后法蘭盤翻孔翻邊復(fù)合成形工藝研究

趙博寧， 李 宇， 何娟霞

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 裝備制造學(xué)院， 廣西 柳州 545616；2.廣西大學(xué) 資源環(huán)境與材料學(xué)院， 廣西 南寧 530004）

0 引 言

隨著中國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，相應(yīng)的汽車產(chǎn)品快速升級(jí)，汽車零配件生產(chǎn)周期隨之縮短，并且對(duì)零配件的成形質(zhì)量和尺寸精度要求也在不斷提高。汽車零配件大部分采用鈑金一次成形，其中后法蘭盤作為汽車排氣系統(tǒng)的剛性連接件，要求連接力要足夠大以保證連接處無(wú)縫隙、不漏氣，因此后法蘭盤應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛性。后法蘭盤由于內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊高度較高，過(guò)去通常采用2副模具沖壓成形，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，研究后法蘭盤內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊的復(fù)合沖壓成形工藝，對(duì)于縮短開(kāi)發(fā)周期具有重要的實(shí)際意義[1,2]。

目前研究沖壓成形質(zhì)量?jī)?yōu)化的方法主要是數(shù)值模擬與各種試驗(yàn)優(yōu)化方案結(jié)合，如采用正交試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)，還有采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法等進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。現(xiàn)以后法蘭盤內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊復(fù)合成形工藝為研究對(duì)象，優(yōu)化目標(biāo)為沖壓成形后零件要同時(shí)滿足最小壁厚取值最大、內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊高度達(dá)到一定的尺寸要求，采用數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)結(jié)合優(yōu)化工藝參數(shù)，最終篩選最優(yōu)參數(shù)組合[1]。

1 沖壓工藝分析

后法蘭盤零件見(jiàn)圖1所示，材料為SPHE，厚度為3.0 mm，中間的內(nèi)孔孔徑為φ（42.7±0.3）mm，高度為（12.5±0.5）mm，外緣成形高度為14.2+0.5-1.0mm。內(nèi)孔和外緣都帶有凸緣，內(nèi)孔為圓形凸緣，外緣為對(duì)稱的非回轉(zhuǎn)體凸緣。內(nèi)孔圓形凸緣可以采用翻孔工序成形，外緣凸緣可以采用翻邊工序成形。從零件的結(jié)構(gòu)分析，此零件成形工序主要有落料、沖孔、內(nèi)孔翻孔、外緣翻邊和整形，為了保證后法蘭盤內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊后的內(nèi)緣和外緣的同軸度要求，降低模具生產(chǎn)成本，縮短零件制作周期，將以往的翻邊和翻孔兩道單工序合并為一道復(fù)合工序，即采用復(fù)合模完成翻孔和翻邊工序[3]。

設(shè)計(jì)的翻邊翻孔復(fù)合模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。復(fù)合模雖然提高了同軸度和生產(chǎn)效率，但是由于模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜而導(dǎo)致成形工藝參數(shù)更加難以對(duì)結(jié)果進(jìn)行控制。翻邊和翻孔成形最常出現(xiàn)的缺陷是內(nèi)緣邊緣開(kāi)裂和外緣翻邊高度不一致，而影響成形質(zhì)量工藝因素有很多，如預(yù)制孔徑、模具零件間隙、凸模粗糙度大，凸模與底孔、凹模內(nèi)孔不同心等[2]，因此以下主要研究后法蘭盤采用翻孔翻邊復(fù)合工藝對(duì)成形質(zhì)量的影響規(guī)律[4]。

圖1 翻孔翻邊復(fù)合模

2 Dynaform有限元模擬

2.1 有限元建模

（1）板料建模。為了降低模具生產(chǎn)成本，零件采用復(fù)合模進(jìn)行落料沖孔、內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊。圖1所示后法蘭盤中間內(nèi)孔，兩側(cè)的定位孔對(duì)精度要求不高，因此在有限元模擬時(shí)將板料簡(jiǎn)化為圖2所示毛坯。

圖2 有限元用模具結(jié)構(gòu)

（2）上模建模。上模結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要成形外緣翻邊的內(nèi)表面和內(nèi)孔翻邊的外表面。目前外緣翻邊模具結(jié)構(gòu)參數(shù)沒(méi)有明確的確定方法，因此下模設(shè)計(jì)以上模、零件特征和輪廓形狀作為依據(jù)。

