本文興迪源機(jī)械帶來武漢中人瑞眾汽車零部件韓耀東：汽車縱梁內(nèi)襯筒深拉伸件工藝分析，本文闡述了拉伸工藝設(shè)計中所涉及到的工藝分析，修邊余量的確定，型面修補(bǔ)、高矩形盒 的判別，翻孔尺寸的計算，毛坯尺寸的確定與修補(bǔ)，凸、凹模圓角半徑的選擇，拉伸次數(shù)的計算，各工序拉伸工藝參數(shù)的計算等，對高矩形拉伸模具工藝設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

　　一、引言：

　　隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，在計算機(jī)三維軟件輔助設(shè)計造型的幫助下，汽車 零部件形狀的復(fù)雜程度越來越高，尤其是新材料、新 工藝的應(yīng)用，給汽車行業(yè)帶來了翻天覆地的變化。但是，在傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)中，沖壓、焊接目前還是主流趨勢。沖壓模具設(shè)計制造是汽車行業(yè)“四大工藝”的 源頭，同時也是最為關(guān)鍵的部分，而拉伸模的設(shè)計與 制造就是沖壓模具設(shè)計與制造的重中之重了。深拉 伸、高強(qiáng)板的成形工藝仍然是沖壓行業(yè)的難題，特別 是深拉伸工藝。

　　二、制件介紹：

　　圖1所示制件是汽車底盤縱梁上連接保險杠的一個部件，俗稱內(nèi)襯筒，材料 DX54D+Z，料厚 2.5mm， 屬于盒形深拉伸件。從這個零件的使用要求分析，法 蘭面是與保險杠裝配的平面，必須平整，而且孔位是 安裝孔，所以孔位尺寸必須正確穩(wěn)定，確保保險杠安裝后外觀平滑均勻；拉伸件的盒型壁面是與縱梁貼合 的焊接面，尺寸、垂直度及相對幾何尺寸都有要求，同 時該零件還有功能要求，材料的壁厚變化不能超過一 定的限度，要確保零件的壁厚均勻，滿足強(qiáng)度要求。

　　圖 1   內(nèi)襯筒制件圖

　　三、工藝分析：

　　盒形件拉伸與圓筒件的拉伸相比，最大的差別是 拉伸周邊的變形不均勻，圓筒件的拉伸工藝及計算目 前還比較成熟，但是盒形件、尤其是異形盒形件的成 形工藝及計算目前還沒有比較成熟的方法，很大程度 上依據(jù)經(jīng)驗法處理，方法也多種多樣。因此，在沖壓 工藝設(shè)計和模具設(shè)計當(dāng)中，需要解決的問題和解決問 題的方法也不完全相同。雖然現(xiàn)階段的計算機(jī) CAE 輔助分析，給傳統(tǒng)的工藝分析提供了很大的幫助，但 仍然離不開傳統(tǒng)經(jīng)驗數(shù)據(jù)的處理。為此制定制件成 形的初步工藝方案是：①落料（需要計算確定毛坯尺 寸）；②拉伸（拉伸次數(shù)待定，需要通過計算分析）；③ 整形打??；④修邊沖底孔；⑤翻孔；⑥沖孔。

　　3.1    毛坯形狀和尺寸的確定

　?。?）修邊余量的確定。在拉伸過程中，由于材料機(jī)械性能各向異性，模具間隙的均勻性、板厚變化、摩擦阻力不等及定位不 準(zhǔn)等原因的影響，拉伸外形的凸緣周邊會產(chǎn)生不齊的 現(xiàn)象，尤其是深拉伸件、盒型件，凸緣形狀復(fù)雜的原 因，外形必須進(jìn)行修邊。所以在計算毛坯尺寸時，需 要考慮修邊余量。有凸緣盒型拉伸件的修邊余量可 以根據(jù)“有凸緣筒形拉伸件的修邊余量δ”表格查詢

