汽車零件復(fù)合精沖成形技術(shù)與裝備

文/劉艷雄，華林·武漢理工大學(xué)

張勇，黃時明·黃石華力鍛壓機床有限公司

楊靜剛·武漢泛洲機械制造有限公司

汽車零件復(fù)合精沖成形技術(shù)與裝備

文/劉艷雄，華林·武漢理工大學(xué)

張勇，黃時明·黃石華力鍛壓機床有限公司

楊靜剛·武漢泛洲機械制造有限公司

本文概括介紹了復(fù)合精沖成形中典型的精沖擠壓復(fù)合精沖成形工藝，并從機械運動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓系統(tǒng)設(shè)計三個方面，詳細(xì)介紹了KHF系列高性能數(shù)控液壓精沖機。

劉艷雄，博士，主要從事板料復(fù)合精沖成形技術(shù)研究，目前主持國家自然科學(xué)基金項目1項，湖北省科技支撐計劃項目1項，參與完成的復(fù)合精沖成形技術(shù)與裝備獲湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎，發(fā)表論文10多篇，獲得發(fā)明專利2項。

精沖作為一種精密成形技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的特點，已廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、儀器儀表、輕工機械、家用電器和辦公設(shè)備等領(lǐng)域。目前，主要采用精沖工藝生產(chǎn)平面內(nèi)二維零件，隨著對零件尺寸精度、表面質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的要求越來越高，三維復(fù)雜多功能沖壓產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)需求越來越強烈。

近年來，精沖技術(shù)已與其他的板料成形工藝如擠壓、精鍛、拉深、彎曲、壓印、翻邊、沉孔、半沖孔等相結(jié)合成為復(fù)合精沖成形技術(shù)FFS(Fine blanking Forming Stamping），圖1展示的是精沖與其他成形工藝結(jié)合的示意圖。復(fù)合精沖成形是在精沖機上借助連續(xù)復(fù)合?；蚣夁M(jìn)模，通過各種冷成形加工工藝后，最后精沖落料獲得零件外輪廓，也可通過合理的模具設(shè)計，使精沖與各冷成形工藝相結(jié)合達(dá)到一次成形。復(fù)合成形的精沖零件應(yīng)用在許多領(lǐng)域（如汽車、摩托車、電子工業(yè)等），取代以前由普沖、機加工、鍛造、鑄造和粉末冶金加工的零件，能發(fā)揮其巨大的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)效益。

為了獲得高尺寸精度及表面質(zhì)量的復(fù)合精沖成形零件，復(fù)合精沖成形需要由高剛度、高運動精度的精沖裝備實現(xiàn)。目前國際上生產(chǎn)精沖裝備的主要有法因圖爾和森鐵工等公司，為了實現(xiàn)精沖裝備國產(chǎn)化，黃石華力鍛壓機床有限公司與武漢理工大學(xué)合作，成功研發(fā)了精沖力200t、320t、500t、650t、700t、800t、1000t、1200t的KHF系列數(shù)控液壓精沖機。本文重點介紹了汽車零件復(fù)合精沖成形工藝研究及KHF系列數(shù)控精沖裝備制備技術(shù)，屬于國家自然科學(xué)基金資助項目（項目編號為51305316，51375356）。

典型汽車零件復(fù)合精沖成形技術(shù)

與精沖成形復(fù)合的工藝非常多，包括擠壓、精鍛、拉深、彎曲、壓印、翻邊、沉孔、半沖孔等，其中最為典型和復(fù)雜的是精沖與擠壓復(fù)合，它具有精沖和擠壓的優(yōu)點，可用于板料上法蘭的成形，也可在沖制階梯孔時進(jìn)行預(yù)制沉孔以及精沖擠壓復(fù)合工藝中的擠壓成形部分。越來越多原來用傳統(tǒng)成形方法生產(chǎn)的零件都將被精沖擠壓復(fù)合這種先進(jìn)的方法取代，這種成形技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是在汽車行業(yè)。

板料擠壓工藝研究

板料擠壓一般具有壓邊工序，在壓邊力作用下板料被緊緊地夾在壓邊圈和凹模之間；然后，擠壓凸模在擠壓力作用下壓入板料，使材料向凹模型腔流動。其金屬流動過程如圖2所示。在本研究中，板料厚度為5mm，擠壓凸模直徑為16mm，凹模內(nèi)孔直徑為12mm。