（3）下模建模。下模主要成形外緣翻邊的外表面和內(nèi)孔翻邊的內(nèi)表面。在整個(gè)成形過(guò)程中，壓邊圈始終與板料接觸，起到壓料作用，防止成形過(guò)程失穩(wěn)起皺，但是有限元模擬時(shí)工具設(shè)定只有凸模和凹模，要么凸模運(yùn)動(dòng)，要么凹模運(yùn)動(dòng)。而設(shè)計(jì)的復(fù)合模下模在多次反復(fù)模擬后，確定采用零件處于成形終點(diǎn)時(shí)的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3中凹模）作為有限元模擬的工具[5]。

將圖3所示模具結(jié)構(gòu)以igs格式導(dǎo)入Dynaform中完成有限元模型的建立。

圖3 有限元模型

2.2 參數(shù)設(shè)定

在有限元軟件Dynaform中，工序類型采用“雙動(dòng)成形”，板料厚度設(shè)為3 mm，由于上、下模均為導(dǎo)入模型，工具參考面為“上∕下模”。網(wǎng)格劃分采用非均勻化網(wǎng)格，網(wǎng)格最大為1 mm，由于有圓角，網(wǎng)格最小為0.5 mm。根據(jù)圖3所示設(shè)定壓邊圈、凸模、凹模，各模具零件之間的距離在三維軟件中設(shè)好，因此工具定位采用自動(dòng)定位方式。壓邊工序（closing工序）和成形工序（drawing工序）的閉合形式采用持續(xù)時(shí)間模式[6-8]。

3 單因素對(duì)成形質(zhì)量影響分析

雖然采用復(fù)合模可以降低模具成本和提高生產(chǎn)效率，但是毛坯成形后即為成品，要求嚴(yán)格，導(dǎo)致復(fù)合模工藝參數(shù)更復(fù)雜。在其它工藝參數(shù)一定的情況下，采用數(shù)值模擬分析模具零件間隙、預(yù)沖孔尺寸、上下模圓角半徑、壓邊力、沖壓速度和摩擦系數(shù)對(duì)翻孔翻邊復(fù)合成形質(zhì)量的影響，最小壁厚主要出現(xiàn)在翻孔孔口處。由于起皺主要集中在底部平板位置，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可以增加壓料裝置緩解平板部分的起皺，只考慮成形工藝參數(shù)對(duì)最小壁厚、內(nèi)孔和外緣成形高度3個(gè)方面的影響。

利用有限元Dynaform軟件對(duì)內(nèi)孔翻孔和外緣翻邊復(fù)合工序沖壓過(guò)程模擬成形后，各單一因素對(duì)零件最小壁厚、內(nèi)孔翻邊高度和外緣翻邊高度的影響趨勢(shì)分別如圖4、圖5所示。從圖4和圖5可以看到，預(yù)制孔徑變化對(duì)最小壁厚（最大減薄率）影響最明顯，其余因素影響不明顯；對(duì)內(nèi)孔翻孔高度有顯著影響的是模具零件間隙和預(yù)制孔徑，其余因素不顯著。對(duì)外緣翻邊高度，除了壓邊力和沖壓速度，各因素的影響曲線都有一定的波動(dòng)，說(shuō)明除了壓邊力其余因素都對(duì)其有一定的影響。

圖4 各因素對(duì)最小壁厚的影響

圖5 各因素對(duì)內(nèi)孔翻孔高度和外緣翻邊高度的影響

4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是安排多因素試驗(yàn)、尋求最優(yōu)水平組合的一種高效率方法，既能使試驗(yàn)點(diǎn)分布較均勻，又能減少試驗(yàn)次數(shù)。正交試驗(yàn)以成形后制件的最小壁厚Y1、翻孔高度Y2和外緣翻邊高度Y3為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)單因素分析結(jié)果，最終選取預(yù)制孔徑A、模具零件間隙B、上模圓角半徑C、下模圓角半徑D和摩擦系數(shù)E這5個(gè)對(duì)Y1、Y2、Y3影響顯著的因素來(lái)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案。在保證不開(kāi)裂而且滿足外緣翻邊高度和內(nèi)孔翻孔高（15.2±0.5）mm的前提下，確定各因素水平如表1所示。

根據(jù)表1采用正交表L16(54)擬定試驗(yàn)方案[9]，利用有限元軟件Dynaform對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素水平

