張成浩

（成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

通信、家電、電子類產(chǎn)品的箱體、面板、背板大多使用金屬平板類沖壓件，其生產(chǎn)過程是薄板沖壓成形，包含許多局部成形特征，如凸包、特征筋，這些特征分布不均勻?qū)е掳辶献冃瘟考性谔卣鲄^(qū)域。對于這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的平板類沖壓件，板料不均勻變形使得成形后應(yīng)力分布不均勻，零件存在變形、平面度不良的問題，表現(xiàn)為翹曲、回彈、扭曲等缺陷，影響零件質(zhì)量和裝配精度，延長了零件開發(fā)和制造周期。在熱軋鋼板、冷軋鋼板、鍍鋅鋼板、PCM板材和鋁合金板材、不銹鋼的沖壓過程中，板料局部特征成形導(dǎo)致的應(yīng)力變化、回彈變形是板料沖壓成形的難點和重點。圖1所示為某款TV背板，材料為SECC N5，料厚0.8 mm，尺寸為1 441 mm×820 mm，存在較多局部特征。

圖1 零 件

零件技術(shù)要求：長度公差:±0.4 mm；寬度公差：±0.3 mm；長度方向平面度：＜2.5 mm；寬度方向平面度：＜1.5 mm；零件不應(yīng)存在翹曲、扭曲。

為解決零件成形后的翹曲、變形、平面度問題，需在模具設(shè)計過程中不斷修改，反復(fù)試模調(diào)整，需要大量的試模時間，浪費(fèi)資源和材料，延長零件的開發(fā)周期，急需解決薄板金屬因局部特征成形造成的扭曲、平面度不良、變形等問題。以下從材料、流動、塑性變形、彈性變形等方面提出應(yīng)用于金屬薄板局部特征成形的工藝方法。

1 材料特性

所述零件材料為無鉻鈍化電鍍鋅耐指紋板SECC N5，采用無鉻鈍化涂覆耐指紋膜技術(shù)，涂鍍層均勻、致密，表面平滑，有良好的耐指紋效果。基材為優(yōu)質(zhì)冷軋板，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和壓延性能，能滿足生產(chǎn)的沖壓要求，其成分參數(shù)如表1所示，力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 SECC成分參數(shù) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 SECC材料力學(xué)性能參數(shù)

2 局部特征成形翹曲分析

沖壓成形是依靠壓力機(jī)和模具對板材施加外力使之產(chǎn)生塑性變形的過程，當(dāng)外載荷作用于板材表面時，受力表面的介質(zhì)質(zhì)點因變形打破了初始平衡，與其相鄰介質(zhì)質(zhì)點發(fā)生了相對運(yùn)動，介質(zhì)質(zhì)點之間施加作用力（應(yīng)力）與反作用力，并在沖壓成形過程中進(jìn)行應(yīng)力傳播，最終發(fā)生塑性變形。

（1）材料變形的非均勻性。零件包含較多局部的拉深特征，這些特征包括圓形凸起、矩形凸起及異形組合凸起。凸起的成形主要依靠板料變薄來實現(xiàn)，整個板料不同區(qū)域的變形量不一致導(dǎo)致應(yīng)力不一致。

（2）變形速度、變形量的差異。板料不同凸起在成形過程中的流動速度不相同，但板料作為連續(xù)整體，位移場呈現(xiàn)連續(xù)性，不存在斷點。因此這種流動速度的不均勻性也會對成形后的板料質(zhì)量產(chǎn)生影響。

（3）應(yīng)力分布不均勻。由于凸起位置分布不均勻造成應(yīng)力不均勻或應(yīng)力不能相互抵消，隨著成形結(jié)束，模具卸載后，原來與模具載荷相平衡的殘余應(yīng)力被局部釋放，且局部殘余應(yīng)力的釋放程度不同。

3 解決平面度不良的對策

金屬板材局部變形引起內(nèi)部的應(yīng)力傳遞與材料流動不均勻造成殘余應(yīng)力的非均勻性，且模具卸載后與模具載荷平衡的殘余應(yīng)力釋放造成成形零件翹曲變形。

（1）設(shè)置合理的拉深筋。通過布置拉深筋與能合理分配壓料面材料的進(jìn)料阻力，通過拉深力調(diào)整材料流動的速度，有效改變材料的流動方向與應(yīng)力分布，使零件內(nèi)部的應(yīng)力分布更均勻，材料局部成形更充分，有效控制零件成形后的回彈和翹曲。

