本文興迪源機械帶來武漢中人瑞眾汽車零部件韓耀東：汽車縱梁內(nèi)襯筒深拉伸件工藝分析，本文闡述了拉伸工藝設計中所涉及到的工藝分析，修邊余量的確定，型面修補、高矩形盒?的判別，翻孔尺寸的計算，毛坯尺寸的確定與修補，凸、凹模圓角半徑的選擇，拉伸次數(shù)的計算，各工序拉伸工藝參數(shù)的計算等，對高矩形拉伸模具工藝設計具有一定的指導意義。
一、引言：
隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，在計算機三維軟件輔助設計造型的幫助下，汽車?零部件形狀的復雜程度越來越高，尤其是新材料、新?工藝的應用，給汽車行業(yè)帶來了翻天覆地的變化。但是，在傳統(tǒng)的汽車制造業(yè)中，沖壓、焊接目前還是主流趨勢。沖壓模具設計制造是汽車行業(yè)“四大工藝”的?源頭，同時也是最為關(guān)鍵的部分，而拉伸模的設計與?制造就是沖壓模具設計與制造的重中之重了。深拉?伸、高強板的成形工藝仍然是沖壓行業(yè)的難題，特別?是深拉伸工藝。
二、制件介紹：
圖1所示制件是汽車底盤縱梁上連接保險杠的一個部件，俗稱內(nèi)襯筒，材料?DX54D+Z，料厚?2.5mm，?屬于盒形深拉伸件。從這個零件的使用要求分析，法?蘭面是與保險杠裝配的平面，必須平整，而且孔位是?安裝孔，所以孔位尺寸必須正確穩(wěn)定，確保保險杠安裝后外觀平滑均勻；拉伸件的盒型壁面是與縱梁貼合?的焊接面，尺寸、垂直度及相對幾何尺寸都有要求，同?時該零件還有功能要求，材料的壁厚變化不能超過一?定的限度，要確保零件的壁厚均勻，滿足強度要求。
圖?1???內(nèi)襯筒制件圖
三、工藝分析：
盒形件拉伸與圓筒件的拉伸相比，最大的差別是?拉伸周邊的變形不均勻，圓筒件的拉伸工藝及計算目?前還比較成熟，但是盒形件、尤其是異形盒形件的成?形工藝及計算目前還沒有比較成熟的方法，很大程度?上依據(jù)經(jīng)驗法處理，方法也多種多樣。因此，在沖壓?工藝設計和模具設計當中，需要解決的問題和解決問?題的方法也不完全相同。雖然現(xiàn)階段的計算機?CAE?輔助分析，給傳統(tǒng)的工藝分析提供了很大的幫助，但?仍然離不開傳統(tǒng)經(jīng)驗數(shù)據(jù)的處理。為此制定制件成?形的初步工藝方案是：①落料（需要計算確定毛坯尺?寸）；②拉伸（拉伸次數(shù)待定，需要通過計算分析）；③?整形打??；④修邊沖底孔；⑤翻孔；⑥沖孔。
3.1????毛坯形狀和尺寸的確定
（1）修邊余量的確定。在拉伸過程中，由于材料機械性能各向異性，模具間隙的均勻性、板厚變化、摩擦阻力不等及定位不?準等原因的影響，拉伸外形的凸緣周邊會產(chǎn)生不齊的?現(xiàn)象，尤其是深拉伸件、盒型件，凸緣形狀復雜的原?因，外形必須進行修邊。所以在計算毛坯尺寸時，需?要考慮修邊余量。有凸緣盒型拉伸件的修邊余量可?以根據(jù)“有凸緣筒形拉伸件的修邊余量δ”表格查詢
（盒型件以短邊為查表依據(jù)），凸緣寬度b凸=110.3mm、短邊寬度b=60.03mm，凸緣的相對比值?b?凸/b=1.84mm?計?算?查?表?，得?到?修?邊?量?δ?=3mm，考?慮?材?料?的?厚?度?2.5mm，修邊量取值δ=3mm?適宜。
（2）型面修補?？紤]到零件的底部是敞口的，為方便拉伸，底部需要做成封閉型面，然后經(jīng)過沖孔、翻邊達到零件的?最終效果，需要進行補面。取盒形件壁部圓角半徑最?小的一個?R=20.5mm?計算底部的翻邊量。為了使翻邊?的痕跡盡可能的小，翻邊預孔直徑?d?盡可能取大，需要?將沖底孔的尺寸取到拉伸件的底部圓弧切點處。從?拉伸的角度分析，底部圓角?r?較大，對拉伸有利，但是?翻邊時的極限翻邊系數(shù)?K?值與材料的性能、預孔的加?工性質(zhì)和狀態(tài)、d/t?的比值、凸模的形狀有關(guān)。目前材?料性能已經(jīng)明確，加工方式是沖壓，翻孔凸模采用圓?柱形凸模，現(xiàn)在需要確定的是底部圓角半徑?r，它是直?接關(guān)系到零件的拉伸與翻邊成功的關(guān)鍵因素。r?越?大，d?就越小，d/t?