延时氮气弹簧在四工具体单动拉深模中的应用

高春建，丁怀志

（一汽红塔云南汽车制造有限公司，云南 曲靖 655000）

0 引 言

传统的单动拉深模由凹模、凸模、压边圈3个工具体构成，可称为三工具体单动拉深模。冲压时凸模不动，凹模与压边圈压住坯料往下运动，结束后凹模与凸模贴合得到所需的拉深零件。在该冲压过程中，坯料发生了复杂的拉深、压缩变形，常出现开裂、起皱叠料缺陷。

汽车内覆盖件零件中，类似后围上边梁零件在拉深时存在中部位置叠料的问题，用三工具体单动拉深模无法解决。四工具体单动拉深模在凹模中部增加一个上压料块，由凹模、上压料块、凸模、压边圈四部分构成，冲压时凸模不动，凹模与压边圈压住坯料往下运动，当坯料与凸模接触处于胀紧状态时，上压料块压紧坯料继续拉深直到结束，保证拉深件中部位置平展不叠料。这是理论上对四工具体拉深模的认识，但在实际应用中，上压料块压料源的选择至关重要，选用普通氮气弹簧还是延时氮气弹簧，要考虑冲压设备是否具有下气垫闭锁功能。

1 后围上边梁的结构特点与质量要求

后围上边梁如图1所示，由形状复杂的空间自由曲面构成，零件外形尺寸为625 mm×360 mm×210 mm，材料为1.0/FC260P，冲压工艺为：拉深、修边冲孔、修边冲孔、上下翻边整形、侧整形。根据经验，在最小负角冲压方向上，预判零件中间最低位置会出现起皱甚至叠料。

图1 后围上边梁零件

2 零件冲压模拟分析

2.1 三工具体单动拉深CAE分析

在CAE可成形性分析阶段，使用三工具体单动拉深进行模拟。由于各方向拉应力和压应力不均匀，在成形零件的中部存在叠料，在较深的圆角根部出现开裂现象。通过调整冲压方向、工艺补充面、拉深筋系数，未见零件开裂，但仍存在叠料现象，如图2所示。

图2 三工具体拉深CAE分析结果

通常解决叠料的方法是产品设计变更，在叠料区域增加凸包或凹坑，吸收多余材料得以实现，但后围上边梁零件不允许增加凸包或凹坑，只能从冲压工艺和模具结构设计方面进行优化。

2.2 四工具体单动拉深CAE分析

使用三工具体分析发现零件中部叠料问题没有得到解决，考虑使用四工具体进行CAE分析，四工具体拉深CAE分析如图3所示，通过多次调整上压料力及压料行程，最终确定压料力30 kN，行程40 mm，得到较理想的冲压模拟结果，从CAE分析结果看，成形零件中部叠料问题消除，如图4所示。

图3 四工具体拉深CAE分析

图4 四工具体拉深分析结果

3 四工具体拉深模结构设计

3.1 上压料块压力源的选择

四工具体单动拉深模压料块压力源可选择普通氮气弹簧或延时氮气弹簧，但两者在使用上有严格的界限，如使用不当会造成冲压件的损坏，使用条件如表1所示。

表1 普通氮气弹簧与延时氮气弹簧的使用条件

如果在没有闭锁功能的冲压设备上使用普通氮气弹簧，在冲压结束后，冲床上滑块返程运动时，氮气弹簧打开，同时压边圈向上顶起，成形零件受到一上一下的力作用，导致拉深到底时完好无损的零件严重损坏，如图5所示，由于现有的机械压力机没有闭锁功能，不能选用普通氮气弹簧为压力源，只能使用延时氮气弹簧。

图5 使用普通氮气弹簧的冲压件受力分析

3.2 延时氮气弹簧的工作原理

延时氮气弹簧可在其底部位置将其锁定且弹簧回程可控，如图6所示，延时氮气弹簧由气缸、导向总成、单项活塞阀总成、内活塞杆、常开阀组成。弹簧中的氮气密封在上、下储气室中，当进行冲压行程时，下储气室中的氮气通过活塞杆总成中的单向阀进入上储气室。到达冲压下止点时，向常开阀施加0.4 MPa的压力空气将其关闭，上气室压力大于下气室压力，活塞杆被锁住，机床上滑块回程时，活塞杆不会马上返回上止点位置，从而起到延时可控的作用。关闭压缩空气，打开常开阀，上储气室中的氮气通过内部活塞杆返回至下储气室，使活塞杆返回其伸长位置。

图6 延时氮气弹簧

延时氮气弹簧的运动主要由滑动控制开关、阀组件、气管三大部分实现，其连接关系如图7所示，控制过程如下：①通过高压气管将2个氮气弹簧串联并连接到压力表，通过压力表将氮气弹簧充入氮气；②用低速气管串联氮气弹簧低压控制阀，最后连接到气动行程开关，气动行程开关与外部机床气源连接，在未受到行程限位杆挤压前，气动行程开关处于关闭状态；③当模具下行时，氮气弹簧活塞杆受力压缩，氮气从氮气弹簧的下气室通过单向阀压入到上气室中，同时气动行程开关随模具下行时受行程限位杆挤压呈打开状态，低压气体联通氮气弹簧的低压控制阀，阀体受压关闭，下行到规定行程后，因上、下气室的气体不流通存在压力差，达到锁定的状态；④当模具上行时，气动行程开关不再受压后关闭，低压控制阀打开，下气室通过控制阀实现与上气室连通，气体通过导气管从上气室回到下气室，活塞杆恢复原位，氮气弹簧恢复到原状态。

图7 延时氮气弹簧运动部件

3.3 延时氮气弹簧型号选择

延时氮气弹簧工作曲线如图8所示，根据CAE冲压模拟分析，能保证零件后围上边梁中部不叠料所需上压料块压料力为30 kN，工作行程是40 mm，为实现最佳闭锁功能，必须使用工作行程±0.5 mm，以提供最多1 mm的回弹距离，选择2个型号为KF2 1500-40的延时氮气弹簧。

图8 延时氮气弹簧工作曲线

3.4 四工具体单动拉深模结构

四工具体单动拉深模结构如图9所示，冲压时凹模8与压边圈2将坯料压紧向下拉深，可控延时氮气弹簧7的常开阀处于打开状态，活塞杆处于伸长状态，产生压力传递给上压料块6，上压料块与凸模1压紧坯料中部直到拉深结束。拉深结束后，凹模与滑动控制开关接触，通过控制气管将常开阀关闭，可控延时氮气弹簧杆7活塞处于到底锁紧状态；普通氮气弹簧5克服上压料块质量，与凹模保持相对静止状态。凹模、上压料块、可控氮气弹簧与机床滑块同时向上返程，压边圈向上推出成形零件，冲压结束。返程过程中，凹模脱开了滑动控制开关，常开阀打开，可控延时氮气弹簧缓慢打开，进入下一个冲压准备。

图9 模具结构

对后围上边梁零件进行试模验证，冲压件实物如图10所示，中间最低位置起皱叠料缺陷得到消除，满足产品使用要求。

图10 冲压件实物

4 结束语

在四工具体单动拉深模中，通过应用延时氮气弹簧有效解决了冲压设备没有下气垫闭锁功能、压边圈向上运动、上压料块回程造成零件冲击变形的问题。对于拉深较复杂、易起皱叠料的冲压件，采用延时氮气弹簧能取得良好效果。