【 技研 】 车身工厚板料、高强度、高精度怎么冲？

引    言

汽车离合器是整车传动系统的重要零部件，一 般由离合器盖总成和从动盘两部分组成，从动盘总 成联接变速箱输入轴，离合器盖总成通过螺栓连接发动机飞轮。离合器承担整车动力输出中断、结 合、变换挡位和缓解载荷冲击的作用，且工作时与 发动机飞轮同步高速旋转，因此离合器盖要求具有 足够的刚度、尺寸精度，为了散热需要，必须设计适 当的通风窗口。

当前重型卡车的发动机动力已达到 370 kW 以上，离合器的扭矩容量要超过 4 000 N•m，其结构强 度要求非常高，壳体制造需要采用高强度厚板料生 产，通常重型卡车用离合器钢板厚度≥5 mm。离合 器作为高速旋转零件，动平衡要求高，且传动系统 的装配匹配度也要求高，因此其尺寸精度要求也 高，通常公差要求＜0.5 mm。离合器壳体具有结构 复杂、空间紧凑、自身强度和尺寸精度高的特点。由于离合器结构强度和尺寸精度要求高，早期 的重型卡车离合器壳体采用铸造工艺生产，随着冲 压技术的发展进步，采用冲压离合器壳体代替铸造 壳体，在提高生产效率和降低成本方面发挥了巨大 优势，促进了自主离合器的发展。但离合器因其高强度的要求，所以采用厚板料翻边成形以实现高强度、轻量化、低成本的目的。

1    离合器壳体结构设计与分析

某款离合器壳体为 4 台阶圆盘形结构，如图 1 所示，开放圆筒形阶梯结构，16 个装配安装孔呈中 心对称分布，翻边、成形使钢板材料呈现压缩类和 伸长类组合的不封闭曲线翻边结构形式。
 

     

（a）外表面

     

（b）内表面

     图 1 离合器壳体

第 3 级台阶处有 12 条加强筋呈中心对称，如图2 所示，结构复杂，需多次拉深、精密冲孔和整形，冲 压生产工艺复杂。

图 2 离合器壳体二维结构

离合器壳体的最大外径为ϕ480 mm，拉深深度分别为 28、18 mm，结构尺寸为多台阶开放圆筒形阶 梯拉深，周向拉深深度不同，如图 3 所示。翻边高度47 mm，采取压缩类和伸长类组合的不封闭曲线翻 边工艺成形 ，零件翻边成波浪筒形 ，成形工艺复 杂。

零件材料为SPHE钢板，是一种深冲用热轧软钢板及钢带，对应国内钢号08AL，材料厚度 7 mm。

图 3 离合器壳体成形分析

抗拉强度≥270 MPa，成形内圆角尺寸为 R7 mm。成形零件属于高强度冲压，且成形面积大，必须采 用大型压力机，冲压工艺要求高。

离合器属于整车传动系统的零件，其装配尺寸 和结构尺寸要求高，属于高精度冲压，零件成形同 轴度＜ϕ1 mm，装配孔相对中心孔尺寸位置度公差≤0.5 mm，周向角度公差±20′。

2    离合器壳体冲压成形工艺分析与设计

通过对零件进行分析并制定了成形工艺，主要 由压形、拉深和翻边 3 个工艺组成。采用工艺分析 图样分解计算，首先对整体拉深的形式简化工艺计 算。将零件拆解成 A 和 B 2 个不同的单元分别进行 计算，如图 4 所示。

图 4 冲压成形的工艺分析

（1）分析并计算毛坯尺寸。拉深件所有尺寸按 照 材 料 厚 度 中 线 计 算 ，如 图 5 所 示 ，d1  直 径 为 ϕ401 mm，d2 直径为ϕ473 mm，采用最大尺寸计算；一级台阶拉深尺寸 h1 为 33.5 mm，二级台阶翻边尺 寸 h2 为 43.5 mm。

图 5   A 部分结构尺寸

A 部分尺寸计算：采用公式 DA2=d2   4（d1×h1 d2×h2）计算可得理论参考值 DA≈599.8 mm，经过实际试制后确定采用直径 DA 为 566 mm，小于理论计算值， 考虑图 5 中 h2=43.5 mm 翻边部分可按拉深近似值计 算，计算过程中毛坯直径取 DA=590 mm。

