文／王衛(wèi)洪·河北保定槐茂有限公司

拉延筋淺談

文／王衛(wèi)洪·河北保定槐茂有限公司

王衛(wèi)洪，工程師，主要從事機(jī)械設(shè)備維修保全、生產(chǎn)現(xiàn)場問題解決等工作，主要研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)備維修保全。

合理布設(shè)拉延筋是覆蓋件沖壓成形控制方法中經(jīng)濟(jì)靈活而又廣泛應(yīng)用的方法，在拉延筋的種類、結(jié)構(gòu)形式及位置布設(shè)等方面的設(shè)計(jì)過程中需著重注意要與被加工的工件實(shí)際狀況相結(jié)合。

隨著沖壓產(chǎn)業(yè)的不斷升級(jí)，客戶對(duì)沖壓件的造型要求越來超高，對(duì)沖壓件的表面質(zhì)里也提出了更高的要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于材料流動(dòng)及變形是不均勻的，常出現(xiàn)開裂、起皺、波紋、扭曲、凹坑等質(zhì)里缺陷，這些都是當(dāng)板料在變形過程中所受的應(yīng)力超出自身性能時(shí)，材料產(chǎn)生失穩(wěn)造成的。因此在拉延時(shí)，必須采取有效的措施，使毛坯在整個(gè)變形過程中都產(chǎn)生適當(dāng)?shù)膽?yīng)力，既不產(chǎn)生失穩(wěn)又能保障拉延質(zhì)里。目前我們?cè)诳刂瓢辶狭鲃?dòng)方面，采取的措施主要是控制拉延方向、工藝補(bǔ)充面、壓料力等工藝要素。經(jīng)統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn)，其中壓料力的大小對(duì)拉延過程和拉延件的質(zhì)里起著十分重要的作用，且相對(duì)其他兩個(gè)因素，其更容易進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)毛坯的進(jìn)料阻力，控制坯料的流動(dòng)，也就成了控制板料成形的十分重要的一項(xiàng)技術(shù)措施。目前調(diào)節(jié)壓料力的方法主要有壓力機(jī)和模具拉延筋兩種方法，本文主要是從拉延筋入手進(jìn)行探討。

拉延筋概述

在沖壓拉延成形中，拉延筋常被用來控制材料流動(dòng)速度，從而減少板料起皺、裂紋、表面扭曲和回彈等缺陷。在板料拉延成形過程中，拉延筋和壓邊力是聯(lián)系在一起的。壓邊力用來產(chǎn)生摩擦阻力，使板料內(nèi)部的拉應(yīng)力增加，控制材料的流動(dòng)，從而避免材料起皺。當(dāng)需要更大的約束阻力來控制金屬流動(dòng)時(shí)，必須施加更大的壓邊力。但是過高的壓邊力會(huì)引起模具過早磨損及板料破裂。有時(shí)模具需要提供的最小的壓邊力可能都會(huì)超出壓力機(jī)的供載能力。為了達(dá)到上述目的，同時(shí)不增大壓力機(jī)噸位，在覆蓋件沖壓生產(chǎn)中，常常采用拉延筋結(jié)構(gòu)，從而在較低的壓邊力情況下提供更大的板料阻力，從而改變約束阻力以控制金屬流動(dòng)，獲得更均勻的變形，提高沖壓件質(zhì)里。常用的拉延筋從橫截面形式上分為：階梯形、半圓形和矩形，具體形式如表1所示。

拉延筋的設(shè)計(jì)原則

拉延筋的機(jī)理

拉延筋由兩部分結(jié)構(gòu)組成：位于壓邊圈上的筋和位于凹模壓料面上的與筋相匹配的槽。筋和槽的幾何形狀有多種，圖1示意了一個(gè)半圓形筋和矩形槽構(gòu)成的拉延筋，這是覆蓋件沖壓生產(chǎn)常用的一種拉延筋。

■ 表1 拉延筋種類及其結(jié)構(gòu)形式

圖1 半圓形拉延筋的橫剖面

從圖1中可以看出，板料拉延成形時(shí)是在凸筋和凹槽之間的間隙中流動(dòng)，依次通過1～6處，并在這些地方發(fā)生彎曲和反彎曲。當(dāng)金屬流過拉延筋時(shí)，在筋和槽的肩部出現(xiàn)彎曲和展平效應(yīng)，產(chǎn)生一個(gè)阻力，當(dāng)金屬滑過筋和槽的肩部時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)摩擦力。這樣，拉延筋對(duì)金屬的流動(dòng)阻力為上述兩個(gè)阻力之和。

為了使材料能流過拉延筋，所施加的拉深力必須大于拉延筋阻力。還將在垂直方向產(chǎn)生一個(gè)分里，使得壓邊圈有上抬的傾向，所以必須施加一個(gè)壓邊力En來阻止壓邊圈被抬起。但在有些情況下，壓邊圈和拉延筋并非都直接同時(shí)作用于坯料。如壓料面和凹模支承面之間的間隙大于板厚，這樣壓邊圈并沒有直按壓住坯料。在這種情況下，約束阻力僅由拉延筋產(chǎn)生，這將更加易于控制金屬流動(dòng)。在脹形中，坯料被牢牢地壓住，不允許有金屬流動(dòng)，這時(shí)需要一個(gè)“鎖死的”拉延筋以保證足夠的阻力。基于以上機(jī)理，我們得出影響拉延筋拉延過程的因素有：

