淺談拉延筋形式在提高材料利用率方面的應用

文/李自罡，宋巍·天津一汽豐田汽車有限公司

淺談拉延筋形式在提高材料利用率方面的應用

文/李自罡，宋巍·天津一汽豐田汽車有限公司

李自罡，工程師，主要從事沖壓車間管理工作。

本文從提高沖壓制品生產(chǎn)過程中鋼板材料利用率的著眼點出發(fā)，主要介紹了沖壓生產(chǎn)過程中，幾種新式樣的拉延筋形式在提高材料利用率方面的應用，以及新式樣拉延筋的優(yōu)缺點。

近年來隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車市場的競爭日益激烈，汽車制造廠的競爭壓力也越來越大，其中成本壓力是一個重要因素。如何降低汽車制造成本也就成為了我們的一個工作課題。

鋼板是制造汽車覆蓋件及骨架的主要材料，也是構成汽車成本的重要組成部分。在鋼板加工成汽車覆蓋件及骨架的同時，大量的邊角廢料也同時產(chǎn)生，也就產(chǎn)生了如何提高鋼板材料利用率這一課題。本文從沖壓模具拉延筋這一切入點出發(fā)，對如何提高鋼板的材料利用率作了簡單介紹。

材料利用率

在進行汽車覆蓋件及骨架的沖壓生產(chǎn)時，由于制品形狀要求和沖壓成形工藝要求，產(chǎn)生邊角廢料是難免的。如圖1所示，該制品為汽車前機蓋內(nèi)板，在沖壓生產(chǎn)該制品時，藍色部分是由于產(chǎn)品減重、散熱、安裝孔等各方面的要求，所產(chǎn)生的廢料，可稱之為“形狀廢料”；紅色部分是為滿足沖壓生產(chǎn)時工藝要求而設計，對制品本身形狀無用的廢料，可稱之為“工藝廢料”。材料利用率可通過制品重量與鋼板重量的比例來體現(xiàn)，即：

目前，汽車覆蓋件的沖壓生產(chǎn)中，鋼板材料利用率在60%左右，個別制品如側圍、翼子板的材料利用率僅為40%～50%。大量的廢料造成了汽車制造成本的增加，要提高材料利用率，就是要減少邊角廢料的產(chǎn)生。一方面，產(chǎn)品的形狀廢料由于性能要求是無法避免的，提高材料利用率只能通過廢料的回收再利用來實現(xiàn)，但同時受廢料形狀尺寸及回收方式的制約，有很大局限性；另一方面，產(chǎn)品的工藝廢料主要是為了滿足制品進行沖壓加工工藝，如拉延、切斷等產(chǎn)生的，要提高材料利用率可通過沖壓工藝的改善，如拉延過程中的控制，改善廢料切斷、排布等方法來實現(xiàn)。

圖1 汽車前機蓋內(nèi)板廢料示意圖

傳統(tǒng)拉延筋形式

在制品沖壓生產(chǎn)過程中，從鋼板到制品的加工過程主要經(jīng)由拉延、切邊、翻邊等主要工藝實現(xiàn)，其中拉延工藝是產(chǎn)生工藝廢料的一個主要環(huán)節(jié)。拉延工藝是鋼板在壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，形成近似制品形狀的一個過程。鋼板在拉延過程中的受力情況如圖2所示，鋼板在凸模與凹模作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生外部材料向內(nèi)部流動的拉力；同時，鋼板在凹模與壓料圈作用下，產(chǎn)生阻止外部材料向內(nèi)部流動的阻力。拉延過程就是在這種綜合受力的情況下，使鋼板完成塑性變形。由于制品的成形工藝要求，通過對拉力與阻力的控制，拉延過程可分為壓縮類變形和伸長類變形。所謂“壓縮類變形”，即當拉力大于阻力時，鋼板材料發(fā)生由外部向內(nèi)部的流動；所謂“伸長類變形”，即當拉力小于阻力時，鋼板材料不發(fā)生向內(nèi)部流動，也就是我們平常所說的“拉深”與“脹形”。無論“拉深”還是“脹形”過程都需要對成形過程中的拉力與阻力進行有效的控制，才能避免成形過程中的開裂、褶皺、面品不良等現(xiàn)象的產(chǎn)生。