的比值越小，極限翻邊系數(shù)越小，對翻孔有利，但是它還直接與零件的實際翻邊系數(shù)有?關(guān)，d?越小，零件的實際翻邊系數(shù)就更小，這是一個矛?盾?的?統(tǒng)?一?。如?圖?2?所?示?，先?假?設?r=10mm，壁?厚?t=?2.5mm，那么?d=21mm，d/t=21/2.5=8.4，查表“低碳鋼的?極限翻邊系數(shù)?K”得知：Kmin=0.52，而此時的實際翻邊?系?數(shù)?=21/43.5=0.48，顯?然?小?于?極?限?翻?邊?系?數(shù)?，不?可?取。再假設?r=9mm，計算結(jié)果還是不可取。現(xiàn)在再假設底部圓角r=7.5mm，此時角部預沖底孔的直徑d=26mm，d/t=10.4，查表，Kmin=0.55，而實際的翻邊系數(shù)?K=?d/D=26/43.5=0.6；大于Kmin=0.55，滿足翻邊要求。所以確定底部圓角?r=7.5mm。現(xiàn)在再來計算一下翻孔的高度值。
圖?2???翻孔示意圖
翻孔的高度?：h2=（D-d）/2-（r?+?t/2）+?π/2（r?+?t/2）=（43.5-26）/2-（7.5+2.5/2）+3.14/2（7.5+2.5/2）=13.74mm拉伸件的高度確定：63.27-13.74=49.53mm由此可以確定修補后零件的形狀，如圖3?所示。
圖?3???修補后的零件圖
（3）毛坯尺寸計算。正確地確定盒形件拉伸毛坯的形狀和尺寸，不僅能夠節(jié)省板材和節(jié)約工序，而且也有利于毛坯的變形?和保證零件的質(zhì)量。當毛坯的尺寸過大時，能夠引起?危險斷面上拉應力顯著地增大，對提高變形程度和減?少工序不利；毛坯尺寸過大部分的變形程度減小，必?然使拉伸變形較多地集中到其余部位上去，于是增加?了沿毛坯周邊變形分布不均的程度。這樣成形的零件壁厚不均，而且也容易引起變形過分集中，局部起?皺開裂等缺陷，降低零件的質(zhì)量。毛坯尺寸過小時，?零件成形缺料、修邊不充分或者產(chǎn)生起皺折疊等缺?陷。盒形件拉伸時確定毛坯形狀和尺寸的原則：既要?保證毛坯面積等于零件面積，又要保證零件成形時材?料流動的對稱性，避免盒形件成形時不均勻變形的特點，考慮材料在變形過程中的材料轉(zhuǎn)移的復雜性，還?需要對毛坯的形狀和尺寸做一定的修正。從圖?3??分析，這個零件實際是梯形，可以近似認為是60.03?×75.82mm?的矩形盒?，高?度?58.38mm；h/b=58.38/60.03=0.97（＞0.7～0.8），屬于高盒形件。根據(jù)表面積相等的?原則，展開制件的毛坯尺寸如圖?4?所示。
圖?4???毛坯的展開尺寸
a——原始展開尺寸?????b——修正后的展開尺寸
現(xiàn)在還不可能比較精確地用計算的方法事先確?定出正確的毛坯形狀和尺寸，初步考慮，在圖?4a?中，A/?B?處材料流動不均勻，拉伸時容易起皺或折疊，需要進?行適當?shù)男扪a，如圖?4b?所示，確保拉伸時材料進料的?均勻性。最終精確的尺寸需要在模具調(diào)試的過程中?再進一步修訂。
3.2????初步估算拉伸次數(shù)和拉伸系數(shù)
（1）拉伸次數(shù)。
對于高盒形件，一般需要多次拉伸，可以“根據(jù)盒?形件總拉伸系數(shù)定矩形件的拉伸次數(shù)”，查表，可以得?到拉伸所需的次數(shù)，尺寸參數(shù)如圖?5?所示。
圖?5???各工序計算的相關(guān)參數(shù)圖示
m總=1.27?×（b1?+?b）/（L?+?K）=1.27?×（60.03?+?75.82）/（211.5+211.5）=0.41；t/D×100=2.5/211.5×100=1.18。查表初步估算，拉伸次數(shù)為：3。
（2）核算角部的拉伸系數(shù)及第一次拉伸許可高度。對于盒形件，由于圓角部分對直邊部分的影響相?對較小，圓角處的變形最大，矩形件的拉伸系數(shù)為前?后半成品角部圓角半徑之比，壁部圓角半徑現(xiàn)在有?R20.5mm?和?R21.5mm?二種情況，取較小值?R=20.5mm?計算拉伸系數(shù)。故變形程度用較小的圓角處的假想
