文/康治政·上海森松壓力容器有限公司

王守東·河南神州精工制造股份有限公司

回彈是板材沖壓成形中最難控制的一個(gè)缺陷，因?yàn)樗婕暗綄?duì)回彈量的精確預(yù)示。不同材料和尺寸的零件，其回彈規(guī)律大不相同，單憑經(jīng)驗(yàn)和工藝過(guò)程類比很難進(jìn)行精確回彈補(bǔ)償。為了精確預(yù)示回彈量，根據(jù)三維圖紙，采用一步有限元法進(jìn)行分析，計(jì)算出產(chǎn)品各個(gè)部位的回彈量開(kāi)具鑄件模具，并進(jìn)行初步加工。根據(jù)成形效果采用激光掃描技術(shù)將構(gòu)件樣品逆向?yàn)槿S模型，并與設(shè)計(jì)模型匹配，對(duì)模具進(jìn)行修正，最終壓制出合格的產(chǎn)品，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

異形封頭的成形特點(diǎn)

異形封頭的成形特點(diǎn)為外形輪廓度、小口平面度、凸臺(tái)高度（19個(gè)凸臺(tái)要一致，每個(gè)凸臺(tái)分為大小2個(gè)凸臺(tái)）、弓高過(guò)渡部位圓滑、成形后厚度環(huán)向均勻，具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 端蓋簡(jiǎn)圖

金屬變形的基礎(chǔ)

金屬的成形利用其塑性變形，通過(guò)金屬內(nèi)部晶粒產(chǎn)生相對(duì)滑移，滑移面附近的晶格發(fā)生歪曲和畸變，隨著滑移區(qū)的晶粒破碎，材料最終產(chǎn)生塑性變形。在沖壓成形過(guò)程中毛坯的塑性變形區(qū)域受到兩向以上應(yīng)力的作用，塑性變形區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜，各個(gè)區(qū)域有不同的變形趨向性，成形過(guò)程中毛坯變形區(qū)和傳力區(qū)在一定范圍內(nèi)是互相轉(zhuǎn)化的，通過(guò)分析變形的趨向并掌握其控制方法，為正確設(shè)計(jì)沖壓工藝和模具提供理論依據(jù)和保證。

沖壓成形過(guò)程控制

異形封頭采用金屬板料冷沖壓成形，薄板金屬在壓力作用下由模具引導(dǎo)成形的過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的物理過(guò)程，板料沖壓成形后的全應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變兩部分，由于模具幾何結(jié)構(gòu)尺寸、接觸摩擦和壓邊力等因素的影響，在金屬的成形過(guò)程中常發(fā)生起皺現(xiàn)象，如果材料形變不一致，材料流通出現(xiàn)差異性，導(dǎo)致厚度不均勻。為了得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須克服和抑制成形過(guò)程中起皺的發(fā)生和發(fā)展。

沖壓成形出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題處理

異形件沖壓成形過(guò)程中，形變板料容易出現(xiàn)開(kāi)裂、回彈和偏移。通常解決這些問(wèn)題、防止開(kāi)裂的方法是限制最小彎曲半徑、控制彎曲角、對(duì)材料的熱處理狀態(tài)提出要求、選擇彎曲的方向、材料表面狀態(tài)和邊緣處理等等。減少回彈從模具的設(shè)計(jì)方面考慮，例如回彈角、凸模曲面形狀、凹凸模之間的間隙、模具材料的選擇、下壓力的控制等等。壓制過(guò)程中板料兩面的摩擦力不等時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏移，防止偏移需要在模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮，例如增加定位裝置、壓料裝置、定位孔或?qū)Ь€槽等。

模具設(shè)計(jì)

模具采用壓邊、上胎、拉環(huán)一體式結(jié)構(gòu)，下胎四周設(shè)計(jì)有導(dǎo)向槽，防止模具在吊裝及安裝過(guò)程中發(fā)生環(huán)向側(cè)移，避免上模和下模的錯(cuò)位，模具圖如圖2所示。模具凹?；w材質(zhì)選用MoCr鑄鐵；凸模型面材質(zhì)選用MoCr鑄鐵，壓邊圈及凹模壓料面鑲塊材質(zhì)選用QT600耐磨鑄鐵。

根據(jù)模具設(shè)計(jì)情況，工件選用材質(zhì)為不銹鋼304，厚度為4.5mm板材進(jìn)行試壓成形。采用激光掃描技術(shù)將試驗(yàn)品逆向?yàn)槿S模型，并與設(shè)計(jì)模型匹配，根據(jù)成形效果對(duì)模具進(jìn)行修正。