控制成形過程中的拉力與阻力的主要因素包括，作用于壓料圈上的壓力機的氣墊壓力，模具表面的光潔度，模具局部間隙，凹模、凸模、壓料圈與制品接觸部位的R角大小，以及拉延筋的形式等。

在模具拉延工藝中，通常使用的拉延筋形式主要包含半圓形筋、方形（梯形）筋、S形筋等。根據(jù)制品成形過程中的材料流入量需求，設置不同形式、不同數(shù)量的拉延筋。其中，半圓形筋主要應用于發(fā)生材料流動的拉深場合，用于控制材料流入速度與流入量，避免成形過程中產(chǎn)生開裂、褶皺；S形筋主要應用于不發(fā)生材料流動的脹形場合，用于材料的鎖死，保證脹形過程中不發(fā)生材料流動；方形筋則是一種形式介于半圓形筋與S形筋之間的拉延筋，通常與其他形式的拉延筋配合使用。其余較常見的拉延筋形式還有配合S形筋使用的用于局部輔助鎖料的垂直于主拉延筋的三角形拉延筋等。

新式樣拉延筋形式在提高材料利用率方面的應用

在傳統(tǒng)形式拉延筋廣泛使用的同時，近年來為提高材料利用率，降低板材成本，沖壓模具中出現(xiàn)了幾種新式樣拉延筋形式。下面針對新式樣拉延筋形式在提高材料利用率方面的效果和應用中遇到的問題等，做簡單介紹。

半S形拉延筋

車門外板的拉延成形過程為典型的脹形過程，一般使用S形拉延筋進行鎖料，使材料不發(fā)生流動，鋼板通過本身塑性完成脹形過程，生產(chǎn)出表面光滑的車門外板制品。為提高鋼板材料利用率，減少拉延過程中產(chǎn)生的工藝廢料，引入半S形拉延筋。

⑴拉延筋形式

與傳統(tǒng)形式的S形拉延筋相比，半S形拉延筋最大的特點是摒棄了傳統(tǒng)拉延筋的“筋槽”形式。如圖3所示，半S形拉延筋與傳統(tǒng)S形拉延筋相比，沒有傳統(tǒng)意義上的筋槽，僅一側為S形棱線拉延筋式樣，與此同時模具凹模、壓料圈的管理面、壓料面也由原有的同一平面變?yōu)椴坏雀叩膬蓚€平面。

圖3 S形拉延筋與半S形拉延筋形式比較

由于車門外板拉延筋式樣的變更，新式樣的半S形拉延筋沒有傳統(tǒng)意義上的拉延筋槽，使脹形過程中的工藝廢料全周減少一個筋槽立壁+底部的寬度（約10mm），材料利用率提高1% 左右。如圖4所示。

圖4 S形與半S形拉延筋材料利用率比較

⑵問題點

半S形拉延筋形式對提高鋼板利用率方面的效果是顯而易見的，但受到制品形狀、成形方式的局限性，同時，在提高材料利用率的同時，也存在著種種問題。

拉延筋鎖緊力不足：拉延筋形式由傳統(tǒng)S形筋形式變更為半S形筋形式，帶來的第一個問題就是模具在拉延成形過程中的鎖料能力的下降。如圖5所示，拉延筋形式變更后，在壓力機氣墊壓力設定2000kN的情況下，模具的實際鎖緊力峰值壓力為2243kN，中心壓力僅為1486kN。由于拉延筋鎖料能力下降，半S形拉延筋不能有效地進行鎖料，造成多余的材料流入，引起制品面品不良的產(chǎn)生。針對該問題，最終通過對壓力機氣墊能力進行改善提升后，得到解決。壓力機氣墊能力改造后，在氣墊壓力設定2000kN的情況下，壓料圈實際鎖緊力峰值壓力能夠達到2461kN，中心壓力達到2415kN。

產(chǎn)生絲狀粉末：S形拉延筋前后兩條S形棱線R角之間斷面前后距離相對一致，拉延筋上每一點在制品脹形過程中的受力處于一致或近似一致狀態(tài)。而半S形拉延筋只有一條S形棱線R角，如圖6所示，在制品脹形過程中材料流入趨勢側的尖點位置受力較其余部位大，與鋼板發(fā)生的摩擦相對劇烈。采集到的異物經(jīng)過顯微照相分析，為微小絲狀粉末。當這種微小絲狀粉末在沖壓過程中隨氣流帶入模具內(nèi)部時會造成制品鼓癟，產(chǎn)生面品不良。這種絲狀粉末只能通過調(diào)整半S形拉延筋斷面R角大小、拉延筋立面高度、管理面接觸率等多方面因素綜合控制。

