中厚板結(jié)構(gòu)件復(fù)合精沖成形技術(shù)及應(yīng)用

文/華林，劉艷雄·武漢理工大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院

精沖是一種先進(jìn)的金屬塑性成形工藝，與普通沖裁相比，精沖模具增加了壓邊圈和反頂桿。在精沖過(guò)程中，壓邊圈首先以壓邊力壓緊坯料。然后凸模開(kāi)始往下擠壓坯料，同時(shí)反頂桿以一定的反頂力頂住工件與凸模同步往下運(yùn)動(dòng)。在精沖力、壓邊力和反頂力的共同作用下，變形區(qū)材料在三向靜水壓應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生純剪切塑性變形。通過(guò)一次精沖成形即可獲得尺寸精度達(dá)到IT6～8級(jí)、斷面呈全光亮帶的精沖件。當(dāng)精沖與冷鍛、擠壓、壓扁、沉孔等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，實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜形狀、高精度中厚板結(jié)構(gòu)件的高效凈成形。

復(fù)合精沖由于其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)材等優(yōu)點(diǎn)，在汽車(chē)、高鐵、裝甲車(chē)、航空航天、核電、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)系統(tǒng)端蓋、鏈輪、變速器換擋撥叉總成、座椅調(diào)角器系統(tǒng)、高鐵制動(dòng)結(jié)構(gòu)件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)搖臂、核電與化工密封結(jié)構(gòu)件等，有力促進(jìn)了中厚板結(jié)構(gòu)件先進(jìn)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)及高端裝備的發(fā)展。

精沖擠壓復(fù)合成形技術(shù)

精沖擠壓復(fù)合成形方式

圖1 精沖擠壓復(fù)合成形方式

精沖擠壓復(fù)合成形方式可以分為三種（圖1）。對(duì)于先擠壓成形然后精沖落料適用于級(jí)進(jìn)成形（圖1a）；對(duì)于圖1b，屬于條料外移步成形，精沖落料后采用機(jī)械手將零件移動(dòng)到另一個(gè)工步，然后進(jìn)行體積成形。此方法能進(jìn)一步擴(kuò)大模具工作區(qū)域范圍，提高生產(chǎn)效率；對(duì)于圖1c，精沖擠壓同一工步成形，避免在工步轉(zhuǎn)換過(guò)程中尺寸精度的喪失，適合于高精度成形。無(wú)論對(duì)于哪一種復(fù)合方式，都包括了三維局部擠壓成形和二維整體精沖落料兩種成形工藝，接下來(lái)重點(diǎn)分析這兩種成形工藝特征。

三維局部擠壓成形

板料三維局部擠壓成形可以分為以下三種方式（圖2）。

圖2 三維局部擠壓成形方式

⑴當(dāng)d/D＞1時(shí)，擠壓變形過(guò)程中易出現(xiàn)縮孔，且底端面呈不規(guī)則弧形（圖3）。應(yīng)合理選擇擠壓行程和擠壓比，宜設(shè)置擠壓反頂桿。

圖3 中厚板擠壓成形縮孔缺陷

⑵當(dāng)d/D=1時(shí)，一般用于半沖孔，擠壓行程應(yīng)小于板厚，否則為沖孔工藝。一般情況下，擠壓行程應(yīng)小于板厚的70%，否則影響凸臺(tái)的連接剛度；為避免產(chǎn)生裂紋，宜設(shè)置擠壓反頂桿。

⑶當(dāng)d/D＜1時(shí)，應(yīng)設(shè)置擠壓反頂桿提供反頂力，以避免產(chǎn)生裂紋和凸臺(tái)底部外周充填不滿等缺陷。本成形方法是成形法蘭類零件的先進(jìn)方法，傳統(tǒng)的中厚板法蘭類零件成形示意圖如圖4所示。首先采用直徑較小的沖頭精沖出一個(gè)圓孔，然后用直徑較大的沖頭進(jìn)行翻邊。此方法材料利用率較低，且翻邊過(guò)程中法蘭內(nèi)壁容易產(chǎn)生撕裂，法蘭的底部不平整，需要整形或者機(jī)加工。

圖4 傳統(tǒng)中厚板法蘭類零件成形原理

本項(xiàng)目組發(fā)明的沖擠復(fù)合成形工藝如圖5所示。首先壓邊力、反頂力和沖壓力使板料處于三向靜水壓力狀態(tài)；然后凸模往下沖壓板料，反頂桿以一定反頂力作用于板料，同時(shí)往后退，行程為H2，此時(shí)反頂桿停止運(yùn)動(dòng)，凸模繼續(xù)下行H4，直到填滿型腔。最后沖連皮，即可獲得高質(zhì)量中厚板法蘭。

圖5 中厚板沖擠成形法蘭類零件成形原理

精沖分離成形

精沖斷面質(zhì)量的評(píng)價(jià)主要包括塌角、撕裂和毛刺，塌角和撕裂缺陷如圖6所示。本項(xiàng)目組對(duì)于精沖斷面缺陷的影響因素進(jìn)行了較深入研究，研究表明隨著壓邊力和反頂力增加、凹模圓角半徑的增加、以及凸凹模間隙減小，撕裂帶高度減小。

為了減小塌角高度，可以采用反切法。首先對(duì)于塌角控制部位在第一次精沖時(shí)預(yù)留一定尺寸，然后進(jìn)行反切，利用反切將塌角部位填滿，最后落料。為了實(shí)現(xiàn)小無(wú)塌角成形，本項(xiàng)目組發(fā)明了一種小塌角成形工藝。傳統(tǒng)的凹模刃口為圓角，圓角尺寸一般為0.3～0.5mm，造成精沖剪切區(qū)域變寬，使得塌角在精沖初始階段快速增加?；诖藢寄Ｈ锌趶膱A角形式改為齒式，相比于傳統(tǒng)的凹模，能將塌角尺寸減小50%～60%（圖7）。

其他復(fù)合精沖成形工藝

圖6 精沖斷面撕裂和塌角缺陷

圖7 小塌角成形與傳統(tǒng)精沖成形零件關(guān)鍵區(qū)域塌角尺寸對(duì)比

本項(xiàng)目組還針對(duì)復(fù)雜形狀的中厚板結(jié)構(gòu)件，研究了精沖彎曲、精沖拉深、精沖冷鍛、精沖翻邊等復(fù)合精沖成形工藝。利用復(fù)合精沖成形工藝成形的典型三維復(fù)雜形狀中厚板零部件如圖8所示。

圖8 典型復(fù)合精沖成形的中厚板零部件

結(jié)束語(yǔ)

隨著高精度、高性能中厚板結(jié)構(gòu)件的需求量越來(lái)越大，以及《中國(guó)制造2025》對(duì)于綠色、高效、節(jié)能制造的發(fā)展要求，復(fù)合精沖成形技術(shù)作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、節(jié)材、安全、環(huán)保的制造工藝，必將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。