圖2 模具圖

試驗(yàn)件成形

模具的安裝和調(diào)試

模具的定位采取在模具的外側(cè)安裝導(dǎo)向裝置的方法，使導(dǎo)向裝置的精度控制在0.1mm以內(nèi)，確保上下模具和壓邊的安裝精度。凸凹模具安裝后，再使用塞尺和鋁焊絲對(duì)凸凹模具的上下面平度和直邊間隙進(jìn)行測(cè)量，要求偏差控制在0.1mm之內(nèi)，防止料片在壓制滑移過(guò)程當(dāng)中由于間隙不均勻問(wèn)題造成拉長(zhǎng)或壓裂。上下模具找正，依靠模具上設(shè)計(jì)的外徑控制槽，來(lái)控制圓度方向的精度，并使用橡皮泥和鋁焊絲來(lái)控制模具各個(gè)方向的間隙。

成形過(guò)程

壓制力和壓制深度的控制，壓制壓邊力和壓制壓力首先使用有限元對(duì)成形壓力進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合類似規(guī)格封頭的壓制參數(shù)，對(duì)封頭壓制參數(shù)進(jìn)行確定。模具的潤(rùn)滑和保護(hù)，采用冷沖壓專用油對(duì)模具上下接觸面進(jìn)行潤(rùn)滑。然后在下模上貼一層白色薄膜，使用油膜之間的吸附力，將白色薄膜粘貼于下模之上對(duì)模具進(jìn)行保護(hù)。料片使用自動(dòng)真空吸盤搬運(yùn)至下胎上，防止機(jī)械搬運(yùn)損傷；然后在板料上面涂冷沖壓專用油進(jìn)行潤(rùn)滑。

成形后的試驗(yàn)件

通過(guò)上述工藝措施控制，幾個(gè)試制件的形狀和尺寸基本滿足要求，如圖3所示。比較準(zhǔn)確的檢測(cè)，需要通過(guò)激光掃面測(cè)量。

三維掃描儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)

試驗(yàn)件數(shù)據(jù)掃描檢測(cè)

每試制一件后，使用三維掃描儀對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)檢驗(yàn)的尺寸、形狀偏差對(duì)模具進(jìn)行修正。三維坐標(biāo)測(cè)量?jī)x檢測(cè)產(chǎn)品各部位輪廓尺寸數(shù)據(jù)包括：產(chǎn)品的直徑公差、高度公差、橢圓度、平面度、同心度、平行度。3D比較結(jié)果如圖4所示。

使用超聲波測(cè)厚儀、游標(biāo)卡尺對(duì)試制品的破壞性試驗(yàn)所取的各部位試樣進(jìn)行厚度檢測(cè)。要求直邊段最小厚度≥3.4mm，小r部位≥3.6mm，其他部位≥3.8mm。實(shí)際檢測(cè)2件端蓋厚度數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 端蓋測(cè)厚數(shù)據(jù)（mm）

圖3 試驗(yàn)件

圖4 3D比較結(jié)果

性能試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)3～4次的產(chǎn)品試制，通過(guò)三維掃描結(jié)果對(duì)模具調(diào)整，最終產(chǎn)品成形后尺寸和形狀偏差滿足圖紙要求。封頭檢驗(yàn)合格后和產(chǎn)品焊接之后進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試壓合格后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，不同位置取樣檢測(cè)。當(dāng)試制的樣品各個(gè)部位的尺寸精度及形狀滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求后，方可進(jìn)產(chǎn)品批量生產(chǎn)。

圖5 全局坐標(biāo)系

圖6 不同截面測(cè)厚圖

結(jié)束語(yǔ)

采用激光掃描技術(shù)將構(gòu)件樣品逆向?yàn)槿S模型，與設(shè)計(jì)模型對(duì)比，對(duì)實(shí)際金屬板料成形過(guò)程以及回彈分析，對(duì)異形構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝特性的分析，對(duì)一些工藝參數(shù)進(jìn)行比較和優(yōu)化，計(jì)算出構(gòu)件各個(gè)部位的回彈量，對(duì)模具進(jìn)行修正。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形構(gòu)件，通過(guò)采用掃描激光技術(shù)，對(duì)模具反復(fù)優(yōu)化，最終壓制出合格的產(chǎn)品。