　?。ê行图远踢厼椴楸硪罁?jù)），凸緣寬度b凸=110.3mm、短邊寬度b=60.03mm，凸緣的相對比值 b 凸/b=1.84mm 計 算 查 表 ，得 到 修 邊 量 δ =3mm，考 慮 材 料 的 厚 度 2.5mm，修邊量取值δ=3mm 適宜。

　?。?）型面修補(bǔ)?？紤]到零件的底部是敞口的，為方便拉伸，底部需要做成封閉型面，然后經(jīng)過沖孔、翻邊達(dá)到零件的 最終效果，需要進(jìn)行補(bǔ)面。取盒形件壁部圓角半徑最 小的一個 R=20.5mm 計算底部的翻邊量。為了使翻邊 的痕跡盡可能的小，翻邊預(yù)孔直徑 d 盡可能取大，需要 將沖底孔的尺寸取到拉伸件的底部圓弧切點處。從 拉伸的角度分析，底部圓角 r 較大，對拉伸有利，但是 翻邊時的極限翻邊系數(shù) K 值與材料的性能、預(yù)孔的加 工性質(zhì)和狀態(tài)、d/t 的比值、凸模的形狀有關(guān)。目前材 料性能已經(jīng)明確，加工方式是沖壓，翻孔凸模采用圓 柱形凸模，現(xiàn)在需要確定的是底部圓角半徑 r，它是直 接關(guān)系到零件的拉伸與翻邊成功的關(guān)鍵因素。r 越 大，d 就越小，d/t 的比值越小，極限翻邊系數(shù)越小，對翻孔有利，但是它還直接與零件的實際翻邊系數(shù)有 關(guān)，d 越小，零件的實際翻邊系數(shù)就更小，這是一個矛 盾 的 統(tǒng) 一 。如 圖 2 所 示 ，先 假 設(shè) r=10mm，壁 厚 t= 2.5mm，那么 d=21mm，d/t=21/2.5=8.4，查表“低碳鋼的 極限翻邊系數(shù) K”得知：Kmin=0.52，而此時的實際翻邊 系 數(shù) =21/43.5=0.48，顯 然 小 于 極 限 翻 邊 系 數(shù) ，不 可 取。再假設(shè) r=9mm，計算結(jié)果還是不可取?，F(xiàn)在再假設(shè)底部圓角r=7.5mm，此時角部預(yù)沖底孔的直徑d=26mm，d/t=10.4，查表，Kmin=0.55，而實際的翻邊系數(shù) K= d/D=26/43.5=0.6；大于Kmin=0.55，滿足翻邊要求。所以確定底部圓角 r=7.5mm?，F(xiàn)在再來計算一下翻孔的高度值。

　　圖 2   翻孔示意圖

　　翻孔的高度 ：h2=（D-d）/2-（r + t/2）+ π/2（r + t/2）=

　　（43.5-26）/2-（7.5+2.5/2）+3.14/2（7.5+2.5/2）=13.74mm拉伸件的高度確定：63.27-13.74=49.53mm由此可以確定修補(bǔ)后零件的形狀，如圖3 所示。

　　圖 3   修補(bǔ)后的零件圖

　?。?）毛坯尺寸計算。正確地確定盒形件拉伸毛坯的形狀和尺寸，不僅能夠節(jié)省板材和節(jié)約工序，而且也有利于毛坯的變形 和保證零件的質(zhì)量。當(dāng)毛坯的尺寸過大時，能夠引起 危險斷面上拉應(yīng)力顯著地增大，對提高變形程度和減 少工序不利；毛坯尺寸過大部分的變形程度減小，必 然使拉伸變形較多地集中到其余部位上去，于是增加 了沿毛坯周邊變形分布不均的程度。這樣成形的零件壁厚不均，而且也容易引起變形過分集中，局部起 皺開裂等缺陷，降低零件的質(zhì)量。毛坯尺寸過小時， 零件成形缺料、修邊不充分或者產(chǎn)生起皺折疊等缺 陷。盒形件拉伸時確定毛坯形狀和尺寸的原則：既要 保證毛坯面積等于零件面積，又要保證零件成形時材 料流動的對稱性，避免盒形件成形時不均勻變形的特點，考慮材料在變形過程中的材料轉(zhuǎn)移的復(fù)雜性，還 需要對毛坯的形狀和尺寸做一定的修正。從圖 3  分析，這個零件實際是梯形，可以近似認(rèn)為是60.03 ×75.82mm 的矩形盒 ，高 度 58.38mm；h/b=58.38/60.03=0.97（＞0.7～0.8），屬于高盒形件。根據(jù)表面積相等的 原則，展開制件的毛坯尺寸如圖 4 所示。

