【MFC推荐】异型壳体深拉伸模设计

2019-11-04 12:39:32 来源：

导读：

如图 1 为一款多士炉的外壳，材料为 0.6mm 厚单光片深拉伸料，外型尺寸为长 280mm 宽 168mm 高 175mm。外壳表面镀亮鉻处理，要求达到镜面效果。该外壳年产量大于 25 万个，模具总寿命要求大于 150 万次。这是一个异型壳体，形状较复杂，要分多工序完成。壳体成形的难点在于拉伸工序，如图 2 为壳体的拉伸工序图。由于该壳体上半部分形状难以采用多级拉伸，整个壳体只能一次拉伸成形，但因壳体拉伸深度为185mm，相对于壳体外形尺寸而言深度比例非常大，是典型的异型深拉伸，拉伸难度很大。

图 1 多士炉外壳

图 2 拉伸工序图

模具结构及“拉伸绷紧力”

该壳体拉伸设备采用 300t 四柱双缸拉伸油压机，主缸最大行程 500mm，顶缸最大行程 250mm。根据拉伸设备的构造特点，拉伸模设计成如图 3 的结构形式。

图 3 模具结构
1.上模板 2.上模垫脚 3、5、8、9、19、20、21、26、27、28.螺钉 4. 打料杆 6、7. 打料板组件 10. 压板 11、25. 弹簧 12. 导套 13.顶件 14.导柱 15、16.压料板 17.拉伸筋 18.压料板垫板 19.导向件 22.凹模垫板 23.凹模 24.定位针 29.凸模 30.凸模垫块 31.下模板 32.顶杆 33.排气孔

图 4 外壳拉伸过程中受力分析

所有的壳体拉伸模开发成功，都要做到两点：一是拉伸件不起皱，二是不破裂。对异型壳体深拉伸模具要同时做到这两点是不容易的，所以先要理清楚起皱和破裂的原因。

这里先约定一个名词——“拉伸绷紧力”：所谓的“拉伸绷紧力”（F 绷紧力），就是在拉伸过程中（见图 4），当材料流过凹模拉伸圆角后，切点 M 处 H-H 断面上侧任意一点所受的垂直于断面、与材料流动方向相反的拉力。

为了保证壳体不起皱，那么在整个拉伸过程中，先是要有足够的压边力保证毛坯板料（图 5 中 H-H断面外围部分）平整，然后有足够的 F 绷紧力保证流过凹模拉伸圆角的材料（即图 4 中 H-H断面上部分），在发生塑性变形、贴近凸模成形的过程中始终处于绷紧状态。F 绷紧力越大，拉伸时壳体起皱的机会越小且表面越顺滑；但若“绷紧力”过大，对流过凹模拉伸圆角的材料（即图 4 中 H-H 断面上部分）各点产生的拉应力也越大，当材料某个点所受拉应力大于材料的抗拉强度时，该点便会破裂，导致壳体拉伸失败。

所以开发异型壳体深拉伸模，关键是要解决“拉伸绷紧力”的问题，即在拉伸过程中，考虑如何将 H-H 断面上侧任意一点所受的 F 绷紧力控制在一个合理的范围内：F 绷紧力既有足够大防壳体起皱，又要保证壳体不破裂。若 Fmin 绷紧力为 H-H 断面某一点保证壳体不起皱的“最小绷紧力”，Fmax 绷紧力为 H-H断面某一点保证壳体不破裂的“最大绷紧力”，那么在拉伸过程中，H-H 断面任一点所受的 F 绷紧力必须在 Fmin 绷紧力与 Fmax 绷紧力之间。

需要说明的是，在同一拉伸高度，保证壳体不起皱时，H-H断面各点所需的F min绷紧力是不一样的，如图 5 所示 1、2、3 点；其次1、2、3各点在拉伸过程中，保证壳体不起皱所需要的 F min 绷紧力是变化的。F min 绷紧力大小与材料的塑性及壳体拉伸形状有关：塑性好则F min绷紧力小，此壳体在拉伸过程中，由于凹模与凸模的间隙逐渐变小，且壳体越来越直，保证壳体不起皱各点所需的 Fmin 绷紧力也越来越小。

