基于ＣＡＥ双动拉延成形对冲压成本影响的分析

文：任庆锐    （东南（福建）汽车工业有限公司）

０　引言

随着时代的发展，汽车行业的竞争越来越激烈，汽车企业的经济效益被不断上涨的成本所挤压，降低成本成为汽车设计的重点任务之一。冲压件是汽车部件主要组成部分之一，成本约占整车成本１０％～１５％，如何降低冲压件成本已成为企业的重点研究对象。

汽车钣金件的拉延方式主要有两种：单动拉延和双动拉延。经过多年的发展，随着冲压机台性能和工艺设计水平的提高，模具技术的发展及模具生产适应性等方面的大幅度提升，汽车钣金件通常采用单动拉延成形。随着计算机技术的不断发展，ＣＡＥ技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产品模拟分析、冲压件成形过程分析。通过采用ＣＡＥ技术，分析单动及双动拉延成形的差异以及对材料尺寸的影响，提高产品工艺设计的合理性，对比两者的模具制造及冲压制造成本差异，提出降低钣金件制造成本的方案。

１　单动和双动拉延模具的特点

１．１　单动拉延模具

单动拉延一般为反拉深。凸模和压边圈在下方，凸模安装在下模基座上并固定在压机的下工作台上，压边圈则是通过压机下面的气垫顶杆传导获得所需的压边力。

单动拉延工艺的优点在于：模具结构简单、制造容易、成本低。缺点是：拉延深度有限、压边力难以控制、对复杂零件的成形难以保证。

１．２　双动拉延模具

双动拉延一般为正拉深。模具有２个压边圈，凸模和上压边圈在上方，凸模安装在上模基座上并固定在压机的上工作台上，上压边圈安装在凸模外侧并通过氮气弹簧获得所需的压边力。凹模和下压边圈在下方，凹模安装在下模基座上并固定在压机下工作台上，下压边圈则是通过压机下面的气垫顶杆传导获得所需的压边力。

双动拉延工艺的优点在于：拉延深度大，压边力大而稳定，且易于调整，能获得很大的拉深成形力，压力波动小。缺点是：模具结构较单动拉延复杂、制造难度大、成本高。

２　模具结构及工作原理

２．１　模具结构

图１所示是单动拉延模具结构剖视图，图２所示是双动拉延模具结构剖视图。从图２中可以清楚地看到模具结构包含上、下２个压边圈，其中下模部分按照原来单动拉延的结构方式进行设计，没有明显变化，上模部分类似于把单动拉延模具的下模部分翻转１８０°安装，但也有所区别。两者区别为双动拉延增加了以下结构：（１）上压边圈增加了工作侧销和安全侧销，因为上压边圈是安装在上模部分的，所以需要设计工作行程限位和安全限位；（２）上压边圈增加了压力源，压力源采用了氮气弹簧，保证模具的通用性，可与单动拉延模具采用一样的冲压设备进行生产（上压边圈的顶出力和上压边圈重力之和要小于下模压边圈的顶出力）；（３）上压边圈与上模基座之间必须设计到底块，成形过程中上压边圈与到底块接触，与上模基座之间形成一个整体。

２．２　工作原理

单动拉延成形：如图１所示，上模１向下运动，上模１与下压边圈３的压料面先把板料夹持住，然后上模１与压边圈３作为一个整体继续向下运动，完成拉伸过程。

双动拉延成形：如图２所示，模具在打开时上压边圈３在重力和氮气弹簧２的作用下打开；上模向下运动，上压边圈３和下压边圈６的压料面先与板料接触，把板料控制住；上模基座４继续向下运动，上压边圈３和下压边圈６保持不动，直到上压边圈３与上模基座４上的到底块接触，完成上模拉伸过程；然后上模基座４与上压边圈３作为一个整体继续向下运动完成拉伸过程，这一步的模具动作与单压边圈的模具动作原理完全一样。

３　单动及双动拉延的分析

以某车型引擎盖内板为例，分析双动拉延工艺对零件制造成本的影响。

３．１　单动及双动拉延的结果对比

如图３中（ａ）、（ｂ）所示是截面位置及零件截面形状，图３（ｃ）、（ｄ）所示是采用单、双动拉延工艺方法设计的工艺补充面的截面形状。从图３中可以直观的看到，单动拉延的工艺补充面最低点比零件型面的最低点低出很多，整体的成形高度要比零件高度高出很多。如果按图３中（ｃ）、（ｄ）２个截面的成形高度进行对比，双动拉延可以有效降低２８ｍｍ的拉伸深度（单、双动拉延的成形深度分别为７５ｍｍ、４７ｍｍ）。

