精沖成形零件質(zhì)量分析與自動(dòng)化檢測研究

文/劉艷雄，華林，毛華杰·武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

精沖成形零件質(zhì)量分析與自動(dòng)化檢測研究

文/劉艷雄，華林，毛華杰·武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

本文介紹了精沖成形機(jī)理與精沖成形過程中的質(zhì)量缺陷，分析了缺陷形成機(jī)理與控制辦法，并研發(fā)了基于機(jī)器視覺的精沖零件斷面缺陷自動(dòng)化檢測技術(shù)。

精沖成形是指在壓邊力、反頂力及沖裁力共同作用下，材料處于三向靜水壓應(yīng)力狀態(tài)而以純剪切變形方式實(shí)現(xiàn)分離變形的一種成形方法。作為一種先進(jìn)的塑性加工工藝，與普通沖裁相比，一次精沖成形可得到全光亮帶沖裁斷面、尺寸精度達(dá)到IT6～8級、表面平整的零件。當(dāng)精沖技術(shù)與鐓粗、擠壓、壓扁、沉孔等板料體積成形工藝和拉深、彎曲等沖壓成形工藝相結(jié)合得到復(fù)合精沖成形工藝時(shí)，能將普通的平面內(nèi)沖壓成形提升到三維空間成形，從而生產(chǎn)出三維復(fù)雜高精度零件。典型復(fù)合精沖零部件如圖1所示。

圖1 典型復(fù)合精沖零部件

目前復(fù)合精沖成形技術(shù)由于其優(yōu)質(zhì)、高效和低耗的特點(diǎn)，在航空航天、機(jī)械、汽車、電子和軍工等領(lǐng)域得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用。在汽車領(lǐng)域，采用復(fù)合精沖成形技術(shù)生產(chǎn)的變速換擋機(jī)構(gòu)總成、座椅調(diào)角器總成、發(fā)動(dòng)機(jī)鏈輪、端蓋等精密零部件得到廣泛應(yīng)用。目前，美、德、日等發(fā)達(dá)國家，一輛小轎車上一般至少有100個(gè)零件采用精沖件，有的甚至達(dá)到200個(gè)精沖件，而國產(chǎn)汽車精沖零件不到100個(gè)，與國外存在較大差距，精沖零件在國內(nèi)存在巨大的經(jīng)濟(jì)市場。

精沖成形基本原理

精沖成形與普通沖裁相比，其區(qū)別主要在于精沖成形模具上設(shè)置有V形壓邊圈和反頂桿，且精沖凸凹模的間隙要遠(yuǎn)小于普通沖裁。其成形示意圖如圖2所示。在精沖過程中，壓邊圈和反頂桿以相應(yīng)的壓邊力和反頂力壓住材料，使材料在狹窄的剪切變形區(qū)里一直處于靜水壓應(yīng)力狀態(tài)，從而以純剪切塑性變形的方式實(shí)現(xiàn)斷裂分離。圖3所示為某精沖鏈輪剪切斷面微觀形貌，從圖中可以清晰地看出金屬流線的變化，流線從塌角側(cè)一直延伸至毛刺側(cè)，從而證明精沖成形為純剪切塑性變形。另外，研究表明在剪切變形區(qū)里，由于劇烈塑性變形，材料的硬度和強(qiáng)度提高，從而提高了零件斷面的機(jī)械力學(xué)性能。

圖2 普通沖裁與精沖成形示意圖

圖3 精沖剪切面微觀組織形貌

精沖成形零件質(zhì)量分析

精沖成形零件斷面特征包括：塌角、光亮帶、撕裂帶和毛刺，另外，影響復(fù)合精沖成形零件質(zhì)量的一個(gè)重要因素為零件尺寸精度。本文從這幾個(gè)方面來對精沖零件質(zhì)量進(jìn)行分析。

塌角

精沖零件的塌角形成機(jī)理是：在精沖開始階段，零件邊緣材料在拉應(yīng)力作用下材料流動(dòng)速度比零件中心的流速要小，從而造成零件邊緣部分缺料而形成塌角。塌角形成于精沖成形的初始階段，一般在后續(xù)精沖過程中塌角大小不產(chǎn)生變化。由于塌角會(huì)減小零件的工作面積，從而削弱零件的使用性能，尤其是對于齒輪類零件，塌角過大會(huì)嚴(yán)重影響齒輪的承載能力。因此有許多精沖零件對塌角尺寸提出了較高的要求。

