對金屬板料拉伸成形過程中破裂的研究

文/王成璞·昆山麥格納汽車系統有限公司

金屬板料在拉伸成形的過程中，由于受多種因素的共同影響，包括成形零件的形狀、大小、深度，材料本身的厚度、硬度和坯料尺寸，模具中凸、凹模圓角的大小、凸凹模間隙的大小，以及壓邊力設置等，使得金屬板料在拉伸成形過程中，有時會出現破裂或嚴重拉薄的現象，導致零件報廢無法使用。盡管可采取CAE分析的方式，通過對拉伸系數、拉伸凸、凹模圓角、壓邊力設置等工藝參數的調整優化，改善拉伸成形的破裂狀況；但有的時候這種調整并不能從根本上解決破裂的問題。

通常，在拉伸成形過程中無法有效改善或避免破裂時，工藝上就會考慮對拉伸成形零件進行回火或局部退火，以軟化材料；或者犧牲材料性能抑或改變零件形狀，以改善拉伸成形性能。而如此改變的結果，要么增加零件的生產成本，要么降低零件的部分功能。

本文從另一個角度，即如何合理利用拉伸成形過程中的破裂，以改善金屬板料的拉伸成形，并結合實際工作中的兩個實例，介紹拉伸成形過程中破裂的合理利用。

拉伸成形過程中破裂產生的原因及其對策

根據金屬板料在拉伸成形過程中其材料在變形區域內的應力應變分析可知，當處于材料變形區域內的材料受到的某一矢量方向上的拉應力大于材料本身的抗拉強度，且此時材料又無法沿著較大的受力方向做相應移動時，此處的材料就會破裂。

因此，為了不使材料被拉破或嚴重拉薄，從理論上來說，就是要改變在拉伸成形過程中材料的受力狀況或使材料在受到較大外力時，可以在相應的方向上做相應的移動。

在實際生產中，人們歸納總結了許多的方法和經驗，如：改變拉伸成形凸、凹模圓角半徑大小并使其粗糙度變小，改變壓邊力的設置，調整每道工序的拉伸系數，注意控制好凸凹模之間的間隙等等，其目的均是改變材料在拉伸變形區域內所受的應力大小及其材料變形程度，使其所受的拉應力小于材料本身的抗拉強度，以避免材料破裂。

對于一些拉伸形狀較為復雜的零件，尤其是零件中有多個需成形的部位，為了改善零件拉伸成形過程中材料的受力狀態，有時在工藝上采取增加拉伸成形工序的方法，使原來成形部位兩端均受較大拉力或受力不均衡的狀態改變為兩端受力較小或兩端受力較為均衡的方法來解決。

還有一種方式，就是利用拉伸成形零件的結構和形狀，將拉伸成形中產生材料開裂的位置想辦法移至零件中需沖切的位置或零件外緣，如連料處以及其他最終需要切除的地方。

實例分析

案例1

圖1所示零件是一款汽車的搖窗機導軌，為左右對稱件。材料選用 S220GD+Z90/90，厚度（1.2±0.1）mm。

圖1 某款汽車的搖窗機導軌

該零件的形狀為沿長度方向的一個較大半徑的圓弧，而從其橫截剖面看，又似一個兩端有小凸緣的淺寬“U”形。“U”形截面的豎直面雖不高，且底面較寬，但兩面相交的過渡圓角較小，底面上還有非對稱分布的翻孔和較深的凹陷。

此件的工藝方案可以采用單件沖壓方式，也可考慮采取左右件合模（即：左右件連在一起）的方式。采用單件沖壓，除了落料模可共用外，后續的成形、沖孔、翻孔、切邊等模具均需左、右件各制造一套，不僅模具的成本較高，零件的沖壓成本也較高。若采取左右件合模的方式，模具的成本可相應節省，零件的沖壓成本也會降低。但從工藝的角度看，左右件合模成形的難度大于單件沖壓成形。

圖2 零件兩端側面出現的破裂區域

為了節約模具制造及沖壓成本，此件采用了左右件合模的工藝方案。在初期的拉伸成形試模時，零件在兩端的側面有一段較大的破裂區域，如圖2所示。后經分析，發現此處的材料受力拉伸成形時，由于成形折彎角的內圓角較小，且近旁還有一較深的凹陷，導致材料兩端受力較大，從而使得此處材料破裂。若將內圓角先加大，然后再整形，勢必會多出一道工序，造成模具及沖壓成本增加。

那么，能否改變零件破裂一端的受力狀態，從而使得零件的開裂狀態得以改變呢？經過查看，零件一端的外形基本上為零件的外形，沒有修切余量，無法再改變。而通過觀察分析，對另一端連料部分做了修改調整，試模后發現開裂狀態有所改善，說明修調方向正確。據此，再繼續對連料部分進行了數次修改調整，將材料的破裂位置移到了連料處，終于使得原豎直面上的開裂現象完全消失，且經剖切檢測，此處的材料拉薄量也很小，如圖3所示。

圖3 剖切檢測材料拉薄量很小

圖4 汽車門鎖中的一個基板

圖5 折彎處常常出現裂紋

圖6 半敞開形凹陷成形的連料狀態

案例2

圖4所示零件為汽車門鎖中的一個基板，材料選用QSTE500，材料厚度2.0mm。此件采取了連續模生產方式，在向上折彎有壓筋的小翻邊時，其一端的折彎處常常出現裂紋，如圖5所示。

通過對連續模的料帶進行分析，發現原來料帶中在其旁的半敞開形凹陷成形時，此處為連料狀態，如圖6所示，零件凹陷成形過程中受力較大，已經有明顯的拉薄現象，在其后的向上折彎時，此拉薄處自然會產生明顯的開裂。

據此，對此處連料進行了改進，將此處連料部分全部切除，再加上對模具的局部調整和修改，結果大大改善了此處易產生折彎裂紋的情況。

結束語

目前，越來越多的汽車零部件采用高強度低合金結構鋼。這種強度較好的材料，其成形拉延性則相對較差。許多零件在其拉伸成形過程中不可避免的會出現拉薄或開裂現象。

通過對上述兩個實例的分析，不難看出，由于受到材料本身的性能影響，一些零件在拉伸成形過程中，會出現拉薄或開裂現象，但如果根據零件的結構形狀或是其工藝排料的一些特點，可通過合理的工藝設計，將開裂或拉薄部位移至工件中需沖切或去除的部位，以改變材料在拉伸成形過程中的受力狀態，即有效地利用材料拉伸成形中的破裂，從而制造出無裂紋或拉薄量很小的工件。