拉伸系數(shù)來表示。根據(jù)t/D×100=2.5/211.5=1.18和?r/b=21.75/60.03=0.36的比值，查表“盒形件角部的第一次拉伸系數(shù)m1”得知：m1≥0.41；m2≥0.70；查“盒形件第一次拉伸許可?的最大比值?h/r”得知：h/r=3.1，那么?h1max=67.4mm。
3.3????各工序拉伸的工藝參數(shù)的計算與選擇
高盒形件需要多次拉伸，一般在前幾次拉伸時，?采用過渡形狀（方形盒多用圓形過渡，矩形盒則用橢?圓形或圓形過渡，而在最后一次才拉成方盒或矩形?盒），因此需要確定各道工序的過渡形狀。確定高盒?形件半成品形狀和尺寸的方法較多，常用的方法有羅氏法、經(jīng)驗法等。羅氏法是首先確定倒數(shù)第二次（n-?1?次）拉伸的半成品形狀，再往前逐次反推，首先拉成?較大的圓角，而后逐次減小圓角半徑，直至達到工件?要求。
下面從倒數(shù)第二次（即?n-1?次）起反推各工序的過渡形狀及其尺寸，不同材料的盒形件，其成形過程?中材料的穩(wěn)定性也不一樣，具體的過渡形狀及尺寸計算會有所差異。
根據(jù)“高矩形盒的多工序拉伸的計算程序與計算?公式”計算（相關(guān)參數(shù)如圖?5?所示）。
（1）相對厚度。t/b×100=2.5/60.03×100=4.16，（＞2）；b=60.03＜50t，（50t=50×2.5=125）。采用第一種方法計算。
（2）假想毛坯直徑（見圖?4）。D=211.5mm。
（3）工序間距離。sn=an≤10t，這里暫取值?8.0mm。
sn?在實際作圖的過程中，考慮角部間隙，進行了適?當調(diào)整，sn=7.4mm。
（4）工?序?比?例?系?數(shù)?。x1=（K-?b）（/L-?b1）=（211.5-60.03）/（211.5-75.82）=1.1。
（5）（n-1）道工序半徑。Rs（n-1）=0.5b+?sn=60.03/2+?8.0=38.0mm。
考慮零件是梯形，所以Rs（n-1）小端=37.5mm；Rs（n-1）大端=?38.5mm。
（6）角?部?間?隙?。x=sn?+?0.41r-?0.207b=8.0?+?0.41?×?21.75-0.207×60.03=4.5mm。
（7）（n-?2）道?序的半徑。Rs（n-?2）=Rs（n-?1）/mn-?1=37.5/?0.83=45.2mm；（m2?取?0.83）
（8）工序間距離。s（n-?1）=（Rs（n-?2）-Rs（n-?1））/x1=（45.2-?37.5）/1.1=7mm。??a（n-1）=R（s??n-2）-R（s??n-1）=7.7mm。
（9）核算各工序的拉伸系數(shù)。m1=d1/D=45.2?×?2/?211.5=0.43。（要求?m1≥0.41）
（10）矩形件拉伸的間隙。矩形件拉伸的間隙分直邊間隙和圓角間隙兩部分。直邊部分間隙一般為?Z/2=（1~1.1）t，末次拉伸一?般為?Z/2=t，圓角部分間隙一般比直邊部分稍大（大?0.1t）。一般是首次拉伸使用較大間隙，末次拉伸使用?較小間隙，中間工序隨工序次數(shù)增加而間隙逐漸減?小，中間工序一般均以凹模為基準件，間隙由減小凸?模獲得。工件要求內(nèi)尺寸時，間隙取在凹模，工件要?求外尺寸時，間隙取在凸模。
（11）拉伸凸、凹模的圓角半徑的選擇。凹?？诓繄A角半徑?r?凹的大小，對拉伸工作有很大的影響。如?r?凹太小，毛坯拉入凹模的阻力大，拉伸力?增大，致使拉伸件產(chǎn)生劃痕或裂紋;??但?r?凹過大，會使壓邊圈下面被壓的毛坯面積減小，使懸空段增大，易?起皺。當圓角半徑小于?2t?時，需要整形工序。凸模的?圓角半徑對拉伸也有影響，圓角半徑太小，角部彎曲?變形大，危險斷面易拉斷；圓角半徑太大，毛坯底部承?壓面積減小，底部會變薄和內(nèi)皺。拉伸的凹模圓角半?徑可以根據(jù)經(jīng)驗公式進行初步計算，先取較小值，然?后在模具調(diào)試中再適當修正圓角半徑。
r???=0.8×（（D-d）t）1/2
r?凹?n=（0.6~0.9）r?凹（n-1）
r?凸=（0.6~1）r?凹
經(jīng)過計算：r?凹?1=8.8mm，取值?9mm，r?凸?1=7.5mm。
