浅谈拉延筋形式在提高材料利用率方面的应用

文/李自罡，宋巍·天津一汽丰田汽车有限公司

浅谈拉延筋形式在提高材料利用率方面的应用

文/李自罡，宋巍·天津一汽丰田汽车有限公司

李自罡，工程师，主要从事冲压车间管理工作。

本文从提高冲压制品生产过程中钢板材料利用率的着眼点出发，主要介绍了冲压生产过程中，几种新式样的拉延筋形式在提高材料利用率方面的应用，以及新式样拉延筋的优缺点。

近年来随着汽车工业的飞速发展，汽车市场的竞争日益激烈，汽车制造厂的竞争压力也越来越大，其中成本压力是一个重要因素。如何降低汽车制造成本也就成为了我们的一个工作课题。

钢板是制造汽车覆盖件及骨架的主要材料，也是构成汽车成本的重要组成部分。在钢板加工成汽车覆盖件及骨架的同时，大量的边角废料也同时产生，也就产生了如何提高钢板材料利用率这一课题。本文从冲压模具拉延筋这一切入点出发，对如何提高钢板的材料利用率作了简单介绍。

材料利用率

在进行汽车覆盖件及骨架的冲压生产时，由于制品形状要求和冲压成形工艺要求，产生边角废料是难免的。如图1所示，该制品为汽车前机盖内板，在冲压生产该制品时，蓝色部分是由于产品减重、散热、安装孔等各方面的要求，所产生的废料，可称之为“形状废料”；红色部分是为满足冲压生产时工艺要求而设计，对制品本身形状无用的废料，可称之为“工艺废料”。材料利用率可通过制品重量与钢板重量的比例来体现，即：

目前，汽车覆盖件的冲压生产中，钢板材料利用率在60%左右，个别制品如侧围、翼子板的材料利用率仅为40%～50%。大量的废料造成了汽车制造成本的增加，要提高材料利用率，就是要减少边角废料的产生。一方面，产品的形状废料由于性能要求是无法避免的，提高材料利用率只能通过废料的回收再利用来实现，但同时受废料形状尺寸及回收方式的制约，有很大局限性；另一方面，产品的工艺废料主要是为了满足制品进行冲压加工工艺，如拉延、切断等产生的，要提高材料利用率可通过冲压工艺的改善，如拉延过程中的控制，改善废料切断、排布等方法来实现。

图1 汽车前机盖内板废料示意图

传统拉延筋形式

在制品冲压生产过程中，从钢板到制品的加工过程主要经由拉延、切边、翻边等主要工艺实现，其中拉延工艺是产生工艺废料的一个主要环节。拉延工艺是钢板在压力作用下产生塑性变形，形成近似制品形状的一个过程。钢板在拉延过程中的受力情况如图2所示，钢板在凸模与凹模作用下发生变形，产生外部材料向内部流动的拉力；同时，钢板在凹模与压料圈作用下，产生阻止外部材料向内部流动的阻力。拉延过程就是在这种综合受力的情况下，使钢板完成塑性变形。由于制品的成形工艺要求，通过对拉力与阻力的控制，拉延过程可分为压缩类变形和伸长类变形。所谓“压缩类变形”，即当拉力大于阻力时，钢板材料发生由外部向内部的流动；所谓“伸长类变形”，即当拉力小于阻力时，钢板材料不发生向内部流动，也就是我们平常所说的“拉深”与“胀形”。无论“拉深”还是“胀形”过程都需要对成形过程中的拉力与阻力进行有效的控制，才能避免成形过程中的开裂、褶皱、面品不良等现象的产生。

控制成形过程中的拉力与阻力的主要因素包括，作用于压料圈上的压力机的气垫压力，模具表面的光洁度，模具局部间隙，凹模、凸模、压料圈与制品接触部位的R角大小，以及拉延筋的形式等。

在模具拉延工艺中，通常使用的拉延筋形式主要包含半圆形筋、方形（梯形）筋、S形筋等。根据制品成形过程中的材料流入量需求，设置不同形式、不同数量的拉延筋。其中，半圆形筋主要应用于发生材料流动的拉深场合，用于控制材料流入速度与流入量，避免成形过程中产生开裂、褶皱；S形筋主要应用于不发生材料流动的胀形场合，用于材料的锁死，保证胀形过程中不发生材料流动；方形筋则是一种形式介于半圆形筋与S形筋之间的拉延筋，通常与其他形式的拉延筋配合使用。其余较常见的拉延筋形式还有配合S形筋使用的用于局部辅助锁料的垂直于主拉延筋的三角形拉延筋等。

新式样拉延筋形式在提高材料利用率方面的应用

在传统形式拉延筋广泛使用的同时，近年来为提高材料利用率，降低板材成本，冲压模具中出现了几种新式样拉延筋形式。下面针对新式样拉延筋形式在提高材料利用率方面的效果和应用中遇到的问题等，做简单介绍。

半S形拉延筋

车门外板的拉延成形过程为典型的胀形过程，一般使用S形拉延筋进行锁料，使材料不发生流动，钢板通过本身塑性完成胀形过程，生产出表面光滑的车门外板制品。为提高钢板材料利用率，减少拉延过程中产生的工艺废料，引入半S形拉延筋。