　　圖 4   毛坯的展開尺寸

　　a——原始展開尺寸     b——修正后的展開尺寸

　　現(xiàn)在還不可能比較精確地用計算的方法事先確 定出正確的毛坯形狀和尺寸，初步考慮，在圖 4a 中，A/ B 處材料流動不均勻，拉伸時容易起皺或折疊，需要進(jìn) 行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)，如圖 4b 所示，確保拉伸時材料進(jìn)料的 均勻性。最終精確的尺寸需要在模具調(diào)試的過程中 再進(jìn)一步修訂。

　　3.2    初步估算拉伸次數(shù)和拉伸系數(shù)

　?。?）拉伸次數(shù)。

　　對于高盒形件，一般需要多次拉伸，可以“根據(jù)盒 形件總拉伸系數(shù)定矩形件的拉伸次數(shù)”，查表，可以得 到拉伸所需的次數(shù)，尺寸參數(shù)如圖 5 所示。

　　圖 5   各工序計算的相關(guān)參數(shù)圖示

　　m總=1.27 ×（b1 + b）/（L + K）=1.27 ×（60.03 + 75.82）/（211.5+211.5）=0.41；t/D×100=2.5/211.5×100=1.18。查表初步估算，拉伸次數(shù)為：3。

　?。?）核算角部的拉伸系數(shù)及第一次拉伸許可高度。對于盒形件，由于圓角部分對直邊部分的影響相 對較小，圓角處的變形最大，矩形件的拉伸系數(shù)為前 后半成品角部圓角半徑之比，壁部圓角半徑現(xiàn)在有 R20.5mm 和 R21.5mm 二種情況，取較小值 R=20.5mm 計算拉伸系數(shù)。故變形程度用較小的圓角處的假想

　　拉伸系數(shù)來表示。根據(jù)t/D×100=2.5/211.5=1.18和 r/b=21.75/60.03=0.36的比值，查表“盒形件角部的第一次拉伸系數(shù)m1”得知：m1≥0.41；m2≥0.70；查“盒形件第一次拉伸許可 的最大比值 h/r”得知：h/r=3.1，那么 h1max=67.4mm。

　　3.3    各工序拉伸的工藝參數(shù)的計算與選擇

　　高盒形件需要多次拉伸，一般在前幾次拉伸時， 采用過渡形狀（方形盒多用圓形過渡，矩形盒則用橢 圓形或圓形過渡，而在最后一次才拉成方盒或矩形 盒），因此需要確定各道工序的過渡形狀。確定高盒 形件半成品形狀和尺寸的方法較多，常用的方法有羅氏法、經(jīng)驗法等。羅氏法是首先確定倒數(shù)第二次（n- 1 次）拉伸的半成品形狀，再往前逐次反推，首先拉成 較大的圓角，而后逐次減小圓角半徑，直至達(dá)到工件 要求。

　　下面從倒數(shù)第二次（即 n-1 次）起反推各工序的過渡形狀及其尺寸，不同材料的盒形件，其成形過程 中材料的穩(wěn)定性也不一樣，具體的過渡形狀及尺寸計算會有所差異。

