汽车外覆盖件冲压过程中空腔气压对零件成形质量的影响

2024-04-07李嵩茂苏传庆

模具工业 2024年3期

关键词：凹模凸模板料

李嵩茂，苏传庆，高伟

（1.上海小米智能技术有限公司，上海 201206；2.小米汽车科技有限公司上海分公司，上海 201206）

0 引言

目前主流有限元分析软件无法模拟计算空腔气流状态。因此，空腔气流对冲压零件的影响无法准确预防，而冲压过程一旦存在排气不畅便会对零件质量造成影响。目前现场均靠经验设置排气，效率较低，且存在无法完全避免排气不畅的情况。

以下对汽车铝制机盖外板开发过程中设计、调试及整改各环节进行了总结，同时结合伯努利原理建立数学模型，计算排气面积，排除了整改过程中排气不畅的影响因素。

1 常见空腔憋气的典型案例

1.1 型面变形

当A 面（外观面）存在封闭凸台造型时，在冲压成形过程中凸台内部形成封闭空腔，如图1 所示。在排气不畅的情况下，空腔气体会在成形到底时向凸台造型周圈溢出，形成环状面品缺陷，如图2所示。

图1 封闭空腔

图2 排气不畅导致表面变形

1.2 型面麻点

外覆盖件如机盖、顶盖在成形过程中凸模排气不畅，板料在凹模排气孔群处上方气压P上小于下方气压P下，凸模上方气体向此区域排出，最终导致零件在对应凹模排气孔区域形成麻点群缺陷，如图3所示。

图3 凸模排气不畅零件上表面麻点

1.3 回弹影响

模具型腔分为研合区和非研合区，零件成形到底后，研合区型腔间隙H研合为0，非研合区型腔间隙H非研合=0.1～2 mm，当型腔排气不畅时，型腔气流会向非研合区聚集，引起零件变形，如图4所示。

图4 排气不畅在非研合区域的塑性变形

凸模排气不畅，凹模上行压边圈顶起时由于空气无法流入，凸模与零件之间呈负压，造成零件变形，如图5所示。

图5 凸模排气不畅导致脱模变形

2 模型推导

汽车机盖A面占比较大，且造型复杂，以机盖外板为例展开探讨。利用冲压工艺理论，根据有限元仿真分析，当板料接触凸、凹模后形成封闭空腔，建立数学模型。

板料与型腔形成空腔时，空腔体积为V，空腔气体压强为P。

根据气体压强方程PV=nRT得到

其中，P表示气体压强，MPa；V表示气体体积，m3；n表示气体摩尔数；R表示气体常数8.314 J/mol·K；T表示热力学温度（以下计算采用室温20 ℃时的热力学温度）。

根据方程，随着冲压成形的进行，封闭空腔气体体积V逐渐减小，气体作用在板料上的压强P逐渐变大。根据有限元分析，当材料等效塑性应变达到4%时，板料产生塑性变形，此时板料表面接触应力为P塑。

因此，当P＜P塑时，封闭空腔气体不会对零件产生影响。

根据零件形状开设排气孔，开设孔数为N，孔半径为r，孔间距为30～80 mm。压力机冲压速度为16次/min，滑块行程为1 400 mm，根据压力机滑块参数可获得模具闭合时间t，结合图6、图7 可得，t的推导公式见式（2）、（3）。

图7 压力机曲轴原理图

其中，R曲轴=0.5×1 400 mm=700 mm；压力机角速度Ω=1.65 rad/s；s表示空腔气体压强达到材料塑性变形压强时，上模距离闭合的高度。

根据气体动压方程P=0.5ρʋ2，得到：

其中，P塑表示引起材料塑性变形的气体压强，MPa；P0表示大气压强，MPa；ρ表示气体密度，kg/m3；ʋ表示气流平均速度，m/s。

板料重要区域排气孔半径r=3～4 mm，非重要区域排气孔半径r≥6 mm。

在时间t内，排出气体体积V=Qt=AL，其中，Q表示排气孔流量，m3/s；A表示排气面积，m2；L表示每一个排气孔在时间t内排出空气填充圆柱（半径为r）的长度，m。

上式中，A=Nπr2，L=ʋt，m=nM，其中，m表示排出气体质量，g；M表示空腔气体摩尔质量，空气平均摩尔质量为29 g/mol。

结合公式（1）推导得：

结合公式（4）、（5）推导获得整个成形过程压强与排气流量以及排气面积的函数关系：

当型腔压强达到等效塑性应变压强P塑时，代入函数（6）可得

假设型腔气体压强达到等效塑性压强后开始排气，则可推导获得极限状态下排气孔数量的公式：

其中，V0表示刚形成封闭空腔时初始气体体积，mm3；ρ0表示刚形成封闭空腔时初始气体密度，g/mm3。

外覆盖件造型结构如图8 所示，根据图8 开始设计排气孔。

通过断面分析，零件造型存在大面积反凹趋势，如图9所示。

图9 零件存在反凹

在冲压过程中，当凹模与压边圈闭合时，形成封闭空腔V1，此时距离模具闭合还有2.5 s；压力机滑块高度由70 mm 减小到15 mm 时，空腔内气流可由凸模低点排出，如图10所示。

