中实现先修一边后再修另一边的双槽模具结构（图7）。

该模具结构将原模具复杂的两侧斜楔机构修边改为通常的上下方向垂直修边，简化了模具结构，使模具维修更方便；同时消除了原模具中凹模镶块难以固定和斜楔不同步而产生的振动问题，使产品不再产生毛刺，实现产品正常的生产操作。该实例为类似零件的冲压工艺提供了借鉴的依据，并提出了解决类似产品问题的新思路。

图7 先修一边后再修另一边的双槽模具结构

复杂成形工艺中TD新技术的应用

图8为某车型副车架—左右纵臂，其形状十分复杂，型面和尺寸精度要求均较高，且料厚达到3.4mm。因此，尽管其第三序成形模具镶块热处理后硬度已达到58～62HRC，但由于在产品成形过程中模具凹模局部R角位置受到剧烈摩擦，导致模具凹模表面频繁产生拉毛甚至积瘤，极大降低了凹模表面光洁度，使材料在沿凹模表面滑动过程中受到较强的阻力，在成形最深的圆窝位置产生缩颈甚至破裂现象。在经过全面了解和比较后，认为可以采用一种模具表面超硬化处理新技术，即TD覆层处理技术（图9），以解决上述产品和模具出现的问题。

图8 某车型副车架—左右纵臂

TD模具表面超硬化处理技术是采用金属碳化物扩散覆层原理，在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及其特种介质中，通过特种熔盐中的金属原子和工件中的碳、氮原子产生化学反应，扩散在工件表面而形成一层几微米至二十余微米的钒、铌、铬、钛等金属碳化层。

图9 采用TD涂层技术镶块

TD覆层处理技术具有以下技术特点：①模具表面硬度大大提高，全面解决磨损、拉毛等现象；同等工况下，使用寿命平均提高十倍以上。②与基体冶金结合，表现出最优异的抗剥离性，可反复处理。③不论工件形状如何，都能形成均匀的被覆层，处理过程中模具变形较小。④被覆后的表面粗糙度与处理前大致相同，若母材表面加工光滑，处理后可直接使用。

采用TD覆层处理技术可以彻底解决模具磨损、拉毛等现象，产品成形表面质量良好（图10）。不用经常拆装、维修模具，劳动效率大幅提高，并使模具使用寿命大大提高，同时降低了模具的维修费用，还可使产品废次品率大幅降低。