　　根據(jù)“高矩形盒的多工序拉伸的計算程序與計算 公式”計算（相關(guān)參數(shù)如圖 5 所示）。

　?。?）相對厚度。t/b×100=2.5/60.03×100=4.16，（＞2）；b=60.03＜50t，（50t=50×2.5=125）。采用第一種方法計算。

　?。?）假想毛坯直徑（見圖 4）。D=211.5mm。

　　（3）工序間距離。sn=an≤10t，這里暫取值 8.0mm。

　　sn 在實際作圖的過程中，考慮角部間隙，進(jìn)行了適 當(dāng)調(diào)整，sn=7.4mm。

　?。?）工 序 比 例 系 數(shù) 。x1=（K- b）（/L- b1）=（211.5-60.03）/（211.5-75.82）=1.1。

　?。?）（n-1）道工序半徑。Rs（n-1）=0.5b+ sn=60.03/2+ 8.0=38.0mm。

　　考慮零件是梯形，所以Rs（n-1）小端=37.5mm；Rs（n-1）大端= 38.5mm。

　?。?）角 部 間 隙 。x=sn + 0.41r- 0.207b=8.0 + 0.41 × 21.75-0.207×60.03=4.5mm。

　?。?）（n- 2）道 序的半徑。Rs（n- 2）=Rs（n- 1）/mn- 1=37.5/ 0.83=45.2mm；（m2 取 0.83）

　?。?）工序間距離。s（n- 1）=（Rs（n- 2）-Rs（n- 1））/x1=（45.2- 37.5）/1.1=7mm。  a（n-1）=R（s  n-2）-R（s  n-1）=7.7mm。

　?。?）核算各工序的拉伸系數(shù)。m1=d1/D=45.2 × 2/ 211.5=0.43。（要求 m1≥0.41）

　?。?0）矩形件拉伸的間隙。矩形件拉伸的間隙分直邊間隙和圓角間隙兩部分。直邊部分間隙一般為 Z/2=（1~1.1）t，末次拉伸一 般為 Z/2=t，圓角部分間隙一般比直邊部分稍大（大 0.1t）。一般是首次拉伸使用較大間隙，末次拉伸使用 較小間隙，中間工序隨工序次數(shù)增加而間隙逐漸減 小，中間工序一般均以凹模為基準(zhǔn)件，間隙由減小凸 模獲得。工件要求內(nèi)尺寸時，間隙取在凹模，工件要 求外尺寸時，間隙取在凸模。

　?。?1）拉伸凸、凹模的圓角半徑的選擇。凹?？诓繄A角半徑 r 凹的大小，對拉伸工作有很大的影響。如 r 凹太小，毛坯拉入凹模的阻力大，拉伸力 增大，致使拉伸件產(chǎn)生劃痕或裂紋;  但 r 凹過大，會使壓邊圈下面被壓的毛坯面積減小，使懸空段增大，易 起皺。當(dāng)圓角半徑小于 2t 時，需要整形工序。凸模的 圓角半徑對拉伸也有影響，圓角半徑太小，角部彎曲 變形大，危險斷面易拉斷；圓角半徑太大，毛坯底部承 壓面積減小，底部會變薄和內(nèi)皺。拉伸的凹模圓角半 徑可以根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行初步計算，先取較小值，然 后在模具調(diào)試中再適當(dāng)修正圓角半徑。

　　r   =0.8×（（D-d）t）1/2

　　r 凹 n=（0.6~0.9）r 凹（n-1）

　　r 凸=（0.6~1）r 凹

　　經(jīng)過計算：r 凹 1=8.8mm，取值 9mm，r 凸 1=7.5mm。

　　r 凹 2=8mm，r 凸 2=7.5mm

　　r 凹 3=5mm，r 凸 3=7.5mm

　　r 凹 4=4.11mm，r 凸 4=7.5mm

　　具體情況需要根據(jù)模具調(diào)試的結(jié)果進(jìn)行修正，先小后大原則；拉伸完成后，利用整形工序?qū)A角半徑 整到制件要求。

　　（12）毛坯的拉入量控制。第一次拉伸時，拉入凹模的材料比所需的面積加大 3%~5%，在后序拉伸時，逐步返回到凸緣上來，避免在第二次以后的拉伸中凸緣受拉變形，而使零件開裂或變薄。