圖1 復(fù)合精沖成形工藝示意圖

圖2 板料擠壓成形過程中金屬流動（S為凸模下移量）

從圖中可以看出板料變形主要集中于擠壓凸模以下，壓料板之下的材料變形非常小。隨著變形的進(jìn)行，在凸模刃口A與凹模刃口B之間網(wǎng)格畸變逐漸加劇。在工件上表面中心點O處附近，網(wǎng)格軸向拉長、徑向收縮，隨著變形程度的增加，網(wǎng)格徑向收縮、軸向伸長現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重，從而出現(xiàn)縮孔。從圖中更可以看出，在板料中心處形成了一倒圓錐縮孔，隨著擠壓行程的增加，縮孔現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重?？s孔現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于凹模型腔壁對材料的阻礙作用，使得材料沿凹模型腔壁流動困難，而在中心對稱軸附近材料向下流動容易。隨著凸模擠壓深度增加，凸模與凹模之間材料料厚逐漸減小，從而使材料流動能力變?nèi)酰偌由习寄Ｐ颓槐趯Σ牧狭鲃拥淖璧K，不斷使凹模型腔壁附近金屬的軸向流速慢于中心對稱軸附近的金屬，從而在O點附近形成縮孔，并且隨著擠壓行程的增加，縮孔現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。

經(jīng)研究表明擠壓速度對縮孔深度影響很小，而擠壓比（凸模直徑與凹模直徑之比）對縮孔影響較大。隨著擠壓比直徑增大，縮孔直徑減小，深度增大。

圖3 沖擠復(fù)合成形示意圖

板料沖擠復(fù)合成形研究

為了獲得板類法蘭零件，可采用板料沖擠復(fù)合成形工藝，其示意圖如圖3所示。壓料板在壓邊力FB作用下壓住板料后，擠壓凸模在反頂力FC作用下壓緊板料，并與沖壓凸模一同向下運動，使變形區(qū)厚度方向的材料流入凸模與凹模之間的型腔；當(dāng)沖壓凸模下行一定距離H1后，限制擠壓凸模運動，沖壓凸模繼續(xù)下行至距離H4之后，材料受純擠壓而充滿型腔。然后進(jìn)行沖連皮，獲得法蘭。

通過數(shù)學(xué)計算與有限元模擬，分析沖擠復(fù)合成形過程中的金屬流動與應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可獲得最佳的沖壓凸模沖壓行程H1與擠壓行程H4。同時再通過實驗研究不同反頂力對形成凸臺的影響，證明隨著反頂力的增加，法蘭沖擠成功，整個外表面皆為光潔面。最終成功研發(fā)出的汽車變速器撥叉零件，如圖4所示。

圖4 采用精沖擠壓復(fù)合成形工藝生產(chǎn)出的零件

其他復(fù)合成形工藝研究

筆者及同行通過有限元模擬與實驗研究，還成功開發(fā)了多種汽車零部件的復(fù)合精沖成形零件，如圖5所示。圖5a、e為精沖彎曲成形，圖5b為精沖擠壓成形，圖5c為精沖拉深成形，圖5d為精沖折彎成形。同時，通過建立精沖彈塑性有限元模型，深入分析了復(fù)合精沖過程中精沖件的回彈機理及控制方法，圖5f所示的MQ250五擋撥叉零件集合了精沖擠壓、精沖彎曲、精沖翻邊等復(fù)合精沖成形工藝。該撥叉零件經(jīng)過深圳市華測檢測技術(shù)股份有限公司（簡稱CTI）檢測，其幾何精度達(dá)到IT6級，用其組裝的汽車變速換擋機構(gòu)總成，為大眾全球系列車型變速器配套。

圖5 采用復(fù)合精沖成形工藝生產(chǎn)的汽車零件

重載高精度復(fù)合精沖裝備

高剛度、高運動精度的精沖機是實現(xiàn)復(fù)合精沖的重要保證。精沖機一般需要滿足如下要求：⑴能同時提供沖裁力、壓邊力、反壓力；⑵沖裁速度無級可調(diào)；⑶滑塊行程速度的變化滿足快速閉合、慢速沖裁、快速回程的要求；⑷機身剛度和滑塊的導(dǎo)向精度高；⑸封閉高度重復(fù)精度高；⑹有可靠的模具保護(hù)裝置。

針對上述要求，為了開發(fā)KHF系列數(shù)控精沖機，筆者及同行開展了如下研究。

精沖機機械運動設(shè)計

首先在Pro/E中進(jìn)行三維建模，然后將零件組裝在一起，檢驗各零件之間是否存在干涉，再將建立的三維模型導(dǎo)入到Adams中，建立精沖機的三維虛擬樣機進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，分別得到了主滑塊、主油缸、齒圈油缸、反頂缸的速度曲線和位移曲線，其中主滑塊的速度和位移曲線分別如圖6a、b所示。從圖中可以看出，主滑塊具有快速閉合、慢速檢測、快速回程以及沖裁速度可調(diào)的特點。