B 部分尺寸计算：根据零件尺寸结构 R=r，如图 6 所示，B 部分毛坯直径尺寸：采用公式 DB2=d2 4× d1 ×H-3.44r×d1，其中 H=23.5 mm，计算可得理论参 考值 DB≈503.6 mm，经过实际试制后确定采用毛坯 直径 DB 为 566 mm，计算过程中毛坯直径取 DB=500 mm。

图 6 B 部分结构尺寸

综合 A、B 部分结构尺寸，经过整合计算初步确 定了毛坯尺寸，实际尺寸通过试制后核算验证。在 剪板和排样时考虑到板材的材料纤维方向，设计了 经济的剪板排样（见图 7）和料片排样尺寸 535 mm× 535 mm，如图 8 所示。

图 7 剪板排样

图 8 料片排样尺寸

（2）拉深工艺方案分析。零件是带凸缘圆筒形件，由压形、拉深和翻边 3 种工艺成形，为简化计算， 将压形部分视为拉深，如图 9 所示。此处只计算 h1、H 部分的拉深系数和拉深次数以决定模具数量，计算过程为：

①h1、H是同一起始平面进行拉深的不同 高度尺寸，按照同类冲压件生产经验分析可采用 1 次拉深成形；

②拉深内圆角R7mm（材料厚度7mm）；

③材料的相对厚度：100t/D=100×7/500=1.4；拉 深 系 数 m=(d 2t)/d=(394 2 × 7)/480=408/480=0.85，其中，厚度 t=7 mm；DB=500 mm；

④通过材料相 对厚度和拉深系数的计算，确定可以 1 次拉深成形， 采用压边圈不会出现起皱现象；

⑤有压边圈拉深力 按公式 F 拉=πdtRmK1 计算，其中，d 为拉深件直径（中 线），取 394 7=401 mm；t 为料厚，7 mm；Rm 为材料抗 拉强度，取 270 MPa；K1 为系数，取 1.1；计算可得：F 拉=3.14×401×7×270×1.1= 2 617 752.06 N；

⑥翻边力采用公式 F 翻 =0.7KBt2Rm/R t，按 U 形弯曲力计算，其 中，K 为安全系数，取 1.3；B 为翻边宽度，计算约为 1 350 mm；Rm 为材料抗拉强度 ，270 MPa；t 为料厚，7mm；R 为内圆角，取 7 mm。计算可得：F 翻=0.7×1.3×1350 × 49 × 270/14=1 160 932.5 N；⑦ 设 备 F 总 =1.2（F 拉 F 翻）=1.2×3 778 684.56 N=4 534 421.472 N，即F 总＞5 000 kN；⑧综合以上分析和计算，离合器壳体 冲压工艺流程设计如表 1 所示。

图 9 拉深成形工艺分析

3    工艺设计存在的问题和解决方案

3.1    工艺设计存在的问题

设计评审是模具工艺设计的关键环节，一般在工艺流程完成后组织内部评审，在公司的生产实践 中验证该工艺方案的可行性，可以开展模具设计和 制造。该工艺通过评审结合生产实际存在一些问 题，具体如下。

（1）成形工序除壳体 R 角外，其余尺寸直接翻 边为设计要求的波浪直筒形状。壳体基本尺寸与产品设计尺寸一致，材料的弹性变形、模具翻边间 隙、钢板纤维方向等因素，导致离合器盖翻边后直 径尺寸呈不规则回弹变形，实际成形时，壳体的直 径尺寸易波动。

表 1 离合器壳体冲压件工艺流程

（2）后工序以离合器盖内型腔和辅助定位为 基准进行二次整形、冲中心孔、精压、校平等加工时，离合器盖不能顺利放入模具内，不能准确定位，通过模具工作时将离合器盖压入模具内并随形自 找正，容易造成放件、取件困难，并使离合器盖、模 具凹模、凸模拉伤严重，模具需频繁抛光维修，离合 器盖圆度、直径尺寸、壁厚存在差异。

3.2    工艺优化解决方案

分析审核意见后进行工艺改进、模具结构优 化、缩短工艺路线、降低加工误差，尽量做到关键尺 寸一步工序完成。主要工艺优化了成形和整形校平 2 道工序：①改进冲压工艺和模具结构设计，在成形 工序中将钢板料片预翻边为波浪锥筒形状；②在整 形校平工序通过 2 次翻边和内反镦校平，冲压零件最 终成为波浪直筒形状[4]，改进后工序如表 2 所示。