　　四、確定工藝流程和拉伸工序圖：

　?。?）根據(jù)計算的結(jié)果，擬定的最終工藝流程是：① 落料（毛坯中間的工藝小孔是模具調(diào)試時的定位基準(zhǔn) 孔）；②拉伸（拉伸次數(shù) 3 次）；③整形打印；④修邊沖底 孔；⑤翻孔；⑥沖孔如圖 6 所示。

　　（2）拉伸關(guān)鍵工序圖。

　　五、CAE分析及模具驗證：

　　通過理論計算的拉伸工序尺寸參數(shù)，再利用計算 機(jī) CAE 模擬分析，結(jié)果比較滿意，再通過模具制造到 實際驗證，達(dá)到了預(yù)期的效果，如圖 7 所示。

　　六、結(jié)束語：

　　拉伸模型面設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到制件是否能夠 順利成形，成形質(zhì)量的優(yōu)劣及制件調(diào)試周期的長短等。高矩形深拉伸件的工藝計算相對更麻煩，所以必須綜合 考慮各種因素，確定合理的工序尺寸。有條件時，可以通過計算機(jī)模擬進(jìn)一步確認(rèn) ，然后再設(shè)計模具。

　　圖 6   拉伸關(guān)鍵工序圖

　　a——一次拉伸 b——二次拉伸 c——三次拉伸 d——整形

　　e——各工序相關(guān)參數(shù)圖

　　圖 7    CAE分析圖片及最終實物

　　Autoform 等軟件已經(jīng)在模具設(shè)計中得到廣泛的應(yīng) 用。這些軟件的應(yīng)用，使得設(shè)計人員可以結(jié)合自己的經(jīng)驗直接在計算機(jī)上設(shè)計出產(chǎn)品的型面，并使用Autoform 對設(shè)計出的型面進(jìn)行拉伸過程的模擬，結(jié)合 模擬的情形，反過來優(yōu)化產(chǎn)品型面，得到最優(yōu)的產(chǎn)品 造型。本文通過對拉伸工藝的計算分析進(jìn)行詳細(xì)描 述，對拉伸模具設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

　　這個零件的拉伸模具結(jié)構(gòu)比較簡單，第一次拉伸需要 壓料圈，后續(xù)拉伸不再壓料，拉伸工序需要注意工序件的定位、模具排氣，零件頂出，凹模的 TD 處理。模 具調(diào)試過程中，主要關(guān)注模具圓角、間隙以及毛坯尺寸的修訂。經(jīng)過一定批量的生產(chǎn)驗證，模具工作過程 穩(wěn)定，制件尺寸準(zhǔn)確，壁厚較均勻，外觀質(zhì)量好，該模 具目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。

　　現(xiàn) 在 ，隨  著 計 算 機(jī) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ，Catia、UG、Autoform 等軟件已經(jīng)在模具設(shè)計中得到廣泛的應(yīng) 用。這些軟件的應(yīng)用，使得設(shè)計人員可以結(jié)合自己的 經(jīng)驗直接在計算機(jī)上設(shè)計出產(chǎn)品的型面，并使用 Autoform 對設(shè)計出的型面進(jìn)行拉伸過程的模擬，結(jié)合模擬的情形，反過來優(yōu)化產(chǎn)品型面，得到最優(yōu)的產(chǎn)品 造型。本文通過對拉伸工藝的計算分析進(jìn)行詳細(xì)描述，對拉伸模具設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用。

　　【興迪源機(jī)械簡介】

　　興迪源機(jī)械(Xingdi Machinery)是一家專注流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備制造企業(yè)。自2007年創(chuàng)立以來，興迪源機(jī)械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設(shè)備，現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國內(nèi)頂尖流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設(shè)備。

　　興迪人以“振興國家，建立偉業(yè)”為使命；以“誠實守信，中正平和”為準(zhǔn)則；以“建立鴻業(yè)遠(yuǎn)圖，踵事增華”為愿景，致力成為“先進(jìn)流體壓力成形裝備智造領(lǐng)航者”。