图10 成形过程气流逃逸方向

当压力机滑块高度小于15 mm，模具内开始形成封闭空腔V2、V3，如图11所示的断面C-C、D-D。

图11 封闭空腔断面分析

2.1 计算空腔气体体积

根据CAD 软件，拟合初始空腔气体体积V1=0.114 m3、V2=0.006 m3、V3=0.000 5 m3，如图12、图13所示。

图12 3D软件拟合封闭气体体积

图13 测量气体体积

由推导公式P0V0=P塑V塑，计算得：V1塑=0.002 m3、V2塑=0.000 1 m3、V3塑=7×10-6m3。

根据CAE 软件拟合体积可获得V1塑、V2塑、V3塑分别对应的上模距离闭合前的高度：s1=1 mm、s2=0.5 mm、s3=0.3 mm，代入公式（2）（3）可知：t1=0.02 s、t2=0.01 s、t3=0.01 s。

已知常量：P0=0.1 MPa、P塑=6.5 MPa、ρ0=1.293 kg/m3、r=3 mm，代入公式（7）计算得：N1=354 个；N2=36个；N3=2个。

实际生产中会预先设计排气孔，因此空腔内部压强为预置排气孔泄压后的压强，合理的排气孔数会少于理论计算。当结构空间充足时，可按照理论计算布置排气孔；当结构空间不充足时，可先根据结构条件设计排气孔，然后根据上述中函数关系验算合理性。

2.2 排气孔布置

根据CAE 分析，判定成形过程中气体流动方向，分别在对应V1、V2、V3的位置设计排气孔，如图14～图16所示。

图14 成形过程中凹模与板料干涉情况

图15 成形过程中气流方向

图16 气孔布置

（1）凹模圆角R处排气孔中心线如图17所示，V1如上分析气体流向凹模圆角R处，计算得凹模圆角R最高点等参线长度L1=5 537 mm，孔间距为60 mm，则可打孔数N1'=92 个，小于计算量N1。制作模具零件型面时考虑在V1区域预留偏置加工量，后期模具调试时在型面避空处增加排气孔。

图17 凹模圆角R处排气孔中心线

（2）V2区域排气孔设计如图18 所示，V2空腔气体最低点等参线长度L2=2×（363+137）=1 000 mm，N2'=1 000/60≈16个，比计算值N2少20个。结构设计时凸模与压边圈间隙增加到8～12 mm，增加成形初始阶段排气量以及脱模时的进气量；制作模具零件型面时，考虑在V2区域预留偏置加工量，后期模具调试时在型面避空处增加排气孔。

图18 V2区域排气孔设计

（3）V3区域排气孔设计如图19 所示，V3处封闭空腔为工艺补充空腔，最低点等参线长度L3=1 436 mm，计算得N3'=1 436/60≈28 个，大于N3，模具设计时可以根据模具结构随意布置。

图19 V3区域排气孔设计

2.3 现场调试

按以上计算完成模具排气孔设计后，进行制模调试。

（1）根据现场生产情况，模具完成冲压后，随着上滑块上升，上模负压将零件带起600 mm；当打开压边圈闭锁，零件被带起的高度下降为400 mm。降低压力机滑块速度，由16 次/min 降至7 次/min，重复试模，状况有好转，如图20 所示。由此可初步判断凸、凹模均存在成形零件脱模时进气不畅，且上模负压更严重。

图20 开模时零件被带起

（2）分别对试模工序件进行扫描并与设计数据拟合对比，如图21、图22所示，结果显示回弹规律性差，回弹异常，与CAE 分析相差较大，零件合格率不足50%，判定为空腔气压达到等效塑性变形压强值，导致零件发生塑性变形。

图21 现场试冲扫描结果（回弹量/mm）

图22 CAE计算结果（回弹量/mm）

3 尺寸整改

3.1 工艺更改

根据工艺造型，如图23 所示，材料利用率决定点位于2处，工艺设计时可将1处和3处工艺补充外扩，在不影响材料利用率的情况下增大工艺补充区域，如图23中黑线所示。如此可在工艺补充处增加充足排气孔来满足V2空腔气体排出。

3.2 模具零件型面更改

凹模型面避让设计如图24所示，型面中间突起区域为凸模成形区域，且没有特征线，因此进行避空偏置加工，在此区域可增加排气孔。此处为型面区域，可增加r=2 mm 的排气孔，由CAD 软件测得此处有600 mm×600 mm 区域可增加排气孔，孔间隔30 mm。此处增加排气孔可缓解开模时凹模负压。经计算可增加N1"=20×20=400 个排气孔，去除模具零件筋条干涉，最终可开孔N1"=140 个。则V1排气面积A=92×9×3.14×10-6+92×9×3.14×10-6=0.004 4 m2。

当空腔压强达到等效塑性变形压强P塑时，则可计算得当前数量排气孔下最大排气流量Qmax=12.86A=0.057 m3/s。

模具形成V1空腔时到成形结束剩余时间2.5 s，Qmaxt=0.057×2.5=0.14 m3＞V1，可满足排气条件。

凸模型面避让设计如图25所示，型面凹陷造型区域为凹模成形，此处以凹模为基准，偏置加工凸模凹陷区域，设计0.2 mm避空。