圖5 半S形拉延筋氣墊鎖緊能力（壓力機氣墊改造前后對比）

雙可動拉延筋

前機蓋內(nèi)板由于其制品形狀決定其成形為中間深四周淺的拉深成形，傳統(tǒng)工藝一般為凹模與壓料圈接觸后，鋼板在一定氣墊壓力作用下，完成拉深成形過程。由于其制品形狀決定中間部位拉深量大于周邊部位拉深量，且周邊拉深量很淺。故嘗試使用中間部位先行拉深成形后，周邊部位在材料鎖死的狀態(tài)下完成類似脹形成形的過程，故而引入上下雙可動式拉延筋形式。

⑴拉延筋形式

根據(jù)上下雙可動拉延筋形式的前機蓋內(nèi)板模具的成形特點，成形過程可分解為前后兩個階段，第一階段，在上置壓料圈的作用下模具與鋼板進行作用，通過設置于模具凹模與壓料圈之間的氮氣彈簧提供成形壓力，形成拉深過程中的對鋼板流入的阻力，在一定的阻力控制下，先行完成部分材料流入，完成制品的部分拉深成形過程；第二階段，在下置壓料圈的作用下模具與鋼板作用，通過壓力機氣墊提供成形壓力，下置壓料圈通過其拉延筋將外圍材料鎖死，四周完成類似脹形成形過程。模具結構如圖7所示，成形過程中為實現(xiàn)上述動作，一般設置為驅(qū)動上置壓料圈的氮氣彈簧成形壓力小于驅(qū)動下置壓料圈的壓力機氣墊壓力，實現(xiàn)上置壓料圈先行動作，下置壓料圈然后動作，通過分步動作，完成類似于雙動滑塊壓力機的效果。

圖6 半S形拉延筋受力狀態(tài)及產(chǎn)生的絲狀粉末顯微照相

圖7 前機蓋內(nèi)板模具結構比較

由于上下雙可動拉延筋形式的引入，前機蓋內(nèi)板的成形過程由傳統(tǒng)的拉深成形一直發(fā)生材料流入的過程，變更為初期拉深時發(fā)生材料流動，后期脹形時不發(fā)生材料流動的成形過程。上下雙可動拉延筋形式既保證了前機蓋內(nèi)板制品中間形狀較深的部位拉深成形過程中的材料流入需求，同時又能在前機蓋內(nèi)板制品周邊成形形狀較淺的部位實現(xiàn)材料的鎖死，完成脹形過程。由于減少了材料流入，實現(xiàn)了材料利用率的提高。經(jīng)測算，前機蓋內(nèi)板制品工藝廢料尺寸全周減少約5mm，材料利用率提高0.5% 左右，如圖8所示。

圖8 材料利用率比較

⑵問題點

雙可動式拉延筋必須建立在上下可動式壓料圈基礎上，該形式較傳統(tǒng)結構增加了上壓料圈及驅(qū)動上壓料圈用的氮氣彈簧，同時模具尺寸也需要相應加大，整體的模具制造成本較傳統(tǒng)形式有所增加。雖然模具制造成本增加了，但材料利用率提高帶來了生產(chǎn)成本的降低，故其投資收益率需要綜合車型企劃產(chǎn)量與車型壽命等多方面因素考慮。

結束語

上述新式樣拉延筋的使用有兩大特點：一是形式設計新穎，在傳統(tǒng)拉延筋形式基礎上有了明顯創(chuàng)新，摒棄了一些使用多年的傳統(tǒng)拉延筋元素，對減少工藝廢料，提高材料利用率有明顯的效果。二是新式樣拉延筋的設計和使用具有很強的針對性，拉延筋形式的設計需根據(jù)不同產(chǎn)品的成形特點“對癥下藥”，從成形工藝細節(jié)出發(fā)，將提高材料利用率的效果提高到最大程度。