汽車驅動橋殼冷沖壓模具設計

王曉峰

（陜西保利特種車制造有限公司，陜西西安 710200）

1 引言

圖1 所示為驅動橋半橋殼，是我公司新型驅動橋的一個關鍵制件，驅動橋半橋殼的質量直接影響著整個驅動橋的質量，其材料為Q460C，半殼壁厚為11mm。

2 加工難點

制造半殼的沖壓工藝，又可分為“冷沖壓”和“熱沖壓”。目前使用較多的是熱沖壓，即在沖壓成形加工之前，先將板料加熱至727℃～1,394℃，以提高材料的塑性，然后再進行沖壓成形。對于后橋殼這種較厚的板料，這種加工方法可以有效避免冷沖壓可能產生的厚度不均勻、成形件破裂以及內應力等加工缺陷。

冷沖壓技術就是通過壓力機驅動模具，使板料產生塑性變形而最終形成一定形狀的塑性成形方法。冷沖壓技術剛好能克服熱沖壓的缺點，而且成形件生產成本很低，生產效率也較高，適合大批量生產。但冷沖壓以往是用在汽車覆蓋件等薄板料的制造過程中，材料厚度在8mm 以下。隨著模具技術的進步，更好的模具材料、熱處理方法、先進的設計方法，以及成形分析手段的發展，利用冷沖壓沖制10mm 以上的驅動橋后橋殼成為可能。

目前，沖焊后橋殼的制造仍然以熱沖壓為主，冷沖壓只占少數。但綜合考慮制件質量、生產成本等因素，其實二者各有利弊，如表1所示。

表1 冷沖壓與熱沖壓的對比

從表1 中可以看出，冷沖壓與熱沖壓各有各的優點，其中，冷沖壓成形件質量相對較差，但生產成本很低，生產效率也較高，因此適合大批量生產；而熱沖壓雖然成形件質量相對較好，但其生產成本很高，生產周期也較長，不利于生產率的提高。基于以上考慮，目前各大后橋殼生產企業紛紛開始研究冷沖壓技術。

3 冷沖壓模具工藝結構對比與參數分析

3.1 冷沖壓工藝及其數值分析模型

在冷沖壓加工過程中的沖壓步驟是其中的關鍵環節，為選擇合適的沖壓步驟工藝結構和參數，需要對其進行數值分析。在板料的沖壓成形過程中，數值模擬技術發揮著重要的作用。因此，本文采用Dynaform 軟件對后橋殼冷沖壓工藝參數及模具設計進行數值模擬分析。根據沖壓模具設計經驗，本文將使用如圖2所示的結構作為沖壓方案。

圖2中，上下兩邊分別為凸模與凹模，中間為待成形的板料。并針對該方案在Dynaform 軟件中構建了數值分析模型。半殼的壁厚為11mm。材料為Q460C，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，密度為7,800kg/m3。

在不影響分析結果的前提下，對整個冷沖壓模擬過程做如下假設：

（1）在分析的過程中，始終認為凸模、凹模以及氣墊頂料機構均為剛體，這樣做也可以簡化問題的分析難度，并在一定程度上減小了計算量。

（2）當需要考慮摩擦力時，摩擦力按照庫侖摩擦力來計算，即滑動摩擦力與接觸面間的正壓力成正比，因此，此時的摩擦力也可以用接觸面間的摩擦系數來表征。

（3）由于氣墊壓料力很大，因此，對于氣墊壓料機構與凸模之間的材料，其表面由于受到巨大的靜摩擦力的作用，在成形的過程中幾乎不發生任何位移，或即使發生位移，與其他地方相比，也可以忽略不計，則可以認為此處的材料受到了一個固定約束，即位移為零。

為了出分析的針對性，這里只考慮褶皺與破裂等兩種缺陷分別單獨出現時的情況，并分析其影響因素，而不考慮兩種缺陷同時出現的情況。

3.2 冷沖壓工藝結構

由于驅動橋半殼具有較高的對稱性，因此，直觀地看，可以選擇上端圓面的法線方向作為壓形方向。該方向很好地滿足了“平衡”的要求，即當沿著此方向進行沖壓成形工序時，其成形力與材料的流動都能達到很好的平衡。

壓邊圈與氣墊壓料機構是模具中重要的工藝結構，其具有控制材料流動的作用，對成形件的質量有著重要的影響。

通過成形分析，從圖3可知僅采用氣墊壓料機構時，材料的褶皺最小，成形件整體尺寸精度非常高，而數值模擬的結果顯示成形件上有褶皺，但不是很嚴重，能夠滿足沖壓精度的要求。在該模具的設計中，氣墊壓料機構是不可或缺的結構，在設計過程中應該加以采用。

模具的間隙對成形加工的過程有著重要的影響。此外，成形過程中模具與板料之間接觸的不均勻也導致了應力分布的不均勻，進而造成塑性變形的不均勻，從而引起褶皺與破裂等缺陷。通過將逐漸增大模具間隙，并對成形過程進行連續的仿真，結合壓料力對成形件破裂和褶皺兩方面的影響，當模具間隙處于1.10～1.19 倍壁厚范圍內時，可得到比較理想的成形件，該模具間隙取中間值1.15倍壁厚。

4 確定模具結構

依據上面的工藝分析結果，采用凸模不帶壓邊圈，凹模中間采取氣墊壓料機構的形式設計模具，該冷沖壓模具的總裝圖如圖4、圖5所示。

模具工作過程：模具工作時，利用壓床氣墊將托料塊和托料桿頂起，放置坯料并定位合適，凸模裝在上模，凹模裝在下模。工作時，上模下行，凸模將料片與托料塊和托料桿壓緊；然后，在壓床壓力下，凸模將托料裝置和坯料同時向下推，坯料被逐漸壓入凹模內，在凸、凹模共同作用下，產生塑性變形而制成所要求的制件。整個成形過程中，壓床氣墊壓力保持不變，隨著凸模下行，板料被加工成需要的形狀。

5 結論

該冷沖壓模具結構合理緊湊、裝夾方便、定位準確，操作可靠安全。目前，該模具已完成多輪的試沖，模具經過調整后，沖壓成形件出來的半殼均未出現褶皺、破裂等缺陷。經應用驗證，該工藝方案和冷沖壓模結構是有效且可靠的。