拉延筋技术在板料冲压工艺中的应用

拉延筋技术在板料冲压工艺中的应用

1.板料冲压成形工艺中常见成形缺陷及改善措施

板料拉深成形生产中，尤其是象车身覆盖件等这样的大型工件的拉深工序中，往往会因为零件几何型面的不对称，使得板坯在成形时各处材料沿凹模口的流动速度不均衡，造成拉深后的工件，局部减薄量大出现颈缩或者破裂，而有些部位出现起皱、波纹等质量缺陷。为了改善这种状况，需要在压料面上控制对工件不同部位提供的进料阻力(毛坯在进入凹模前遇到的阻力)，即在需要材料多的部位相应的进料阻力小，而在需要材料少的部位相应的进料阻力大，从而平衡坯料在凹模口部的流动速度差异，提高零件成形质量。

改变压料面上进料阻力的方法有:（1）改变压边力或采用变压边力压边；（2）改变压料面与模具之间的间隙；（3）改变凹模口圆角半径；（4）设置拉延筋等。

2.设置拉延筋的优势

设置拉延筋是应用较灵活方便、修改较容易的一种方法，主要表现为:

（1）控制变形区材料的进料阻力，调节冲压变形区的拉力及其分布

（2）通过对拉延筋各项参数的适当配置，能够通过均衡工件各部分的进料阻力来调节材料的流动情况，增加坯料流动的稳定性，得到变形均匀的冲压件;

（3）使用拉延筋后，压料面间隙可适当加大，表面精度可适当降低，从而减少压料面的磨损，降低模具制造成本

（4）通过增加径向拉应力，使材料的塑性变形程度、硬化程度得以提高，减少由于变形不足而产生的松弛回弹以及波纹等缺陷，提高工件的刚度（5）可防止因凸缘周边材料不均匀流动而不可避免产生的皱纹进入修边线内，减轻或消除复杂零件悬空部分因材料集中而发生的内皱现象（6）拉延筋提供的进料阻力，可以在一定程度上降低对压床吨位的需求;通过增加胀形成分和增大进料阻力，可减小板料外形尺寸，提高材料利用率。

目前 ,在多数板料拉深中，拉延筋是必不可少的模具组成部分，针对拉延筋的研究己经成为当今板料冲压成形领域的重要课题之一。

3.拉延筋的工作原理

拉延筋作为一种改善成形性能的有效手段，其作用机理如图 1.1 所示。

图1.1 拉延筋作用机理示意图

图中，Rb为凸筋圆角半径，Rg为凹筋圆角半径。当板料流过拉延筋时，会在A点、C点、E点附近发生弯曲变形，在B点、D点、F点附近发生反弯曲变形，反复的弯曲和反弯曲变形所产生的变形抗力即为拉延筋的变形阻力。同时,当板料在 AB、CD、EF段上滑动时,会因摩擦而产生摩擦阻力。拉延筋的变形阻力和摩擦阻力之和即为拉延筋阻力。

4.拉延筋的作用

（1）增大进料阻力。压料面上的毛坯在通过拉延筋时要经过多次弯曲与反弯曲，使毛坯向凹模内流动的阻力大大增加，也使凹模内部的毛坯在较大的拉力作用下产生较大的塑性变形，从而提高覆盖件的刚度和减少由于变形不足而产生的回弹、松弛、扭曲、波纹及收缩等，防止拉深成形时悬空部位的起皱和畸变。

（2）调节进料阻力的分布和大小。通过改变压料面上不同部位拉延筋的参数，可以改变不同部位的进料阻力的分布和大小，从而控制压料面上各部位材料向凹模内流动的速度和进料量，调节拉深件各变形区的拉力及其分布，使各变形区按需要的变形方式、变形程度而变形。

（3）降低对压料面的要求。压料面上设置拉延筋时，相对减小了压料面对进料阻力的影响，可降低对压料面粗糙度的要求，减少拉延模制造的工作量。同时，拉延筋的存在可以减小压边力，减小凹模压料面和压边圈压料面的磨损，提

高模具寿命。

（4）由于拉延筋能够产生相当大的阻力，降低了对压边力的要求，容易调节到拉深成形所需的进料阻力分布，同时降低了对模具刚度、设备吨位的要求。

（5）拉延筋外侧已经起皱的板料通过拉延筋时可得到一定程度的矫平。5.拉延筋的基本结构形式

根据实际应用中的分布情况可将拉延筋分为单筋和重筋两大类。根据拉延筋本身的断面形状又可分为半圆筋，矩形筋，三角筋和拉深槛等，如图1.2所示。

图1.2 拉延筋的结构类型

半圆形单筋适用于法兰流入量大时的拉深，修磨容易，便于调节拉延筋阻力。

半圆形重筋适用于法兰流入量很大时的深拉深。为了控制筋的磨损，可加大筋槽圆角半径。但随着筋槽圆角半径的增加，拉延筋阻力减小，此时可以用增加筋的条数来弥补。

矩形筋适用于法兰流入量少时的拉深或胀形，与半圆筋相比 , 矩形筋能提供更强的拉延筋阻力。

拉深槛适用于法兰流入量少时的拉深或胀形。在同样的圆角半径和高度下，

拉深槛比矩形筋的拉延筋阻力要小，材料利用率较高。

三角形筋一般用于胀形场合，为了抑制筋的磨损，材料完全没有流入。

拉延筋比拉深槛在采用的数量、形式及调节阻力等方面都更灵活方便，因此应用比较广泛。在拉深成形中使用最多的是半圆形筋和矩形筋。

6.拉延筋研究的发展趋势

经过半个多世纪的发展，拉延筋的研究已经进入工业实用阶段，在改善成形性、提高产品质量方面发挥了极其重要的作用。许多大型薄板在拉深成形过程中都需要拉延筋来调节拉延阻力，拉延筋的合理布置是大型薄板拉深成形的关键技术之一。目前，该领域正在向提高模拟精度和设计效率方向发展。

（1）提高拉延筋阻力模型的计算精度。使其准确反映实际拉延筋的特点。

目前，在板料拉深成形仿真计算中，通常采用如下两种方式来对实际拉延筋进行模拟，即：真实拉延筋和等效拉延筋。真实拉延筋模型将拉延筋划分成非常小的网格。因而导致计算效率降低，同时还可能引起网格畸变，使计算终止。等效拉延筋模型计算效率高，但难以模拟拉延筋的端部效应，难以精确地模拟材料流过拉延筋时对材料各性能参数的影响，也难以模拟在复杂冲压件中以曲线布置(空间三维曲线)的拉延筋。因此，如何进一步提高拉延筋阻力模型的计算精度是拉延筋研究的一个方向。

（2）以板料成形质量作为优化目标，采用合适的优化算法，结合有限元方法，开展拉延筋的优化设计。

目前，在大型薄板拉深成形模具设计中，拉延筋的布置形式、几何参数等设计效率比较低，设计质量无法保证。因此，将优化设计方法引入到拉延筋设计中，并使拉延筋设计参数直接与成形质量建立联系，采用合适的拉延筋优化算法，进行基于CAE的拉延筋优化设计。将会是现今拉延筋研究的一个方向。