图 5 H-H断面图

Fmax 绷紧力大小主要决定于材料的抗拉强度，材料的抗拉强度高，各点能承受的 Fmax 绷紧力也越大。

如图 4 所示，在拉伸过程中，F 绷紧力来源于 3 个方面：F 绷紧力=F 材料阻力+F 摩擦力+F 筋阻力。

F 材料阻力指是在拉伸过程中，图 5 中 H-H 外围部分材料发生塑性变型时产生的、与材料流动方向相反的、作用于图 4 中 H-H断面上侧任意一点垂直于断面的拉力。H-H 断面不同点所受到的 F 材料阻力大小决定于该点材料流动方向两侧区域材料塑性变型的状况。如图 5 所示，在 H-H断面各点，2 点受到的 F 材料阻力最大，3 点受到的 F 材料阻力最小。拉伸毛坯板料越大， H-H断面各点所受的 F 材料阻力也越大。实践表明：H-H 断面各点所受到的 F 材料阻力在拉伸过程中随着毛坯的变小而改变，变化规律因拉伸料材质的不同而不一样：塑性好且不易硬化的材料（如常用的深拉伸单光料），在拉伸过程中的变化规律一般是逐步减小；而塑性差、在拉伸过程中塑性变型时易硬化的材料，F 材料阻力的变化规律较复杂。本文列举壳体的拉伸毛坯板料尺寸较大（相对于凸模尺寸而言，如图 5 所示），导致在拉伸过程中出现的 Fmax 材料阻力也大。为了保证拉伸的成功，H-H 断面任意一点所受 Fmax 材料阻力必须始终＜ Fmax 绷紧力，这就要求材料有很好的塑性且较高的抗拉强度，因为塑性好则 Fmax 材料阻力小，而抗拉强度高则 Fmax 绷紧力大。本文中的壳体所采用单光片特深冲拉伸料便是一种塑性好且抗拉强度高材料。

F 摩擦力指的是材料在拉伸过程中与凹模、压料板、拉伸筋表面滑动摩擦时产生的作用于图 4 中 H-H 断面上侧任意一点垂直于断面的拉力，其大小与材料表面、凹模、压料板、拉伸筋表面的粗糙度值以及压边力的大小有关。在深拉伸中，F 摩擦力是个不利因素：一是摩擦对模具造成损伤，二是对拉伸件表面的损伤。所以必须尽量减小 F 摩擦力，这可通过降低凹模及压料板的表面粗糙度值和在毛坯表面喷拉伸油来实现。

如图 4 所示，拉伸筋是为材料流动设置的“障碍” 如图 I 处放大，F 筋阻力的大小主要决定于拉伸筋、凹模筋槽的形状及尺寸大小，其在拉伸过程中稳定性好，而且可以通过调整拉伸筋的高度，来改变对应位置 F 筋阻力大小，从而改变相应区域 F 绷紧力的大小：如图 5 所示，如果降低 K 段区域筋的高度，那段位置的 F 筋阻力也变小，从而使得 1 点及其附近的 F 绷紧力也减小。F 筋阻力对异型深拉伸是非常有用的：一是其稳定性好且局部大小可调整；其次因为当拉伸将结束时，毛坯缩小很多，F 材料阻力变小很多，如果没有 F 筋阻力保证 F 绷紧力 > Fmin 绷紧力，则壳体下半部分（特别是图 2 中的 O 画线区域）将起波状不平。

