派力奥左右支架成型变薄和开裂问题的分析和解决方法

作者：上海汇众 庄继道

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 本文通过对派力奥轿车前横梁装置中的左右支架在OTS冲制成型时产生的开裂和变薄问题的原因分析和解决，指出重视成型的受力分析、合理制定成型工艺，以及科学的确定成型料片形状尺寸是冲压成型成败的两个关键因素。 冲制中的问题 最初的工艺流程 南亚Palio（派力奥）轿车的前横梁装置的左右支架是一对焊接在前横梁装置中的两个重要零件，与左右前侧加强板对应地构成安装左右前摆臂总成的连接件（见图1）。它们由厚度为3.5mm的St12Q钢板冲制而成。 St12Q是中国宝钢生产的汽车结构用钢板，其化学成份是：C≤0.10、Si≤0.05、Mn0.4至1.0、P≤0.03、S≤0.025、Al≥0.02；机械性能为：σb 320至390MPa、σs 215至285MPa、δs %（L0=80mm）≥32。属于拉伸性能与08、10钢相近的、用于汽车底盘零件的冷轧钢材。在冲制时，如果采用左或右单件冲制，则会造成模具单边受力，这不利于模具或冲压设备的使用寿命，而且生产效率低。由于其形状为完全对称的特殊性（如图2所示），这就为左右件成对冲制提供了可能。因此，最初左右支架的冲压工艺流程是这样确定的：左右支架落料冲孔→左右支架成型→左右支架冲孔切开→左右支架整形，共四道。其中落料冲孔的料片形状见图3。 问题的出现 当样品在第二道成对成型时，左右支架产生了严重的开裂和变薄的问题（见图4、图5），并一直未能得到解决。 工艺分析 从图5中可以看到，成型包含翻边、弯曲和拉“八字”三种复合变形。即冲件料片在成型时处于多向复杂拉应力的受力状况，其中主要是受三向拉应力，如图5中受力方向箭头所示。可以设想：当料片进入模具型腔，料片受拉应力随之开始，随着成型拉伸的不断深入，作用力不断加大。由于料片形状尺寸存在的不足，阻碍了材料流动；成型阻力的不断加大，造成受力集中区域的材料厚度不断减薄以满足成型的需要；随着受力集中区域材料不断变薄，该处材料强度失稳、直至最终开裂。 从事后对左右支架成型时CAE分析的厚度变化云图中（见下图6），也证明了图5中两开裂处是受力的集中区域，所受的拉应力最大，也是拉伸成型变薄、开裂的最危险区域。 解决问题方案的选择 从上面可以初步得到这样两个结论：左右支架开裂的第一个原因是：成型工艺选择不当，将多种复杂拉应力过于集中在一个道序中，使材料的变形程度超过了许可条件；另一个原因是用于成型的料片形状尺寸的确定存在不足，阻碍材料成型时的流动，形成阻力，最终导致材料的开裂。 两种方案选择的分析和比较 面对“成型工艺”和“料片形状尺寸”这两个造成左右支架变薄和开裂的原因，究竟从何着手，是两个一起解决，还是选择其中一个？要作出正确的选择，就要对这两个方案的利弊作一个比较。 要想改变多种复杂拉应力集中在一个道序的成型工艺选择不当的问题，就必须将原工艺方案推倒重来。办法是将第二道成型由原来翻边、弯曲和拉“八字”成型状况改为翻边和弯曲两个成型状况，即由原来的受三向拉应力改为受二向拉应力，去掉那个拉“八字”形状的最大的拉应力σ1（或将“八字”形状做小），而将拉“八字”形状的成型工作留到第四道整形道序去完成（注：在第四道整形时，原来有功能要求的减薄部分的情况会得到很好改善，而底筋部分将会在整形时受拉伸会有所变薄，好在底筋部分是用于焊接，少量变薄并无大碍，如果变薄量过大，则要增加切边道序解决）。这样就要求第一道落料、第二道成型和第四道的整形模具进行重开。这幺大的工作量，对交样时间紧迫的现状来说已无可能。 解决料片形状尺寸存在的不足问题，则相对简单。只要把料片的形状尺寸中阻碍材料流动的部分，即在图5中料片底边原来为直边状被拉成弧线状态的地方去掉就可以了。至于去掉多少，则要通过试冲校（料）片来确定。这样做就可以将原来阻碍、牵制材料流动的拉应力大大减少，使材料能在拉伸的过程中顺利进入模具型腔，而不受原来料片形状尺寸那样的限制。为慎重起见，还在原来变薄部分的外边缘增加一些“月牙”条状切边余量，见图7的蓝色部分。 由于拉伸部分的外边缘抵抗受拉的能力最薄弱，外边缘最容易变薄，需要切去边缘的减薄部分，才得到所规定厚度的零件。这样，就要求对料片的形状尺寸重作修改，即第一道的落料模要重开模具，并增加切边道序。这种方法的缺点是材料浪费较多，从长远看不经济。 选择改变料片形状尺寸 采取第一种办法，冲件质量比较理想且材料利用率也相对较高，但重开落料、成型和整形模具时间已不许可（如果底筋部分整形时变薄量过大可能要加切边模）。采取第二种办法，冲件质量也还可以，但材料利用率相对较低。不过，后者只须重开一副落料模，切边模比较简单且可放在以后再开，而外边缘增加的一些“月牙”条状切边余量可以加工（磨）掉，以确保OTS送样。权衡利弊后，改变料片形状尺寸还是最佳的方案。 方案的实施过程 料片形状尺寸的确定 先在原来料片底边的地方挖去一个“半圆弧”（见图8），开裂现象明显得到改善，但减薄问题依然存在。经过多次反复试冲校（料）片，最终获得了较理想的料片形状尺寸，并被确定（见下图9）。 最终选定料片的成型效果 通过与原来产生开裂、变薄处的状况（见图4、图5）与现在的尺寸（见图10）做比较，不难看出：在图4中，原冲压零件的前后缺口处产生开裂和变薄，其中开裂处板的厚度为2.2mm，变薄处板的厚度仅为2.0 mm；在图5中，成型时的冲件左右两侧产生严重开裂。因此，选择改变料片形状尺寸的方案以及用最终确定的料片是基本可行的。虽然最终成型的料片（见图10）左侧拉薄处的厚度只是2.7 mm，未达到规定的2.8 mm，但经切边后的零件已达到预期的效果（见图11），确保了按时交付OTS样件和批产供货。 左右支架最终工艺流程图 左右支架最终工艺流程是：落料冲孔→成型→冲孔切开→整形→切边，共五道。详见下图12。 结束语 如何合理制定成型工艺、重视成型的受力分析，避免多种复杂应力过于集中在某一道序导致超越了材料的拉伸极限，以及科学的确定成型料片形状尺寸（最好事先进行CAE受力分析），是冲压成型成败的两个关键因素。这也是少走弯路，加快新产品开发周期的有效途径。这两个问题必须认真加以对待。以上实践也反映了，经验十分重要，但借助于有限元分析等科学辅助手段，可以从中得到不少有益的帮助。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (10/14/2004)