表2 正交試驗(yàn)方案和模擬結(jié)果 mm

由于起皺主要集中在底部平板位置，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可以增加壓料裝置緩解起皺，不考慮成形零件的起皺，僅考慮零件的最小壁厚和成形高度，主要采用極差分析法評(píng)定成形零件的最小壁厚和成形高度。從表3可以看出，各因素對(duì)于最小壁厚試驗(yàn)結(jié)果的影響都不顯著，結(jié)合上述單因素影響分析，對(duì)最小壁厚影響最大的是預(yù)制孔徑，翻孔成形的板料最小壁厚集中在孔口邊緣處，其變形程度主要由預(yù)制孔徑?jīng)Q定。最小壁厚影響順序?yàn)轭A(yù)制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞上模圓角半徑＞摩擦系數(shù)；對(duì)內(nèi)孔翻孔高度的影響順序?yàn)轭A(yù)制孔徑＞模具零件間隙、下模圓角半徑＞摩擦系數(shù)＞上模圓角半徑；對(duì)外緣翻邊高度的影響順序?yàn)槟＞吡慵g隙＞上模圓角半徑＞預(yù)制孔徑＞摩擦系數(shù)＞下模圓角半徑。

表3 極差分析表

以最小壁厚最大以及內(nèi)孔翻孔高度和外緣翻邊高度分別滿足（15.2±0.5）mm和要求選取最優(yōu)工藝參數(shù)組合，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，確定最佳工藝參數(shù)組合：預(yù)制孔徑A=24 mm、模具零件間隙B=3.35 mm、下模圓角半徑C=13 mm、上模圓角半徑D=2.0 mm、摩擦系數(shù)E=0.125，該工藝參數(shù)的成形極限和厚度分布如圖6和圖7所示。零件起皺情況如圖8所示，外緣部位幾乎看不到起皺，起皺主要出現(xiàn)在底部，而且不明顯，因此在實(shí)際沖壓過(guò)程中增加壓料裝置可以緩解平板部分起皺。

圖6 成形極限圖

圖7 沿高度方向的壁厚分布

圖8 起皺情況

5 生產(chǎn)驗(yàn)證

為了使板料各方向流動(dòng)速度趨于一致，同時(shí)利于板料定位，防止板料移動(dòng)，采用前道落料沖孔工序的孔作為定位孔，設(shè)計(jì)定位裝置[11]，保證了外緣翻邊是兩側(cè)對(duì)稱成形，凸、凹模間隙均勻。由于零件內(nèi)孔翻孔方向和外緣翻邊方向相反，為了方便成形后取件，采用上出件模式，將下模結(jié)構(gòu)設(shè)置為組合式凹模，由凹模和頂件零件兩部分組成[12,13]。模具實(shí)物如圖9所示。根據(jù)上述優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，得到的后法蘭盤零件如圖10所示，外緣翻邊質(zhì)量良好，測(cè)量零件最小壁厚為2.193 mm，與模擬結(jié)果有一定的誤差，但是在生產(chǎn)允許范圍內(nèi)。

圖9 模具實(shí)物

圖10 成形零件

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)單一因素分析發(fā)現(xiàn)，在選擇的參數(shù)值范圍內(nèi)，預(yù)制孔徑變化對(duì)最大減薄率影響最明顯，其余因素影響不明顯。對(duì)內(nèi)孔翻孔高度有顯著影響的是模具零件間隙和預(yù)制孔徑，其余因素不顯著。對(duì)于外緣翻邊高度，除了壓邊力和沖壓速度，其余因素都對(duì)其有一定的影響。

（2）正交試驗(yàn)極差分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)最小壁厚影響順序?yàn)轭A(yù)制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞上模圓角半徑＞摩擦系數(shù)，對(duì)內(nèi)孔翻孔高度的影響順序?yàn)轭A(yù)制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞摩擦系數(shù)＞上模圓角半徑，對(duì)外緣翻邊高度的影響順序?yàn)槟＞吡慵g隙＞上模圓角半徑＞預(yù)制孔徑＞摩擦系數(shù)＞下模圓角半徑。

（3）將16次正交試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比，得到的最佳工藝組合：預(yù)制孔徑A=24 mm、模具零件間隙B=3.35 mm、下模圓角半徑C=13 mm、上模圓角半徑D=2.0 mm、摩擦系數(shù)E=0.125。

（4）將最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)檢驗(yàn)，得到的零件外緣翻邊質(zhì)量良好，而內(nèi)孔翻孔邊緣存在部分毛刺，但是在生產(chǎn)允許范圍內(nèi)。