3.3    问题改进效果

（1）冲压成形工序：零件预成形翻边为波浪锥 筒形状，精压冲孔及整形校平以离合器盖内型腔为 定位基准，利用锥体形状有自定位的特点，加上相应的辅助定位，使定位、放件、取件更准确、容易，减小了离合器盖 2 次定位产生的冲压加工误差。

表 2 冲压工艺改进前后对比

（2）整形校平工序：通过 2 次翻边和内反镦校平，离合器盖成为波浪直筒形状，成形零件的直径 等关键尺寸 1 次成形达到设计要求。

（3）上述 2 道关键工序的凹模、凸模均采用了分 体结构以便维修、调整，凹模镶件使用表面 TD 处理 技术改善翻边时零件拉伤情况和模具零件的磨损， 零件的同轴度、尺寸精度和外观质量均得到有效改善。

根据零件结构和工艺流程的分析进行了模具 结构设计，以下重点介绍工序③的成形模、工序⑤ 的精压冲孔和工序⑧的整形校平 3  副模具结构。

4.1    成形模设计

成形模设计时在离合器壳体的翻边部分与轴 向设计夹角，翻边为波浪锥筒形，锥顶为离合器盖 的直径尺寸，模具结构如图 10 所示，角度的选择主 要基于以下 2 个方面。
（1）利用锥体形状有自定位的特点，加上相应 的辅助定位，在后工序（整形校平）2 次翻边时，以离 合器壳体内型腔定位能够顺利放入模具凸模上，能 准确定位减小误差，操作时容易放件、取件。
（2）翻边角度如果取得太小，离合器壳体翻边 后接近波浪直筒，改进前的缺点依然会存在；翻边 角度如果取得较大，则无法准确定位。改进后的整 形校平工序是 2 次翻边与校平同时进行，离合器壳 体的直径等关键尺寸一步完成达到零件设计的波 浪直筒形，为减少回弹保证尺寸精度，模具零件间隙设计很小，增加了 2 次翻边的难度，也增大了模具零件磨损和离合器壳体拉伤的概率。
通过以上分析，翻边角度的选取应在以下范围 内较适宜：锥顶半径-锥底半径≈（0.5~0.6）t，其中 t 为 材料厚度，既符合锥体自定位的特点，又可减少 2 次 翻边的难度。经计算求得整数单边角度为 4°，取值约为 0.53（t  此时壳体波浪锥筒形的锥底比锥顶单边大 3.7 mm，材料厚度 7 mm）

图 10 成形模结构
1.凸模  2.凸模  3.定位轴  4.凹模 5.凹模
6.护圈  7.凹模镶件 8.推件板

4.2    精压冲孔模设计

精压冲孔模要完成精压、冲中心孔、标识和校 平工序，其结构如图 11 所示。模具增加可靠性连接 和定位以提高生产稳定性，方便使用、维修和保证 零件成形质量，模具的相对高度、相对位置和冲裁 间隙、精压压块、配合部分都需要进行计算。

4.3    整形校平模设计

整形校平模结构如图 12 所示。
（1）离合器壳体在成形时翻边为波浪锥筒形， 在该工序采用壳体内型腔定位可自找正，实现了零 件放入、取出操作准确、方便快捷。
（2）改进后的整形校平工序是二次翻边与校平 同时进行，使离合器壳体最终成为波浪直筒形，成 形零件的直径等关键尺寸一步完成并达到零件的 设计要求，壳体圆度、壁厚不均匀等问题有很大改 善。

图 11 精压冲孔模结构
1.凸模  2.凹模  3.凹模固定板 4.凹模镶件
5.凹模  6.凸模  7.定位轴 8.退件环

图 12 整形校平模结构
1.凸模  2.凸模  3.定位轴  4.凹模  5.凹模 6.护圈
7.凹模镶件  8.凸模  9.凸模 10.推件板

（3）校平采用内反镦形式可以保证螺栓孔有效 平区，外反镦和内反镦的区别如下：①外反镦：优点 是壳体校平后的平面区范围大且稳定，校平块强度 稍好；缺点是壳体必须是直筒形，在模具上定位、放 件、取件困难，同时需要在校平前增加一道车削大 端面工序，车削加工用时久、效率低，且外反镦容易 使壳体产生擦伤、裂口、外径胀大，对模具整体损伤 大，影响成形零件质量；②内反镦：优点是取消了 车削大端面工序，生产效率大幅提高。