单动及双动拉延的ＣＡＥ分析设定为下压边圈压力为１　０００ｋＮ，双动拉延上压边圈压力为５００ｋＮ。ＣＡＥ分析结果如图４所示，两者成形性分析结果均良好，但是可以明显看出，由于单动拉延的成形深度更深，材料的流入量也更大。ＣＡＥ分析结果单动、双动拉延的材料尺寸分别为１　６５０ｍｍ×１　２５０ｍｍＲ２　０００ｍｍ、１　６１０ｍｍ×１　１６０ｍｍＲ２　０００ｍｍ，采用双动拉延后材料质量降低了约１．０７ｋｇ（制件厚度为０．７ｍｍ，材料密度为７．８５ｇ／ｃｍ^３），材料利用率提高了６．２％（制件质量为６．８２ｋｇ）。

经过工艺评估及成本评估，制件采用双动拉延模具方案设计，实际生产状况如图５所示。

３．２　双动拉延工艺的效益分析

零件的制造成本含模具制造成本及冲压制造成本。由于采用了双动拉延工艺，模具结构上增加了上压边圈、氮气弹簧及侧销等零件，模具的加工及装配量也相应的增加，增加了模具的制造成本，其中氮气弹簧、上压边圈及加工追加的成本为主要成本。以本案为例，上压边圈设计的总压边力为５００ｋＮ，模具结构采用了１０个压力为５０ｋＮ的氮气弹簧方案，模具总成本增加约９．８万元（见表１）。

冲压制造成本包含材料成本及冲压成本。实际模具量产采用的材料（材料为ＤＣ０４等级）

尺寸为１　６１０ｍｍ×１　１５０ｍｍＲ２　０００ｍｍ，材料成本较单动拉延降低约５．８元／辆（材料成本约为５　０００元／ｔ）。该车型预计销售２０万辆，可降低材料总成本约１１６万元。制件的生产方式与单动拉延一样，冲压成本无变化。

采用双动拉延工艺后，该车型在寿命期内增加模具制造成本约９．８万元，降低冲压制造成本约１１６万元，预计可节约１０６．２万元。目前该车型已生产１５万辆，生产状况良好。

３．３　双动拉延工艺的采用原则

当然，并不是所有制件都可以采用双动拉延工艺，或者采用双动拉延工艺也无法减小材料尺寸，这跟制件的形状有很大关系。从模具的工作原理可以看出，单动拉延模具为单压边圈结构，为保证成形品质，工艺补充面的造型需低于制件型面最低点，拉延深度高于制件的高度。双动拉延工艺比单动拉延工艺增加了上模拉延的过程，使得工艺补充面的造型不必低于制件型面最低点，降低了成形深度，减小了材料尺寸。如图６所示，采用单动拉延工艺深度为ｈ_１＋ｈ_２，采用双动拉延工艺深度为ｈ_１，拉延深度的降低也减小了成形难度。

如果制件的ｈ_２ 高度很低或者没有高度，那么单动、双动拉延工艺的拉延深度无明显差异，双动拉延工艺采用的材料尺寸不变或材料尺寸减小的效益小于模具增加的成本。如图７所示，制件ｈ_２ 的高度为零，双动拉延工艺深度与单动拉延工艺深度一样，采用双动拉延工艺也无法减小材料尺寸，零件制造成本也无法降低。通过对单动和双动拉延工艺的对比分析，建议ｈ_２ 高度为１０ｍｍ以上时，可采用ＣＡＥ进行两种工艺方案成形性及制造成本分析，评估是否采用双动拉延工艺。

４　结论

通过对单动和双动拉延成形的分析对比，以引擎盖内板零件为例，采用双动拉延成形的工艺，减小了材料尺寸，降低了零件制造成本，并在实际生产中得到应用和验证。通过对双动拉延成形工艺的原理及效益分析，阐述如何通过采用双动拉延工艺降低零件制造成本，提高企业的效益。