（2）成形特征反向回壓。通過反向回壓可以使凸起產(chǎn)生反方向的變形，對大平面部分產(chǎn)生壓應(yīng)力，使應(yīng)力在原來的基礎(chǔ)上重新分布，抵消原來凸起周圍表面上分布的部分殘余拉應(yīng)力，改善殘余應(yīng)力分布不均勻的狀況，減小翹曲回彈。凸包反壓引起凸包反方向作用力，抵消部分凸包周圍原有殘余應(yīng)力，這種抵消作用取決于反壓尺寸，選擇合理的反向回壓量可以使板料平面內(nèi)的應(yīng)力分布最大程度的均勻化。圖2所示為反向回壓的效果對比，反方向回壓量為凸包拉深高度的5%。

圖2 近似模型反向回壓前后板料X方向正應(yīng)力分布

（3）抑制凸包周邊材料流動。由于成形特征不均勻分布會造成成形過程中板料平面內(nèi)材料不均勻流動，這是產(chǎn)生回彈的重要原因。抑制成形特征區(qū)域的材料流動使成形特征區(qū)域變形更充分，阻止或減弱成形特征區(qū)域應(yīng)力向無成形特征的平面部分傳遞，減少平面部分上材料的不均勻流動，減小零件翹曲回彈。

圖3所示為凸包有拉深筋與無拉深筋成形回彈模擬，在仿真模型凸邊緣設(shè)置0.3 mm深的拉深筋進(jìn)行模擬分析，從云圖疊加及側(cè)向視圖可以看出，回彈量減小50%，零件翹曲回彈改善明顯，說明合理的拉深筋對凸包成形的材料流動與應(yīng)力平衡有一定作用。

圖3 凸包有拉深筋與無拉深筋成形回彈模擬

（4）切斷內(nèi)應(yīng)力。局部特征整形后，在周圍布置半切特征筋，通過進(jìn)一步切斷局部特征成形時應(yīng)力波的傳播路徑，減小局部特征成形對零件的影響，減小零件的翹曲回彈。

（5）均衡內(nèi)部應(yīng)力。根據(jù)零件形狀，在零件沖孔廢料部位合理增加一些特征，如過渡性的凸包、彎曲、拉深、壓線，是板材成形時平衡應(yīng)力與抑制材料流動的一種方法。

（6）調(diào)整凸、凹模間隙。結(jié)合零件形狀合理設(shè)置凸、凹模間隙可減小零件的翹曲回彈。

4 成形工序與結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上分析優(yōu)化，對背板拉深模型進(jìn)行分析，如圖4所示，成形拉深力為9 970 kN，壓邊力為2 610 kN，成形極限圖所示區(qū)域凸包頂部變薄嚴(yán)重,有開裂趨勢，凸包最大變薄為-0.575 mm；根據(jù)回彈仿真分析，零件成形完成后有翹曲風(fēng)險，呈現(xiàn)沿左下右上對角線方向向上拱起，左上右下兩角向下翹曲的趨勢。

圖4 零件拉深仿真分析

圖1所示的大型金屬板材局部成形工序優(yōu)化為：拉深、整形回壓、凸包半切、壓鉚釘，如圖5所示。通過合理安排成形工序，使零件的成形形態(tài)、尺寸與平面度滿足要求。

圖5 拉深工序圖

（1）拉深工序。采用雙拉深筋凸包向上的拉深方式，10 000 kN壓力機(jī)，卸料力2 500 kN；凸、凹模材料為Cr12，熱處理硬度52～55 HRC，拋光后表面電鍍，表面粗糙度Ra0.3 μm，保證材料流動性。

矮凸包a高度≤3t（t為料厚），拉深高度比標(biāo)準(zhǔn)值高0.3 mm，成形間隙值1.0t，成形斜度與標(biāo)準(zhǔn)值相同，上模加壓線，矮凸包尺寸為0.3 mm×1.0 mm。

橢圓凸包b，高度≤5t，拉深高度比標(biāo)準(zhǔn)值高0.3 mm，成形間隙值1.0t，成形斜度大于標(biāo)準(zhǔn)值5°，凹模四周加壓線，橢圓凸包尺寸為0.3mm×1.0 mm。