減小塌角大小從而實(shí)現(xiàn)小或無塌角成形可以采用往復(fù)精沖法，負(fù)間隙精沖工藝。往復(fù)精沖實(shí)現(xiàn)小或無塌角成形的關(guān)鍵是沖裁間隙的控制，當(dāng)間隙較大時(shí)，往復(fù)精沖能實(shí)現(xiàn)無毛刺沖裁，而當(dāng)間隙較小時(shí)則可實(shí)現(xiàn)無塌角成形。但是對于往復(fù)精沖，裝備要求較高，目前還難以在現(xiàn)有精沖機(jī)上實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。另外，減小零件塌角可以采用修整法，在精沖出零件基準(zhǔn)尺寸上預(yù)留一定余量，然后反向沖切余量，利用在沖切過程中材料流動(dòng)將塌角部分填滿。修整法可以在級進(jìn)模上進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，此工藝目前在諸多企業(yè)得到了成功應(yīng)用。

撕裂帶

在精沖成形過程中，凹模刃口處材料所處的靜水壓應(yīng)力隨著沖模行程的增加而逐漸減小，在沖裁終了階段甚至變?yōu)殪o水拉應(yīng)力，如圖4所示。當(dāng)材料的損傷達(dá)到材料的斷裂極限時(shí)，則在精沖斷面上形成撕裂帶。為了抑制撕裂帶的形成，可以通過增加反頂力、壓邊力和減小沖裁間隙等措施來提高剪切區(qū)的靜水壓應(yīng)力，從而抑制裂紋的萌生。另外，通過材料熱處理提高材料塑性也能較好地減小撕裂的發(fā)生。

對于復(fù)合精沖，尤其是對于精沖擠壓復(fù)合成形，在中厚板的擠壓成形過程中，由于板料較厚，擠孔形狀復(fù)雜，在擠壓件斷面上很容易出現(xiàn)撕裂帶和二次撕裂帶，并且擠壓沖頭很容易出現(xiàn)崩刃和折斷。因此，作者提出一種差溫精沖擠壓復(fù)合成形工藝，即將需要局部擠壓成形的區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)快速加熱（低于再結(jié)晶溫度），然后再進(jìn)行擠壓成形，從而一方面提高擠壓件斷面質(zhì)量，一方面能有效減少模具的崩刃和折斷。

圖4 2mm板精沖過程中凹模附近材料的靜水壓應(yīng)力變化

毛刺

毛刺是沖裁成形過程中的缺陷之一，產(chǎn)品一般均要求無毛刺處理?，F(xiàn)有的去除毛刺工藝一般是采用鋼絲刷或者滾動(dòng)石頭在去毛刺機(jī)里進(jìn)行去毛刺處理。但是，對于厚度較薄且有平面度要求的零件，采用這兩種去毛刺方法容易引起產(chǎn)品變形，這時(shí)可以采用直接平面鐓壓，將毛刺壓斷，但是可能有部分毛刺會(huì)壓入材料基體中，在后續(xù)使用中，毛刺有從基體脫落的危險(xiǎn)。

