派力奧左右支架成型變薄和開裂問題的分析和解決方法

 本文通過對派力奧轎車前橫梁裝置中的左右支架在OTS沖制成型時產(chǎn)生的開裂和變薄問題的原因分析和解決，指出重視成型的受力分析、合理制定成型工藝，以及科學的確定成型料片形狀尺寸是沖壓成型成敗的兩個關(guān)鍵因素。  
 
   南亞Palio（派力奧）轎車的前橫梁裝置的左右支架是一對焊接在前橫梁裝置中的兩個重要零件，與左右前側(cè)加強板對應(yīng)地構(gòu)成安裝左右前擺臂總成的連接件。它們由厚度為3.5mm的St12Q鋼板沖制而成。St12Q是中國寶鋼生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)用鋼板，其化學成份是：C≤0.10、Si≤0.05、Mn0.4至1.0、P≤0.03、S≤0.025、Al≥0.02；機械性能為：σb 320至390MPa、σs 215至285MPa、δs %（L0=80mm）≥32。屬于拉伸性能與08、10鋼相近的、用于汽車底盤零件的冷軋鋼材。在沖制時，如果采用左或右單件沖制，則會造成模具單邊受力，這不利于模具或沖壓設(shè)備的使用壽命，而且生產(chǎn)效率低。由于其形狀為完全對稱的特殊性，這就為左右件成對沖制提供了可能。因此，最初左右支架的沖壓工藝流程是這樣確定的：左右支架落料沖孔→左右支架成型→左右支架沖孔切開→左右支架整形，共四道。

問題的出現(xiàn) 

   當樣品在第二道成對成型時，左右支架產(chǎn)生了嚴重的開裂和變薄的問題，并一直未能得到解決。 
工藝分析 

   成型包含翻邊、彎曲和拉“八字”三種復(fù)合變形。即沖件料片在成型時處于多向復(fù)雜拉應(yīng)力的受力狀況，其中主要是受三向拉應(yīng)力，如圖5中受力方向箭頭所示�？梢栽O(shè)想：當料片進入模具型腔，料片受拉應(yīng)力隨之開始，隨著成型拉伸的不斷深入，作用力不斷加大。由于料片形狀尺寸存在的不足，阻礙了材料流動；成型阻力的不斷加大，造成受力集中區(qū)域的材料厚度不斷減薄以滿足成型的需要；隨著受力集中區(qū)域材料不斷變薄，該處材料強度失穩(wěn)、直至最終開裂。

解決問題方案的選擇 

   從上面可以初步得到這樣兩個結(jié)論：左右支架開裂的第一個原因是：成型工藝選擇不當，將多種復(fù)雜拉應(yīng)力過于集中在一個道序中，使材料的變形程度超過了許可條件；另一個原因是用于成型的料片形狀尺寸的確定存在不足，阻礙材料成型時的流動，形成阻力，最終導致材料的開裂。 

兩種方案選擇的分析和比較 

   面對“成型工藝”和“料片形狀尺寸”這兩個造成左右支架變薄和開裂的原因，究竟從何著手，是兩個一起解決，還是選擇其中一個？要作出正確的選擇，就要對這兩個方案的利弊作一個比較。 

   要想改變多種復(fù)雜拉應(yīng)力集中在一個道序的成型工藝選擇不當?shù)膯栴}，就必須將原工藝方案推倒重來。辦法是將第二道成型由原來翻邊、彎曲和拉“八字”成型狀況改為翻邊和彎曲兩個成型狀況，即由原來的受三向拉應(yīng)力改為受二向拉應(yīng)力，去掉那個拉“八字”形狀的最大的拉應(yīng)力σ1（或?qū)ⅰ鞍俗帧毙螤钭鲂。�，而將拉“八字”形狀的成型工作留到第四道整形道序去完成（注：在第四道整形時，原來有功能要求的減薄部分的情況會得到很好改善，而底筋部分將會在整形時受拉伸會有所變薄，好在底筋部分是用于焊接，少量變薄并無大礙，如果變薄量過大，則要增加切邊道序解決）。這樣就要求第一道落料、第二道成型和第四道的整形模具進行重開。這幺大的工作量，對交樣時間緊迫的現(xiàn)狀來說已無可能。 

   解決料片形狀尺寸存在的不足問題，則相對簡單。只要把料片的形狀尺寸中阻礙材料流動的部分，即在料片底邊原來為直邊狀被拉成弧線狀態(tài)的地方去掉就可以了。至于去掉多少，則要通過試沖校（料）片來確定。這樣做就可以將原來阻礙、牽制材料流動的拉應(yīng)力大大減少，使材料能在拉伸的過程中順利進入模具型腔，而不受原來料片形狀尺寸那樣的限制。為慎重起見，還在原來變薄部分的外邊緣增加一些“月牙”條狀切邊余量。 

   由于拉伸部分的外邊緣抵抗受拉的能力最薄弱，外邊緣最容易變薄，需要切去邊緣的減薄部分，才得到所規(guī)定厚度的零件。這樣，就要求對料片的形狀尺寸重作修改，即第一道的落料模要重開模具，并增加切邊道序。這種方法的缺點是材料浪費較多，從長遠看不經(jīng)濟。 

選擇改變料片形狀尺寸 

   采取第一種辦法，沖件質(zhì)量比較理想且材料利用率也相對較高，但重開落料、成型和整形模具時間已不許可（如果底筋部分整形時變薄量過大可能要加切邊模）。采取第二種辦法，沖件質(zhì)量也還可以，但材料利用率相對較低。不過，后者只須重開一副落料模，切邊模比較簡單且可放在以后再開，而外邊緣增加的一些“月牙”條狀切邊余量可以加工（磨）掉，以確保OTS送樣。權(quán)衡利弊后，改變料片形狀尺寸還是最佳的方案。 

方案的實施過程 

料片形狀尺寸的確定 

   先在原來料片底邊的地方挖去一個“半圓弧”，開裂現(xiàn)象明顯得到改善，但減薄問題依然存在。經(jīng)過多次反復(fù)試沖校（料）片，最終獲得了較理想的料片形狀尺寸，并被確定。 

最終選定料片的成型效果 

    通過與原來產(chǎn)生開裂、變薄處的狀況與現(xiàn)在的尺寸做比較，不難看出：原沖壓零件的前后缺口處產(chǎn)生開裂和變薄，其中開裂處板的厚度為2.2mm，變薄處板的厚度僅為2.0 mm；成型時的沖件左右兩側(cè)產(chǎn)生嚴重開裂。因此，選擇改變料片形狀尺寸的方案以及用最終確定的料片是基本可行的。雖然最終成型的料片左側(cè)拉薄處的厚度只是2.7 mm，未達到規(guī)定的2.8 mm，但經(jīng)切邊后的零件已達到預(yù)期的效果，確保了按時交付OTS樣件和批產(chǎn)供貨。 

左右支架最終工藝流程是：落料沖孔→成型→沖孔切開→整形→切邊，共五道。 

結(jié)束語 

   如何合理制定成型工藝、重視成型的受力分析，避免多種復(fù)雜應(yīng)力過于集中在某一道序?qū)е鲁�越了材料的拉伸極限，以及科學的確定成型料片形狀尺寸（最好事先進行CAE受力分析），是沖壓成型成敗的兩個關(guān)鍵因素。這也是少走彎路，加快新產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑。這兩個問題必須認真加以對待。以上實踐也反映了，經(jīng)驗十分重要，但借助于有限元分析等科學輔助手段，可以從中得到不少有益的幫助。