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高强度钢板冲孔的故事(1)

已有 1045 次阅读 2021-11-6 19:16 |系统分类:科研笔记

近20-30年以来, 高强度钢板越来越广泛的应用在汽车车身零件的制造上, 尤其是那些安全攸关的重要部件。在高强度钢板冲压生产中,我们遇到了许多新的问题。即使是像冲孔这样简单的操作,也可能造成很大的困扰和问题。

刚开始做高强钢冲压研究的时候,听到人家讲过一个段子。

说是在一次会议上,两位压力机制造商见面以后,一位问另一位的生意怎么样。另一位制造商说他现在忙得很。

问:老兄最近在忙些什么?生产出更多新的压力机吗?

答:不是,没有做新的压力机。 主要是忙着修理大量损坏的压力机。

问:怎么会是这样?

答:因为高强钢的大量使用,使得很多压力机都坏了,所以我们修理压力机的活儿忙不过来。


金属板材冲压的时候, 我们对板材主要做两件事,一件事是切断(冲孔,切断,冲裁),另一件事是变形(弯曲,拉延)。冲切工作的量是很大的,也是很主要的工艺过程。因为冲孔所导致的压力机设备过早的损坏主要有两种原因。一种是偏心载荷(OFF CENTER LOADING),另一种是切断后的冲击载荷(SNAP THROUGH)。

不要小看这个切断后的冲击。因为高强度钢本身就很硬,剪切强度很高,需要的切断力比较大。在切断过程中,当压力机的载荷达到最大值之后,板材突然被切断,模具和压力机机身所储藏的很大的弹性能量瞬间释放出来,使得整个系统发出一声很响的噪音,整个上模突然向下冲击,这个反向的冲击载荷会对压力机造成严重的损坏。就像拉满的弓突然松手一样,瞬间的弹力是很大的。

在早期刚开始进行高强度钢板冲压的时候,我们注意到冲裁切断瞬间产生的噪音和振动真的可以相当的大。人站在压力机附近,能够感到切断瞬间地面的震动; 人坐在离压力机比较远的办公室里,都能听到车间里传出来的一声声咣当咣当的冲切噪音。

为了减少最大冲裁力,减少反向冲击载荷,人们发明了不同的冲头顶部形状。有一种形状叫做ROOFTOP,或者叫屋脊式冲头顶部形状。我们曾经对此作了一番系统的研究。比较了屋脊式冲头对减少峰值冲裁力和反向冲击载荷的影响。我们发现,屋脊式冲头可以极大地减少峰值冲裁力和反向冲击载荷。但是这种屋脊式冲头也有自身的缺点。一个缺点是用圆冲头冲的孔不是圆的,而是椭圆的。另外一个缺点是在对应屋脊两端点处的边缘,其边缘拉伸成形性降低的比较厉害。

如果冲出来的孔以后和其他零件没有装配关系,有一点椭圆度没什么了不起,你的下家不会抱怨。如果冲孔后没有边缘拉伸(扩孔)的需要,那么边缘拉伸成形性差一点也无所谓。如果一定要求冲孔后椭圆度必须很小,或者孔的边缘拉伸变形性能有严格要求,那么屋脊式冲头形状就不能用了。

如果屋脊式冲头不能用了,还有什么好办法可以降低峰值冲裁力和反向冲击载荷呢?

幸运的是在一个冲压件上往往有许多的孔和边需要被切断。如果我们把这些孔的切断时间错开,从同时切开很多孔,改成分期分批分别切开这些孔,峰值冲裁力和反向冲击载荷也能降下来。这叫台阶式冲裁(STAGING)。

要注意的是,在进行分期分批冲孔编组的时候,不要引起不必要的偏心载荷,也就是说,把那些孔编到一组要考虑到让每一组的压力中心尽量和压力机的中心线一致, 在前后左右方向上不要离得太远。这种分批冲孔的编组方式,用编组图(STAGING MAP)来表示. 我们这些研究结果发表在SAE会议上 2018-01-0800.

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1 张士宏

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