r?凹?2=8mm，r?凸?2=7.5mm
r?凹?3=5mm，r?凸?3=7.5mm
r?凹?4=4.11mm，r?凸?4=7.5mm
具體情況需要根據(jù)模具調(diào)試的結(jié)果進行修正，先小后大原則；拉伸完成后，利用整形工序?qū)A角半徑?整到制件要求。
（12）毛坯的拉入量控制。第一次拉伸時，拉入凹模的材料比所需的面積加大?3%~5%，在后序拉伸時，逐步返回到凸緣上來，避免在第二次以后的拉伸中凸緣受拉變形，而使零件開裂或變薄。
四、確定工藝流程和拉伸工序圖：
（1）根據(jù)計算的結(jié)果，擬定的最終工藝流程是：①?落料（毛坯中間的工藝小孔是模具調(diào)試時的定位基準?孔）；②拉伸（拉伸次數(shù)?3?次）；③整形打??；④修邊沖底?孔；⑤翻孔；⑥沖孔如圖?6?所示。
（2）拉伸關(guān)鍵工序圖。
五、CAE分析及模具驗證：
通過理論計算的拉伸工序尺寸參數(shù)，再利用計算?機?CAE?模擬分析，結(jié)果比較滿意，再通過模具制造到?實際驗證，達到了預期的效果，如圖?7?所示。
六、結(jié)束語：
拉伸模型面設計的優(yōu)劣直接影響到制件是否能夠?順利成形，成形質(zhì)量的優(yōu)劣及制件調(diào)試周期的長短等。高矩形深拉伸件的工藝計算相對更麻煩，所以必須綜合?考慮各種因素，確定合理的工序尺寸。有條件時，可以通過計算機模擬進一步確認?，然后再設計模具。
圖?6???拉伸關(guān)鍵工序圖
a——一次拉伸?b——二次拉伸?c——三次拉伸?d——整形
e——各工序相關(guān)參數(shù)圖
圖?7????CAE分析圖片及最終實物
Autoform?等軟件已經(jīng)在模具設計中得到廣泛的應?用。這些軟件的應用，使得設計人員可以結(jié)合自己的經(jīng)驗直接在計算機上設計出產(chǎn)品的型面，并使用Autoform?對設計出的型面進行拉伸過程的模擬，結(jié)合?模擬的情形，反過來優(yōu)化產(chǎn)品型面，得到最優(yōu)的產(chǎn)品?造型。本文通過對拉伸工藝的計算分析進行詳細描?述，對拉伸模具設計具有一定的指導作用。
這個零件的拉伸模具結(jié)構(gòu)比較簡單，第一次拉伸需要?壓料圈，后續(xù)拉伸不再壓料，拉伸工序需要注意工序件的定位、模具排氣，零件頂出，凹模的?TD?處理。模?具調(diào)試過程中，主要關(guān)注模具圓角、間隙以及毛坯尺寸的修訂。經(jīng)過一定批量的生產(chǎn)驗證，模具工作過程?穩(wěn)定，制件尺寸準確，壁厚較均勻，外觀質(zhì)量好，該模?具目前已經(jīng)投入批量生產(chǎn)。
現(xiàn)?在?，隨??著?計?算?機?技?術(shù)?的?發(fā)?展?，Catia、UG、Autoform?等軟件已經(jīng)在模具設計中得到廣泛的應?用。這些軟件的應用，使得設計人員可以結(jié)合自己的?經(jīng)驗直接在計算機上設計出產(chǎn)品的型面，并使用?Autoform?對設計出的型面進行拉伸過程的模擬，結(jié)合模擬的情形，反過來優(yōu)化產(chǎn)品型面，得到最優(yōu)的產(chǎn)品?造型。本文通過對拉伸工藝的計算分析進行詳細描述，對拉伸模具設計具有一定的指導作用。
【興迪源機械簡介】
興迪源機械(Xingdi Machinery)是一家專注流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設備制造企業(yè)。自2007年創(chuàng)立以來，興迪源機械一直致力于內(nèi)高壓成形的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)。主營產(chǎn)品范圍從生產(chǎn)普通液壓設備，現(xiàn)今發(fā)展至生產(chǎn)、研發(fā)國內(nèi)流體壓力成形技術(shù)的鍛壓設備。
興迪人以“振興國家，建立偉業(yè)”為使命；以“誠實守信，中正平和”為準則；以“建立鴻業(yè)遠圖，踵事增華”為愿景，致力成為“先進流體壓力成形裝備智造領航者”。