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汽车大地板拉深工艺分析

1.1 大地板冲压件特点

汽车大地板通常具有较大的尺寸和复杂的形状，表面质量要求高，需保证其平面度、轮廓精度及与其他部件的装配精度。同时，大地板在汽车行驶过程中承受一定的载荷，因此对其材料的力学性能也有较高要求。对大地板进行传统工艺分析，利用模具对板料施加压力，使材料在拉应力和压应力作用下发生塑性流动，最终形成具有一定形状和尺寸的零件，而汽车大地板零件尺寸大，厚度薄（通常1~3mm），这种拉深方式容易产生边缘起皱回弹失稳，如图1所示，某汽车大地板拉深件采用常规拉深方法工艺分析出现的回弹失稳。

图1 常规拉深方法工艺分析回弹

1.2工艺优化与方案确定

为了保证大地板的拉深成形质量，需进行工艺优化。工艺补充部分是在冲压件的基础上，根据拉深工艺需要添加的部分，其作用是改善材料的流动条件，增加拉深件的稳定性。通过对传统工艺进行分析，由于板料一端采用了开口非约束状态，如图2（a）所示，一端采用了传统的拉深方式，如图2（b）所示，导致板料在拉深过程中开口处的板料收缩，在板料内部产生压应力，零件内部应力状态分布不均匀，产生翘曲及失稳的回弹缺陷。因此基于上述回弹分析，现提出一种新型的拉深工艺。

图2 常规拉深造型截面

新型拉深工艺设计思路：首先确认横向与纵向拉深的回弹变化结果，然后确定主要的拉深方向及回弹与材料的流动关系。然后在另外一个方向不选择开口拉深方式，而是使用自锁机构将板料锁正，如图3所示，确保整个成形过程中板料时刻保持双向拉伸的张力状态，即能解决大地板零件的回弹翘曲及失稳问题。某汽车大地板采用新型拉深方法有效解决了传统方法拉深回弹翘曲及失稳问题，其仿真结果如图4所示。

图3 新型工艺拉深造型截面

图4 新型拉深工艺分析回弹（单位mm）

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拉深模工作原理与结构组成

2.1工作原理

传统拉深模的工作原理是利用凸模和凹模对板料进行冲压，在压力机滑块的作用下，凸模将板料推向凹模，同时压边圈控制材料的进料速度，确保材料均匀地进入凹模，最终形成所需的零件形状。

新型大地板拉深模增加了压边圈自锁机构，如图5所示。模具结构如图6所示，拉深前压边圈15外部与凹模6闭合，同时通过自锁机构驱动块14驱动滑块3，从压边圈15侧面锁止板料，为拉深过程提供稳定的压边力：凹模6与压边圈15闭合时，自锁机构完成板料锁止。自锁机构驱动块14上设有过载保护装置，该装置由等高套筒螺钉10和碟形弹簧13组成，在模具闭合过程中，滑块会一直增大侧向压力，当滑块侧向压力大于过载保护装置的弹簧力，则自锁机构驱动块14会向后移动达到卸力的目的。凹模6与压边圈15闭合后会继续下行，完成整个冲压过程。当模具再次打开时，滑块3通过复位弹簧回退解除自锁。

图5 自锁机构

图6 新型大地板拉深模开模状态

2.2模具结构组成

拉深模结构由上模座、凹模、自锁机构、压边圈、浮料块、下模座、凸模、自锁机构驱动块等部件组成。

上模座是模具的上半部分主体，安装在压力机滑块上，用于固定凹模与自锁机构，在冲压过程中随压力机滑块上、下运动，带动凹模等部件对板料进行拉深成形。模座上设有U形夹紧槽，与压力机上的自动夹紧器相对应，以便于模具的装夹。此外，设计导向结构，与下模座的导向部件配合，保证上、下模合模时的精准对正，如图7所示。

图7 新型大地板拉深模上模座+凹模+自锁机构

凹模安装在上模座，利用压力机滑块将凹模下压，一次成形零件上的装饰棱线、装饰筋条、加强筋、装配凸包、凹坑等特征。

自锁机构是将压力机滑块的垂直运动转化为侧向运动，开模时上模弹簧带动自锁机构向后运动，使自锁机构沿导滑板向外运动，实现分离：合模时斜导板与下模自锁机构驱动块接触，引导自锁机构向内复位，由自锁机构驱动块提供压力压紧自锁机构。