尺寸精度

精沖零件尺寸精度高，但是對于復(fù)合精沖成形，尤其是涉及到板料折彎時(shí)，零件回彈引起的尺寸精度的變化則較為嚴(yán)重。精沖彎曲復(fù)合成形在換擋撥叉類零件上應(yīng)用較多。圖5所示為板料四角彎曲時(shí)變形過程分析。從圖中可以看出板料四角彎曲可以分為四個(gè)階段。第一階段中，隨著凸模向下運(yùn)動(dòng)，板料上的材料流動(dòng)在凹模圓角處產(chǎn)生了1個(gè)渦流，渦流左側(cè)的材料向上運(yùn)動(dòng)，而渦流右側(cè)的材料向下運(yùn)動(dòng)，如圖5(a-1)所示。第二階段中，當(dāng)板料中間區(qū)域與凸模相接觸后，區(qū)域1處的材料流動(dòng)方向與第一階段相反，開始在凸模的壓力作用下向下流動(dòng)，板料上產(chǎn)生了2處渦流，每處渦流左右兩側(cè)的材料均向相反的方向流動(dòng)，并且在此階段中產(chǎn)生的第二個(gè)渦流隨著凸模下行向右移動(dòng)，如圖5(a-2)所示。第三階段中，階段二中產(chǎn)生的第二個(gè)渦流慢慢向第一個(gè)渦流靠近并在凹模變形區(qū)旁的非變形區(qū)域中逐漸消失，此處的材料呈S形流動(dòng)，如圖5(a-3)所示。第四階段中，板料中間區(qū)域與凸模分離后，與凹模相接觸，區(qū)域1處的材料流動(dòng)在凹模的壓力作用下再次發(fā)生反向，開始向上流動(dòng)，形成又一個(gè)新的渦流，并且渦流在凹模壓力的作用下迅速向右移動(dòng)，如圖5(a-4)所示。由于此時(shí)凸模行程即將結(jié)束，新產(chǎn)生的渦流未移動(dòng)到變形區(qū)，彎曲變形過程已經(jīng)完成。圖5b顯示了在彎曲過程中的應(yīng)力分布，當(dāng)凸凹模卸載后殘余應(yīng)力的釋放引起零件的回彈，使區(qū)域1往上翹起而區(qū)域2往下變形。

圖5 中厚板四角彎曲成形過程分析

四角彎曲件的回彈量受很多因素影響，包括零件自身形狀、所用材料、模具尺寸、彎曲條件等。本項(xiàng)目組分別研究了凸凹模間隙、凸模圓角、凹模圓角、彎曲深度和材料厚度對回彈量的影響，采用測量平面度的方法來衡量四角彎曲件每個(gè)區(qū)域的回彈程度。平面度1表示區(qū)域1的回彈程度，平面度2表示區(qū)域2的回彈程度，平面度差值（即平面度2-平面度1）表示彎曲變形區(qū)的回彈程度。研究表明各參數(shù)對四角彎曲件不同區(qū)域的成形精度有不同的影響，其中板料厚度與彎曲深度對回彈程度的影響最大，模具間隙其次，凸凹模圓角半徑影響最小。當(dāng)板料厚度變大時(shí)，平面度1變大，而平面度差值變小，即區(qū)域1的回彈程度變大，彎曲變形區(qū)的回彈程度變?。粡澢疃茸兇髸r(shí)，平面度1與平面度差值均變小，工件整體回彈程度減??；模具間隙、凸凹模圓角半徑增大時(shí)，平面度1與平面度差值均變大，即工件整體回彈程度變大。

精沖零件斷面缺陷自動(dòng)化檢測

針對精沖零件斷面撕裂缺陷，研發(fā)了基于機(jī)器視覺的缺陷自動(dòng)化檢測技術(shù)。通過采用CMOS相機(jī)在傳送帶上對精沖零件剪切面進(jìn)行照片拍攝（圖6a），然后對圖像進(jìn)行二值化處理后（圖6b）將撕裂帶缺陷部分提取出來（圖6c），利用粒子分析功能計(jì)算出缺陷面積、位置、撕裂帶最大垂直高度等（圖6d）。如果撕裂帶高度超過了零件要求，則判斷為廢品，予以剔除，若撕裂帶高度在允許范圍內(nèi)，則判斷為合格品。

圖6 基于機(jī)器視覺的精沖零件撕裂帶缺陷自動(dòng)化檢測

結(jié)束語

精沖與復(fù)合精沖是塑性成形領(lǐng)域一種先進(jìn)的加工工藝，針對于中厚板類零件具有獨(dú)特的加工優(yōu)勢。本文介紹了精沖成形機(jī)理，并對精沖成形零件的塌角、撕裂帶、毛刺與尺寸精度等影響機(jī)理和控制方法進(jìn)行了相關(guān)研究，并研發(fā)了精沖撕裂缺陷自動(dòng)化識別檢測技術(shù)，對于促進(jìn)精沖工藝的進(jìn)步具有一定的意義。