另外，采用壓力在線檢測控制，實現(xiàn)疊料保護(hù)和精沖變形力控制，避免模具非正常損壞，模具壽命高。運動導(dǎo)向設(shè)計采用主滑塊八面導(dǎo)向和主油缸雙級導(dǎo)向，導(dǎo)向精度高，抗偏載能力強，經(jīng)過湖北省機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督總站進(jìn)行抗偏載測試，測試值如表1所示（KHF1200型精沖機）。

圖6 精沖機主滑塊的速度和位移曲線

表1 抗偏載測試（KHF1200型精沖機）

精沖機結(jié)構(gòu)設(shè)計

KHF系列精沖機機架采用焊接框架結(jié)構(gòu)，為了提高精沖機的剛度，同時為了避開精沖機的共振頻率，利用Hyperworks對精沖機機架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。通過拓?fù)鋬?yōu)化，大大提高了精沖機機架剛度。對于KHF500型精沖機，在滿載情況下，機架最大應(yīng)力為78MPa，機架高度方向最大位移為0.273mm，變形與機身長度之比為1∶7070。而普通精沖機要求該比例在1∶1000左右，因此該精沖機機架具有良好的剛性。同時，通過模態(tài)分析，機架的一階和二階的固有頻率分別為40.8Hz與41.3Hz，遠(yuǎn)大于電機的激勵頻率25Hz，從而避開了共振現(xiàn)象，保證運動過程中振幅小。

精沖機液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)是精沖機的重要組成部分之一，其質(zhì)量的好壞直接影響著精沖產(chǎn)品的質(zhì)量，因此要注重精沖機液壓系統(tǒng)的設(shè)計。精沖機液壓控制油路非常復(fù)雜，總體來說可以分為8個部分：⑴液壓源的輸出控制油路；⑵主油缸與快速油缸動作控制油路；⑶頂出油缸與齒圈缸的動作控制油路；⑷廢料剪的動作控制油路；⑸前后夾持的動作控制油路；⑹模具鎖緊機構(gòu)的動作控制油路；⑺上模滾道動作控制油路；⑻第四力與第五力的輸出控制油路。

為了提高KHF系列精沖機的性能，減小精沖機工作過程中的振動，實現(xiàn)高頻次平穩(wěn)沖壓成形，對KHF系列精沖機的液壓系統(tǒng)采用Adams/Hydraulics進(jìn)行仿真優(yōu)化。通過模擬發(fā)現(xiàn)，本液壓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)低壓快速工進(jìn)-高壓慢速成形-低壓快速回程的高頻次電液伺服驅(qū)動，如圖7所示。從圖7a中發(fā)現(xiàn)在整個沖裁過程中模擬值與理論值十分吻合，從圖7b中可以發(fā)現(xiàn)滑塊從快進(jìn)到工進(jìn)變換時間為0.1s，速度響應(yīng)快。但是在速度轉(zhuǎn)換過程中發(fā)現(xiàn)速度波動較大，這主要是由于快速缸快進(jìn)過渡到主油缸工進(jìn)時，速度差較大，主油缸中壓強存在一個上升過程，且此過程中外載也在緩慢增加，而伺服閥的控制采用的是開環(huán)控制，此時，可根據(jù)模擬結(jié)果逐漸修改閥口開度，減小速度波動。通過系列的優(yōu)化設(shè)計與計算，大大提高了液壓系統(tǒng)的性能和精沖機高頻次沖壓成形的平穩(wěn)性。

通過上述三方面的研究，我們成功開發(fā)了KHF系列數(shù)控精沖機。其中，KHF1200型精沖機總壓力為12000kN，齒圈壓邊力5000kN，反頂力為2500kN，是目前國內(nèi)噸位最大的精沖機。KHF1200型精沖機的最終沖壓頻次在每分鐘42～75次范圍內(nèi)，機架剛度達(dá)到1/10000，工作臺振幅不大于0.02mm，在沖裁過程中，豎立的硬幣不倒，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖7 液壓系統(tǒng)模擬結(jié)果與理論計算值對比

結(jié)束語

復(fù)合精沖成形是生產(chǎn)三維復(fù)雜多功能產(chǎn)品的先進(jìn)工藝，其產(chǎn)品質(zhì)量好，尺寸精度高，并且材料利用率高，減小了后續(xù)加工余量和加工工時消耗，生產(chǎn)效率高，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，是塑性成形領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)。本文所介紹的精沖復(fù)合工藝及自主研發(fā)的KHF系列精沖機是國內(nèi)精沖行業(yè)同仁在該領(lǐng)域的技術(shù)成果，有助于推動國內(nèi)精沖行業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展。