高凸包d為梯形凸包，高度＞5t，這類凸包因材料延伸率較大，成形仿真分析中開裂主要集中在該區(qū)域，一次性成形容易開裂，所以在拉深工序中先拉深成半圓形，以利于材料的成形，在后續(xù)工序中通過整形獲得最終形狀。

圖1中平面成形區(qū)域的上凸模加高0.2 mm，保證后工序回壓平衡應(yīng)力，保證平面度。長條形連續(xù)凸起為連續(xù)筋e，標(biāo)準(zhǔn)值為6.0 mm，該部分拉深工序拉深值比標(biāo)準(zhǔn)值高0.6 mm，成形間隙為1.1t。半剪凸包半剪筋f，標(biāo)準(zhǔn)值為0.5t，該部分拉深工序拉深值設(shè)計為（0.5t+0.15）mm，按標(biāo)準(zhǔn)沖裁間隙沖切，凸模倒圓角0.5t。

圖6所示虛線部分為零件最終形狀與尺寸，實線為拉深結(jié)構(gòu)。

圖6 凸包成形示意圖

圖7所示中雙拉深筋g的第一拉深筋設(shè)置在下模壓料板上，頂部呈半圓形，根據(jù)仿真分析將第一拉深筋設(shè)計為分塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)回彈趨勢調(diào)整左上、右下拉深筋高度以增大拉深阻力，使拉深應(yīng)力平衡；第二拉深筋處于成形凸模邊，上模下行時，第一拉深筋鎖緊材料，對材料流動造成阻力，隨著成形繼續(xù)進(jìn)行，第二拉深筋進(jìn)一步對材料施加與零件凸包相反的作用力，平衡材料受力，使內(nèi)應(yīng)力更趨于平衡，塑性變形充分。

圖7 雙拉深筋結(jié)構(gòu)

（2）整形工序。圖8虛線部分為零件最終形狀與尺寸，實線為拉深整形結(jié)構(gòu)。a、b類凸包整形高度為標(biāo)準(zhǔn)值的上限尺寸；d類凸包形狀為標(biāo)準(zhǔn)梯形，高度為標(biāo)準(zhǔn)值的上限值；e類長條形連續(xù)凸起回壓高度為標(biāo)準(zhǔn)值上限，且在凸包頂面兩側(cè)和凸包根部兩側(cè)設(shè)置拉深筋，尺寸為1.0 mm×0.3 mm；f類半剪凸包回壓高度為標(biāo)準(zhǔn)值的上限值，平面成形區(qū)域回壓到標(biāo)準(zhǔn)值。

圖8 整形示意圖

（3）為確保零件平面度，在整形之后對圖9中凸包根部材料進(jìn)行半剪，半剪深度為0.3 mm，通過半剪進(jìn)一步阻斷內(nèi)部應(yīng)力的傳遞，A-A為半剪的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 剪斷應(yīng)力示意圖

（4）壓鉚釘。因為鉚接螺釘分布在背板不同區(qū)域，鉚接螺釘時對周邊材料進(jìn)行擠壓，破壞應(yīng)力平衡，造成翹曲與平面度不良，在鉚接凹模設(shè)計一圈拉深筋，在鉚釘鉚壓時阻止鉚接材料脹形力外移，如圖10所示。

圖10 鉚接螺釘示意圖

最后根據(jù)實際經(jīng)驗與研究，零件局部特征盡可能對稱布局，利用零件沖孔位合理布置中間過渡拉深筋、凸包輔助拉深內(nèi)應(yīng)力平衡，或在允許部位增加拉深筋、壓線均可控制內(nèi)應(yīng)力，這是保證零件平面度的有效方法，如圖11所示，凸包對稱布局的零件平面度比非對稱布置的好。

圖11 壓線拉深筋與凸包對稱布置示意圖

5 結(jié)束語

針對大型薄板金屬零件局部特征的結(jié)構(gòu)，分析薄板沖壓成形過程中造成零件翹曲、回彈、平面度不良的原因，并針對這些原因提出了解決對策，擬定合理的成形工序，通過合理的模具結(jié)構(gòu)與成形控制解決了以上問題。該方法對同類零件有一定的借鑒作用，在實際的零件制造與模具開發(fā)過程中取到了良好的效果。