对于新型大地板拉深模，压边圈起着关键作用。凹模与压边圈先接触，同时将板料外围压紧，在压边圈与凹模闭合时，自锁机构与自锁机构驱动块提供压力锁紧压边圈，防止压边圈在拉深过程中弹开，最后向下拉深到底将零件成形。同时压边圈外围设有平衡块27，保证在冲压过程中受力均匀，定位器28保证零件定位准确，如图8所示。

图8 新型大地板拉深模压边圈与浮料块

浮料块的四边设有导板，利用氮气弹簧将其顶起，在成形过程中，浮料块与压边圈同步升起，使零件成形时不会塌陷，起稳定板料作用。

下模座安装在压力机的工作台上，是凸模、自锁机构驱动块等部件的安装载体，保证其安装精度和位置稳定性；下模座与上模座的导向结构配合，确保合模时上、下模精准对中，同时承受冲压过程中板料成形的反作用力，并将力均匀传递到压力机工作台，如图9所示。

图9 新型大地板拉深模下模座+凸模+自锁机构驱动块

凸模固定在下模座上，在压力机滑块驱动下与凹模进行合模成形。在冲压过程中，凸模将板料压入凹模，使其产生塑性变形。同时凸模内外设置有浮料导板22和压边圈导板23，浮料块与压边圈将其作为导向件上下运动。

自锁机构驱动块是控制自锁机构实现侧向运动的核心动力部件，将模具开合的垂直动力转化为滑块的水平或倾斜运动。合模时，自锁机构驱动块通过自身斜面与自锁机构的斜面贴合接触，利用模具闭合的向下压力，推动自锁机构沿导滑槽做侧向运动，同时碟形弹簧压缩，提供压力给自锁机构，达到自锁机构锁死板料的目的。

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新型大地板拉深模设计要点

3.1凸模设计

凸模设计需要考虑其结构形式和尺寸精度。

汽车大地板拉深模的凸模尺寸较大，通常采用分体式结构，以方便加工和维修。在设计凸模的工作表面时，要根据大地板的形状和尺寸进行精确的曲面设计，保证凸模与板料的良好接触和均匀的压力分布。同时，凸模的表面粗糙度和硬度也需要严格控制，以延长模具的使用寿命和提高冲压件的表面质量。

3.2凹模设计

凹模设计除了要考虑与凸模的配合精度外，还需要关注凹模内的局部成形结构。对于大地板上的装饰筋条、加强筋等结构，需要设计相应的凸模和凹模进行成形。这些局部成形结构要具有足够的强度和刚度，防止在冲压过程中出现变形或损坏。此外，凹模的压料面形状和拉深筋的布置也对拉深成形质量有重要影响，需根据工艺分析结果进行合理设计。

3.3压边圈设计

压边圈设计的关键在于确定合理的压边力和压边方式。根据大地板的形状和尺寸，通过计算和模拟分析，确定压边圈各部位的压边力，以保证板料在拉深过程中的均匀流动。在压边方式上，大地板选择双动压边方式更为合适。同时，压边圈的结构设计也要考虑其与凹模和凸模的导向精度以及与压力机的连接方式，确保压边圈在工作过程中的稳定性和可靠性。

3.4模具零件材料选择

拉深模零件的材料选择影响模具的使用寿命和冲压件成形质量。对于汽车大地板拉深模，常用的材料有铸铁材料（如HT250、HT300、钼铬合金铸铁等）合金工具钢（如铬系工具钢Cr12和铬钨钼钒系工具钢CrWMn等）、空冷钢以及高速钢和硬质合金等。铸铁材料具有良好的铸造成形性，成本较低，适用于制造大型、复杂的汽车覆盖件模具：合金工具钢具有较高的硬度和耐磨性，但成本相对较高：空冷钢适用于冲压较薄的钢板材，具有成本低、工艺性好、热处理变形小、强韧性好等特点：高速钢和硬质合金具有硬度高、耐磨性优良，适用于模具中承受高压力和高磨损的部位。在实际应用中，需要根据模具的具体工作条件和要求，合理选择模具材料，以确保模具的性能和耐用性。

▍原文作者：姜贺凯，袁仁林，薛飞

▍作者单位：广东中泰工业科技股份有限公司