⑴拉延筋的幾何形狀；

⑵板料厚度和性能；

⑶拉延速度；

⑷接觸面的摩擦力；

⑸壓邊力。

這些因素中最好控制的就是拉延筋的幾何形狀和壓邊力。

拉延筋的設(shè)計(jì)原則

⑴在實(shí)際設(shè)計(jì)拉延筋時(shí)主要是根據(jù)材料流入里，選定拉延筋形式：流入里為0～5mm時(shí)，選用階梯形筋或方筋；流 入里為5～30mm時(shí)，選用半圓筋；流入里為30mm以上時(shí)，選用單或雙半圓筋。

⑵預(yù)估拉延筋斷面的圓角半徑R、傾角、凹模半徑R等尺寸，計(jì)算各部壓邊力總和。

直邊部分：壓邊力=通過拉延筋的阻力+通過凹模圓角的阻力+壓邊面摩擦阻力。

轉(zhuǎn)彎部分：壓邊力=通過拉延筋的阻力+拉深時(shí)法蘭的變形阻力+壓邊面摩擦阻力。

⑶檢測上述壓邊力是否不低于拉延筋成形力。拉延筋成形力必須大于板料流動(dòng)時(shí)通過拉延筋的阻力，否則拉延過程不穩(wěn)定或無法正常生產(chǎn)。

拉延筋的局限性

作為沖壓成形的控制方法，拉延筋并不是唯一的措施。在實(shí)際生產(chǎn)中必須根據(jù)零件的幾何形狀及精度要求等方面的情況靈活地采取各種不同的方法解決其成形的問題。

⑴必須依賴于足夠的壓邊力才能使拉延筋起作用。當(dāng)壓邊力不足時(shí)，在壓邊圈與凹模面接觸的過程中，拉延筋自身成形不足，不僅不能增加材料流動(dòng)的阻力，反而隨著材料向里流動(dòng)，凸圓面將產(chǎn)生皺紋，皺紋產(chǎn)生的阻力及皺紋通過筋時(shí)的反作用力會(huì)導(dǎo)致壓邊圈上浮，皺紋還將拉毛模面。因此，使拉延筋起作用的必須條件是：

1）初始?jí)毫ψ阋允菇畛尚危?/p>

2）在生產(chǎn)過程中的壓邊力要有足夠的富裕里，防止出現(xiàn)氣壓不足或波動(dòng)時(shí)引起壓邊力不足，使凸圓面不被抬起，拉延筋要始終保持良好的成形性。

⑵覆蓋件成形過程中的起皺、未充分拉深等問題不能通過簡單的增加拉延筋的條數(shù)來解決。雖然增加拉延筋能提升材料阻力，但當(dāng)材料沒有得到足夠的塑性變形時(shí)，這樣就不能保證覆蓋件的剛性，極易引起覆蓋件的早期損壞甚至破洞。

⑶拉延筋阻力大小尚無準(zhǔn)確的里的計(jì)算，國內(nèi)外有多種計(jì)算拉延筋阻力的方法。通常的做法是采用等效拉延筋模型將拉延筋復(fù)雜的幾何形狀抽象化為一條能承受一定約束力的附著在模具表面的拉延筋線。

拉延筋生產(chǎn)實(shí)例

我公司某款車前圍板在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)開裂問題，如圖2所示。

圖2 前圍板開裂

經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)過開裂部位板料已走過拉延筋，板料走料速度過快，在超過其應(yīng)力后被拉裂。經(jīng)反復(fù)觀察，發(fā)現(xiàn)是由于制件造型問題，導(dǎo)致開裂部位拉延阻力不均，在矢里上板料受力不平衡，形成材料失穩(wěn)開裂。

開裂分析：經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)在板料成形后已流入拉延筋，開裂形狀成撕裂狀，說明開裂部位受水平矢里拉力為主。在觀察拉延筋后發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)為通筋，如果加大拉延阻力會(huì)造成拐角部位開裂，所以拉延筋未能很好地控制板料在成形過程中的流動(dòng)速度，因此判斷為拉延筋所產(chǎn)生的材料成形阻力不足，導(dǎo)致材料局部流動(dòng)速度過快，板料得不到有效的補(bǔ)充，最終造成制件開裂。

解決方案：通過在毛坯周圍布置不同的拉延筋可以改變坯料各部分變形速度，避免在其成形過程中出現(xiàn)拉裂和起皺。經(jīng)對(duì)模具拉延筋進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，將連續(xù)筋改為斷筋，同時(shí)在開裂部位前加雙筋，消除了開裂現(xiàn)象。

結(jié)束語

本文只是簡單地對(duì)拉延筋進(jìn)行了探討，影響汽車覆蓋件沖壓成形質(zhì)里的因素是多方面的，它不僅涉及到?jīng)_壓工藝、模具結(jié)構(gòu)、模具制造、模具表面處理、材料潤滑、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)管理等，而且還需在軟件分析的前提下綜合考慮車身造型、外形設(shè)計(jì)等。拉延筋作為保障覆蓋件沖壓成形質(zhì)里的一項(xiàng)重要的因素，在許多復(fù)雜零件的沖壓成形中起著舉足輕重的作用。在汽車覆蓋件成形過程中，通過在毛坯周圍布置不同形狀的拉延筋可以改變坯料各部分變形速度，避免在其成形過程中出現(xiàn)拉裂和起皺。