汽车驱动桥壳冷冲压模具设计

2022-11-02王晓峰

模具制造 2022年9期

关键词：压料凹模凸模

王晓峰

（陕西保利特种车制造有限公司，陕西西安 710200）

1 引言

图1 所示为驱动桥半桥壳，是我公司新型驱动桥的一个关键制件，驱动桥半桥壳的质量直接影响着整个驱动桥的质量，其材料为Q460C，半壳壁厚为11mm。

2 加工难点

制造半壳的冲压工艺，又可分为“冷冲压”和“热冲压”。目前使用较多的是热冲压，即在冲压成形加工之前，先将板料加热至727℃～1,394℃，以提高材料的塑性，然后再进行冲压成形。对于后桥壳这种较厚的板料，这种加工方法可以有效避免冷冲压可能产生的厚度不均匀、成形件破裂以及内应力等加工缺陷。

冷冲压技术就是通过压力机驱动模具，使板料产生塑性变形而最终形成一定形状的塑性成形方法。冷冲压技术刚好能克服热冲压的缺点，而且成形件生产成本很低，生产效率也较高，适合大批量生产。但冷冲压以往是用在汽车覆盖件等薄板料的制造过程中，材料厚度在8mm 以下。随着模具技术的进步，更好的模具材料、热处理方法、先进的设计方法，以及成形分析手段的发展，利用冷冲压冲制10mm 以上的驱动桥后桥壳成为可能。

目前，冲焊后桥壳的制造仍然以热冲压为主，冷冲压只占少数。但综合考虑制件质量、生产成本等因素，其实二者各有利弊，如表1所示。

表1 冷冲压与热冲压的对比

从表1 中可以看出，冷冲压与热冲压各有各的优点，其中，冷冲压成形件质量相对较差，但生产成本很低，生产效率也较高，因此适合大批量生产；而热冲压虽然成形件质量相对较好，但其生产成本很高，生产周期也较长，不利于生产率的提高。基于以上考虑，目前各大后桥壳生产企业纷纷开始研究冷冲压技术。

3 冷冲压模具工艺结构对比与参数分析

3.1 冷冲压工艺及其数值分析模型

在冷冲压加工过程中的冲压步骤是其中的关键环节，为选择合适的冲压步骤工艺结构和参数，需要对其进行数值分析。在板料的冲压成形过程中，数值模拟技术发挥着重要的作用。因此，本文采用Dynaform 软件对后桥壳冷冲压工艺参数及模具设计进行数值模拟分析。根据冲压模具设计经验，本文将使用如图2所示的结构作为冲压方案。

图2中，上下两边分别为凸模与凹模，中间为待成形的板料。并针对该方案在Dynaform 软件中构建了数值分析模型。半壳的壁厚为11mm。材料为Q460C，其弹性模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7,800kg/m3。

在不影响分析结果的前提下，对整个冷冲压模拟过程做如下假设：

（1）在分析的过程中，始终认为凸模、凹模以及气垫顶料机构均为刚体，这样做也可以简化问题的分析难度，并在一定程度上减小了计算量。

（2）当需要考虑摩擦力时，摩擦力按照库仑摩擦力来计算，即滑动摩擦力与接触面间的正压力成正比，因此，此时的摩擦力也可以用接触面间的摩擦系数来表征。

（3）由于气垫压料力很大，因此，对于气垫压料机构与凸模之间的材料，其表面由于受到巨大的静摩擦力的作用，在成形的过程中几乎不发生任何位移，或即使发生位移，与其他地方相比，也可以忽略不计，则可以认为此处的材料受到了一个固定约束，即位移为零。

为了出分析的针对性，这里只考虑褶皱与破裂等两种缺陷分别单独出现时的情况，并分析其影响因素，而不考虑两种缺陷同时出现的情况。

3.2 冷冲压工艺结构

由于驱动桥半壳具有较高的对称性，因此，直观地看，可以选择上端圆面的法线方向作为压形方向。该方向很好地满足了“平衡”的要求，即当沿着此方向进行冲压成形工序时，其成形力与材料的流动都能达到很好的平衡。

压边圈与气垫压料机构是模具中重要的工艺结构，其具有控制材料流动的作用，对成形件的质量有着重要的影响。

通过成形分析，从图3可知仅采用气垫压料机构时，材料的褶皱最小，成形件整体尺寸精度非常高，而数值模拟的结果显示成形件上有褶皱，但不是很严重，能够满足冲压精度的要求。在该模具的设计中，气垫压料机构是不可或缺的结构，在设计过程中应该加以采用。

模具的间隙对成形加工的过程有着重要的影响。此外，成形过程中模具与板料之间接触的不均匀也导致了应力分布的不均匀，进而造成塑性变形的不均匀，从而引起褶皱与破裂等缺陷。通过将逐渐增大模具间隙，并对成形过程进行连续的仿真，结合压料力对成形件破裂和褶皱两方面的影响，当模具间隙处于1.10～1.19 倍壁厚范围内时，可得到比较理想的成形件，该模具间隙取中间值1.15倍壁厚。

4 确定模具结构

依据上面的工艺分析结果，采用凸模不带压边圈，凹模中间采取气垫压料机构的形式设计模具，该冷冲压模具的总装图如图4、图5所示。

模具工作过程：模具工作时，利用压床气垫将托料块和托料杆顶起，放置坯料并定位合适，凸模装在上模，凹模装在下模。工作时，上模下行，凸模将料片与托料块和托料杆压紧；然后，在压床压力下，凸模将托料装置和坯料同时向下推，坯料被逐渐压入凹模内，在凸、凹模共同作用下，产生塑性变形而制成所要求的制件。整个成形过程中，压床气垫压力保持不变，随着凸模下行，板料被加工成需要的形状。