论覆盖件拉延模拉延筋作用及其同材再造

2021-03-29田卓华北汽福田汽车股份有限公司

锻造与冲压 2021年6期

文/田卓华·北汽福田汽车股份有限公司

马超，曹翔宇，黄晶晶·北汽福田奥铃汽车厂

自2013 年以来，国内汽车产量一直保持在2000 万辆以上，无论车身设计还是制造质量均已接近发达国家汽车制造水平。但是，一些复杂车身覆盖件拉延模设计与开发仍需进一步提高。车身覆盖件拉延模对于合格拉延工序件具有举足轻重的地位，常言道成也拉延，败也拉延。

覆盖件拉延破裂或皱纹是工艺补充和压料面联合作用的结果。常常受制于开发经验的不足及CAE 分析软件的局限性，复杂拉延工序件工艺设计有时不尽完美，困扰着汽车模具制造水平的提升，即使在现代计算机虚拟分析已经十分普及的今天。因为，再先进的分析软件，都是设计师的工具和助手，借助分析系统能够快速虚拟显示、证明设计师的匠心独具，助力造型设计极致完美。

主要有三个要素迫使拉延模工艺造型设计急待变革。首先，复杂覆盖件模具制造调试阶段，产品表现瘪塘或波纹，需要局部增添或加高拉延筋；其次，总有一些调试钳工急于求成，仓促打磨，毁掉拉延筋或其一部分，但是根本问题并没有完全解决，甚至出现新的缺陷，往往需要恢复拉延筋；再次，服役模具经过数十万次冲压，拉延筋磨损，也需要再造拉延筋。

上述增添、恢复、再造拉延筋三种模态，本质是压料面凸筋需要堆积材料，另一侧去除材料。堆积拉延筋，大多采用比较节约的焊接工艺。堆焊筋常常有焊接气孔和裂纹，二者都是破坏拉延表面及增阻的罪魁祸首。尽管有先进的工艺，诸如激光烧结、凝结粉材工艺，迫于多种原因始终没有普及。改变拉延筋方向，可以容易重构拉延筋。改变拉延筋方向设计，势在必行，功在设计之变革，利在当下与未来。

拉延筋传统再造

拉深力主要由拉延筋产生，拉延筋的阻力可达到拉深力的98.5%，如图1 所示。车身地板拉延工艺设计，CAE 分析压料力120t、拉深力1000t，摩擦系数0.15，拉延行程400mm，材质DC06-0.8。

图1 车身地板拉延工艺设计

无论是新制作模具还是服役多年的模具，拉延筋难免需要重构。图2 为某车型发罩外板，拉深工序件侧部波纹，经过修边、翻边工序后的产品波纹趋势和拉延完全一致，如图3 所示，检测型面误差用红色数字表示，约500mm长的范围内，波纹在-2.8～1.3mm之间波动，面差最大波动4.1mm，发罩左右两侧波纹基本对称。

图2 拉延工序件

图3 发罩外板侧部波纹

借助于CAE 分析软件，在设计阶段，许多拉延造型能够虚拟显示破裂与吸颈、起皱与波纹，设计师会把拉延筋及工艺补充造型做到尽善尽美，在产品及模具合格的前提下，实体验证与虚拟分析基本一致。但是，现实中总有一些在虚拟世界难以精准把握的产品，一旦在模具验证阶段表现不良，经常需要增加一条拉延筋。再造凸筋，最简易的办法是堆焊。堆焊凸筋常见弊病是气孔和裂纹，且很难彻底杜绝，最致命的是堆焊材质与基体不同，由于热应变，模具表面强化处理往往出现二次裂纹。

造成拉延筋重构的原因有以下两点，导致新开发模具增添拉延筋的概率升高。

⑴CAE 分析软件本身有局限性，即虚拟拉延过程认为模具是刚体，即受力状态不变形。实际是覆盖件拉延模在力的作用下发生形变及位移。有人曾经用数控铣床检测卡车门板模具在重力作用下的变形。在数控铣床工作台面，模具基本夹持长度的一半，另一半悬空，检测出Z 向下垂0.07mm，一般模具结构尺寸越大，下垂越大。因为冲压件结构不同，模具结构也不同。即使产品结构类似，各模具厂设计标准不统一。所以，CAE 软件系统无法定义模具结构力学模型，受力变形无法计算。这是分析软件系统最大的局限性。