⑴拉延筋形式

与传统形式的S形拉延筋相比，半S形拉延筋最大的特点是摒弃了传统拉延筋的“筋槽”形式。如图3所示，半S形拉延筋与传统S形拉延筋相比，没有传统意义上的筋槽，仅一侧为S形棱线拉延筋式样，与此同时模具凹模、压料圈的管理面、压料面也由原有的同一平面变为不等高的两个平面。

图3 S形拉延筋与半S形拉延筋形式比较

由于车门外板拉延筋式样的变更，新式样的半S形拉延筋没有传统意义上的拉延筋槽，使胀形过程中的工艺废料全周减少一个筋槽立壁+底部的宽度（约10mm），材料利用率提高1% 左右。如图4所示。

图4 S形与半S形拉延筋材料利用率比较

⑵问题点

半S形拉延筋形式对提高钢板利用率方面的效果是显而易见的，但受到制品形状、成形方式的局限性，同时，在提高材料利用率的同时，也存在着种种问题。

拉延筋锁紧力不足：拉延筋形式由传统S形筋形式变更为半S形筋形式，带来的第一个问题就是模具在拉延成形过程中的锁料能力的下降。如图5所示，拉延筋形式变更后，在压力机气垫压力设定2000kN的情况下，模具的实际锁紧力峰值压力为2243kN，中心压力仅为1486kN。由于拉延筋锁料能力下降，半S形拉延筋不能有效地进行锁料，造成多余的材料流入，引起制品面品不良的产生。针对该问题，最终通过对压力机气垫能力进行改善提升后，得到解决。压力机气垫能力改造后，在气垫压力设定2000kN的情况下，压料圈实际锁紧力峰值压力能够达到2461kN，中心压力达到2415kN。

产生丝状粉末：S形拉延筋前后两条S形棱线R角之间断面前后距离相对一致，拉延筋上每一点在制品胀形过程中的受力处于一致或近似一致状态。而半S形拉延筋只有一条S形棱线R角，如图6所示，在制品胀形过程中材料流入趋势侧的尖点位置受力较其余部位大，与钢板发生的摩擦相对剧烈。采集到的异物经过显微照相分析，为微小丝状粉末。当这种微小丝状粉末在冲压过程中随气流带入模具内部时会造成制品鼓瘪，产生面品不良。这种丝状粉末只能通过调整半S形拉延筋断面R角大小、拉延筋立面高度、管理面接触率等多方面因素综合控制。

图5 半S形拉延筋气垫锁紧能力（压力机气垫改造前后对比）

双可动拉延筋

前机盖内板由于其制品形状决定其成形为中间深四周浅的拉深成形，传统工艺一般为凹模与压料圈接触后，钢板在一定气垫压力作用下，完成拉深成形过程。由于其制品形状决定中间部位拉深量大于周边部位拉深量，且周边拉深量很浅。故尝试使用中间部位先行拉深成形后，周边部位在材料锁死的状态下完成类似胀形成形的过程，故而引入上下双可动式拉延筋形式。

⑴拉延筋形式

根据上下双可动拉延筋形式的前机盖内板模具的成形特点，成形过程可分解为前后两个阶段，第一阶段，在上置压料圈的作用下模具与钢板进行作用，通过设置于模具凹模与压料圈之间的氮气弹簧提供成形压力，形成拉深过程中的对钢板流入的阻力，在一定的阻力控制下，先行完成部分材料流入，完成制品的部分拉深成形过程；第二阶段，在下置压料圈的作用下模具与钢板作用，通过压力机气垫提供成形压力，下置压料圈通过其拉延筋将外围材料锁死，四周完成类似胀形成形过程。模具结构如图7所示，成形过程中为实现上述动作，一般设置为驱动上置压料圈的氮气弹簧成形压力小于驱动下置压料圈的压力机气垫压力，实现上置压料圈先行动作，下置压料圈然后动作，通过分步动作，完成类似于双动滑块压力机的效果。

图6 半S形拉延筋受力状态及产生的丝状粉末显微照相

图7 前机盖内板模具结构比较

由于上下双可动拉延筋形式的引入，前机盖内板的成形过程由传统的拉深成形一直发生材料流入的过程，变更为初期拉深时发生材料流动，后期胀形时不发生材料流动的成形过程。上下双可动拉延筋形式既保证了前机盖内板制品中间形状较深的部位拉深成形过程中的材料流入需求，同时又能在前机盖内板制品周边成形形状较浅的部位实现材料的锁死，完成胀形过程。由于减少了材料流入，实现了材料利用率的提高。经测算，前机盖内板制品工艺废料尺寸全周减少约5mm，材料利用率提高0.5% 左右，如图8所示。

图8 材料利用率比较

⑵问题点

双可动式拉延筋必须建立在上下可动式压料圈基础上，该形式较传统结构增加了上压料圈及驱动上压料圈用的氮气弹簧，同时模具尺寸也需要相应加大，整体的模具制造成本较传统形式有所增加。虽然模具制造成本增加了，但材料利用率提高带来了生产成本的降低，故其投资收益率需要综合车型企划产量与车型寿命等多方面因素考虑。

结束语

上述新式样拉延筋的使用有两大特点：一是形式设计新颖，在传统拉延筋形式基础上有了明显创新，摒弃了一些使用多年的传统拉延筋元素，对减少工艺废料，提高材料利用率有明显的效果。二是新式样拉延筋的设计和使用具有很强的针对性，拉延筋形式的设计需根据不同产品的成形特点“对症下药”，从成形工艺细节出发，将提高材料利用率的效果提高到最大程度。