主要工作零件设计及加工
（1）压料板、拉伸筋、垫板如图 6 所示，为了便于模具维修及调整拉伸筋高度，拉伸筋采用紧配镶嵌于压料板 15、16 之间。压料板采用耐磨工具钢 SKD11，厚度 35mm，热处理硬度为 60~62HRC。压料板 15、16 由 1 件板料快走丝线割而成，而后两板一起精磨平面，保证厚度一致及拉伸表面光滑。压料板 16 上装有 4 根导柱，以保证合模时拉伸筋与凹模筋槽的位置关系。拉伸筋采用高韧性耐磨工具钢 DC53，热处理硬度为 61~63HRC，初步设计其剖面形状及尺寸如图6 所示（试模时其局部高度可能会作少量调整）。垫板采用 Cr12MoV，厚度 80mm，热处理硬度为 55~58HRC；垫板上装有导向件 19，以防止压料板摆动过大，保证上下模合模时导柱导套的对中。为防止导柱与导套卡死，导柱与导套的双边间隙在 0.1~0.2mm 之间，且导柱与导套的接触面不能太长，导套装有顶件 13（见图 3）。
（2）凹模：依据拉伸筋设计凹模拉伸筋槽形状尺寸如图 7 所示。凹模拉伸圆角很重要，太小拉伸时材料会在拉伸圆角处断裂；但也不宜太大，太大了后面的剪边等工序不易完成，按经验设计为 R8~R10mm 较恰当。凹模采用 SKD11，厚度 50mm；先用 CNC 加工筋槽及拉伸圆角（留出热处理后的精加工余量），而后淬火及回火，硬度保证 60~62HRC；拉伸面精磨光滑；凹模型腔采用慢走丝加工，修 2 刀以上保证光滑；CNC 精加工筋槽及拉伸圆角，而后抛光处理。

图 6 顶板

图 7 凹模

试模
对于异型壳体深拉伸模具，试模是非常重要的环节：一是毛坯板料的形状尺寸无法通过计算来确定，其形状尺寸会因为拉伸筋的形状尺寸的变化而变化，必须通过试模不断调整才能最终确定；二是通过试模调整拉伸筋局部的高度，来改变不同区域F 筋阻力，保证整个拉伸过程中 H-H 断面任一点所受的 F 绷紧力在F min绷紧力与F max绷紧力之间，保证壳体不破裂且顺滑。异型深拉伸壳体毛坯板料的形状尺寸确定及拉伸筋局部的高度调整，过程较复杂，原因是毛坯板料的形状尺寸及大小与拉伸筋局部的高度相互影响。
试模过程及方法是：先凭经验大概估算毛坯形状尺寸（用CAD绘图存档，便于修改），估算毛坯形状尺寸遵循从小到大的原则，先毛坯小一些，确保壳体不破能拉出来（壳体起皱及深度没到位不要紧）。试模时毛坯板材双面喷拉伸油，点动油压机，一点点往下拉，同时压边力尽量小，以减小 F 摩擦力，但要保证凹模与压料板之间的毛坯不起皱。每点动往下拉一次都要开模观察拉伸结果，结果有两种可能：
（1）拉伸过程中壳体破裂：如图 8 所示，M 处出现裂口，说明裂口对应区域 F 绷紧力过大（圆圈范围内），只有通过降低对应区域拉伸筋的高度减小F 筋阻力，从而减小该区域的 F 绷紧力，保证拉伸过程中壳体不破裂。
（2）壳体不破裂：接着一点点往下拉，拉到某些区域毛坯拉完为止（如图 8 所示 N 处缺料）。此时壳体深度可能没到位，那么依据 N 处缺料的大小，调整毛坯形状尺寸，直至 N 处不缺料为止。

图 8 壳体拉伸试模结果

如此反复调整毛坯形状尺寸及某些区域拉伸筋的高度，通过多次试模，当壳体深度达到要求又不破裂时，可能某些地方会起皱，那么加高对应区域拉伸筋的高度，最终解决起皱问题，拉出如图 1 所示的合格壳体。

结束语
异型壳体深拉伸是拉伸工艺中的难点，正确认识并掌握如何控制调整“拉伸绷紧力”、熟悉异型深拉伸壳体的试模过程，对异型深拉伸件模具的开发成功是非常有用的。

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