⑵复杂覆盖件建型及分析取决于设计经验。经验不足，有时难以发现风险所在。如图4 所示的发罩拉延工序件，调试阶段产品左右两侧波纹较大，局部流料过快是造成侧壁波纹的原因。模具出厂前，压料面堆焊增添一条筋，局部变为双筋，波纹范围内红色线条表示增添的筋。

图4 发罩拉延工序件

拉延筋便捷再造

打破传统设计理念，改变拉延筋方向，凸筋在下，凹槽在上，使重构拉延筋变得非常简洁又可靠。最重要的是拉延筋在基体上生成，与模具同材。图5 为改变方向的拉延筋结构。无论是新模具还是旧模具重构拉延筋十分便捷，从源头规避了堆焊缺陷。

图5 改变方向的拉延筋结构

凸筋在下，即在压边圈上，凹槽在上，拉延筋增阻效应并未改变。模具调试阶段若需要增加筋，只要数铣降型，凸筋浮出，无需补焊，同时压料面调整垫安装面同等降低；凹槽在凹模压料面铣出。如此改造，模具闭合高度依然不变。如果在服役模具需要同材恢复筋，只需要数铣压料面，上模无需做任何改动。对于严重磨损的模具，若考虑凹槽口两条棱线的磨损，也无需补焊，只要凸筋适当增高，比模具初始设计筋高，或改变圆筋为梯形筋，能够抵消凹槽磨损的不利因素。当然，凹槽也要做相应变更，仅仅是凹槽。

传统设计理念，凸筋在上，若模具使用方不接受补焊，压料面及整个凹模型面都要降型，数铣量是压边圈压料面的几倍到数十倍，且模具闭高发生变化。

超级模具调试，在CAE 分析基础上，筋的重构再造及其他任何型面变更，全部依靠数铣完成。拉延模压料面和筋的微调，不再手工打磨。打磨不仅不精准、不一致，让交付后的模具维修没有数字模型，无法传承。

也许有人担心凸筋在下，影响板料定位。实际大可不必有此担忧，因为，板坯定位依靠四周定位板已经十分稳定，理论上定位板有效定位增加一个凸筋的高度，约4.0 ～6.0mm。只是板料接触压料面面积较小，筋的顶面撑起板坯与压料面有间隙，拉延增阻和筋在上模完全一样。无论凸筋在上或在下，压边圈升起，滑块下降接料，都是在底缸压力作用下板料先生成筋，滑块继续下降，板料流过筋产生阻力，即拉伸力。

深拉延模具和高强度板拉延模具，筋的磨损较快，每当冲压一定量，磨损致使拉延作用降低或失效，为便于恢复，凸筋在下，容易数铣降型再造。由于是本体材质，彻底规避焊接裂纹、气孔等缺陷，更不会有日后表面强化处理导致焊接部位出现二次裂纹。通常压边圈压料面厚度为50mm，降型恢复凸筋，极限情况最大减薄一个筋的高度。开发设计压料面和调整垫座面时，厚度预留5 ～8mm，即压料面厚度为55 ～58mm。

覆盖件拉延模几乎全部采用倒装结构，工作时凹模在上，凸模及压边圈在下。拉延筋的传统设计概念，起源于开发经验不足和数控铣床资源稀缺。在上模压料面设计凸筋，下模压边圈设置凹槽，之所以如此设计，是假设凸筋正确，只动下模凹槽，便于人工打磨。图6 为拉延模压料面传统筋布局。形成传统拉延筋的原因有以下三个。

图6 拉延模压边面传统筋的布局

⑴调试方便。20 世纪80、90 年代，拉延模凸筋在上，凹槽在下，认为便于钳工调试打磨。相反，凹槽在上，仰打不方便，沙灰侵染面积较大。这个习惯，貌似简约，其实不然。简单的前提是假设凸筋不改，需要加速进料，只好打磨、放大下模凹槽口部棱线R以降低阻力。若需要增阻，绝对不简单。增补凸筋，或增高凸筋，调试依然是先堆焊，再仰打。钳工劳动强度大，环境污染严重。从大概率事件来看，旧的设计模50%打磨下模凹槽，50%打磨上模堆焊凸筋。

⑵资源稀缺。那时，数控铣床刚刚起步，人工调试打磨十分普遍。能够手工改造的，绝不用数控铣床；但是，丝毫顾及不到手工变更型面是不可传承和复制的。

⑶标准较低。那个年代，CAE 分析基本处于初级阶段，精准度较低。筋的再造全部采用补焊工艺，堆焊气孔和裂纹较普遍，主机厂不得不让步接收。