中厚板結構件復合精沖成形技術及應用

文/華林，劉艷雄·武漢理工大學汽車工程學院

精沖是一種先進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。在精沖過程中，壓邊圈首先以壓邊力壓緊坯料。然后凸模開始往下擠壓坯料，同時反頂桿以一定的反頂力頂住工件與凸模同步往下運動。在精沖力、壓邊力和反頂力的共同作用下，變形區材料在三向靜水壓應力狀態下發生純剪切塑性變形。通過一次精沖成形即可獲得尺寸精度達到IT6～8級、斷面呈全光亮帶的精沖件。當精沖與冷鍛、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合得到復合精沖成形工藝時，能將普通的平面內沖壓成形提升到三維空間成形，實現三維復雜形狀、高精度中厚板結構件的高效凈成形。

復合精沖由于其優質、高效、節材等優點，在汽車、高鐵、裝甲車、航空航天、核電、化工等領域得到了廣泛應用，如汽車發動機正時系統端蓋、鏈輪、變速器換擋撥叉總成、座椅調角器系統、高鐵制動結構件、航空發動機搖臂、核電與化工密封結構件等，有力促進了中厚板結構件先進制造技術的轉型升級及高端裝備的發展。

精沖擠壓復合成形技術

精沖擠壓復合成形方式

圖1 精沖擠壓復合成形方式

精沖擠壓復合成形方式可以分為三種（圖1）。對于先擠壓成形然后精沖落料適用于級進成形（圖1a）；對于圖1b，屬于條料外移步成形，精沖落料后采用機械手將零件移動到另一個工步，然后進行體積成形。此方法能進一步擴大模具工作區域范圍，提高生產效率；對于圖1c，精沖擠壓同一工步成形，避免在工步轉換過程中尺寸精度的喪失，適合于高精度成形。無論對于哪一種復合方式，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，接下來重點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d/D＞1時，擠壓變形過程中易出現縮孔，且底端面呈不規則弧形（圖3）。應合理選擇擠壓行程和擠壓比，宜設置擠壓反頂桿。

圖3 中厚板擠壓成形縮孔缺陷

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

⑶當d/D＜1時，應設置擠壓反頂桿提供反頂力，以避免產生裂紋和凸臺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方法，傳統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圓孔，然后用直徑較大的沖頭進行翻邊。此方法材料利用率較低，且翻邊過程中法蘭內壁容易產生撕裂，法蘭的底部不平整，需要整形或者機加工。

圖4 傳統中厚板法蘭類零件成形原理

本項目組發明的沖擠復合成形工藝如圖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；然后凸模往下沖壓板料，反頂桿以一定反頂力作用于板料，同時往后退，行程為H2，此時反頂桿停止運動，凸模繼續下行H4，直到填滿型腔。最后沖連皮，即可獲得高質量中厚板法蘭。

圖5 中厚板沖擠成形法蘭類零件成形原理

精沖分離成形

精沖斷面質量的評價主要包括塌角、撕裂和毛刺，塌角和撕裂缺陷如圖6所示。本項目組對于精沖斷面缺陷的影響因素進行了較深入研究，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。首先對于塌角控制部位在第一次精沖時預留一定尺寸，然后進行反切，利用反切將塌角部位填滿，最后落料。為了實現小無塌角成形，本項目組發明了一種小塌角成形工藝。傳統的凹模刃口為圓角，圓角尺寸一般為0.3～0.5mm，造成精沖剪切區域變寬，使得塌角在精沖初始階段快速增加。基于此將凹模刃口從圓角形式改為齒式，相比于傳統的凹模，能將塌角尺寸減小50%～60%（圖7）。

其他復合精沖成形工藝

圖6 精沖斷面撕裂和塌角缺陷

圖7 小塌角成形與傳統精沖成形零件關鍵區域塌角尺寸對比

本項目組還針對復雜形狀的中厚板結構件，研究了精沖彎曲、精沖拉深、精沖冷鍛、精沖翻邊等復合精沖成形工藝。利用復合精沖成形工藝成形的典型三維復雜形狀中厚板零部件如圖8所示。

圖8 典型復合精沖成形的中厚板零部件

結束語

隨著高精度、高性能中厚板結構件的需求量越來越大，以及《中國制造2025》對于綠色、高效、節能制造的發展要求，復合精沖成形技術作為一種高效、優質、節能、節材、安全、環保的制造工藝，必將得到越來越廣泛的應用。