曹晨華

汽車零部件精沖擠壓復(fù)合成形工藝研究

曹晨華

（一汽-大眾汽車有限公司天津分公司，天津 301500）

精沖擠壓復(fù)合成形工藝可以有效結(jié)合板料成形和體積成形的特點(diǎn)，文章通過有限元模擬分析研究了精沖擠壓成形過程中的縮孔現(xiàn)象，網(wǎng)格畸變與裂紋缺陷，提出了預(yù)防措施，獲得了擠壓比和反壓力對成形過程和結(jié)果的影響，揭示了精沖擠壓成形工藝的特點(diǎn)，對該技術(shù)的深入研究具有一定參考價值。

精沖；擠壓；復(fù)合成形；有限元模擬；缺陷預(yù)測

前言

近年來，隨著中國汽車制造業(yè)和高速精密沖壓的迅猛發(fā)展，我國已進(jìn)入到精沖技術(shù)發(fā)展的新階段。精沖擠壓復(fù)合成形工藝是精沖復(fù)合成形技術(shù)中的一種，它既具有板料成形的特點(diǎn)，又具有體積成形的特點(diǎn)，可以生產(chǎn)門類更加廣泛多樣的零件，具有較好的應(yīng)用前景。

1 精沖擠壓成形工藝原理介紹

精沖擠壓復(fù)合成形工藝首先利用齒圈將毛坯夾住，然后利用擠壓凸模對毛坯進(jìn)行冷擠壓，同時在外圈使工件與毛坯分離。圖1為該工藝的原理示意圖。

圖1 精沖擠壓復(fù)合工藝原理圖

2 建立工藝有限元模型

取研究對象為軸對稱零件，建立的有限元模型如圖2所示。其中材料選用AISI-1025鋼，毛坯厚度取4.5mm，毛坯直徑取50mm，摩擦因數(shù)取0.12，壓入速度取12mm/s。假設(shè)模具為剛性體，變形溫度恒定。通過對精沖剪切和擠壓變形區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化來加快模擬速度。

圖2 有限元模型

3 成形過程和結(jié)果分析討論

3.1 縮孔現(xiàn)象

通過有限元模擬獲得的金屬材料流動矢量圖可以觀察到，毛坯中心軸附近的材料流動速度要快于遠(yuǎn)離中心軸區(qū)域的材料流動。因此，隨著變形的進(jìn)行，中心軸區(qū)域的坯料會逐漸脫離擠壓凸模，形成縮孔現(xiàn)象。圖3上為有限元模擬的縮孔圖，圖3下為成形零件的縮孔圖。

圖3 有限元模擬和成形零件的縮孔圖

3.2 裂紋缺陷

圖4 有限元模擬和成形零件的裂紋缺陷

當(dāng)擠壓深度達(dá)到3.3mm時，有限元模擬的工件在成形凸臺側(cè)壁與擠壓凹模圓角區(qū)域產(chǎn)生了如圖4上所顯示的裂紋缺陷，當(dāng)擠壓進(jìn)一步進(jìn)行，凸臺在該處斷裂與毛坯分離。精沖擠壓復(fù)合成形工藝在該處容易產(chǎn)生裂紋缺陷的原因主要包括兩點(diǎn)，一是因為材料與擠壓凹模壁之間的摩擦，致使該區(qū)域的材料流動慢于中心軸附近的材料流動，導(dǎo)致產(chǎn)生拉應(yīng)力；二是因為坯料變薄，材料流動能力減弱，導(dǎo)致毛坯上的材料越來越難繞過擠壓凹模刃口來補(bǔ)充該區(qū)域。該裂紋的產(chǎn)生會影響成形工件凸臺的強(qiáng)度，在工藝設(shè)計時，需要進(jìn)行有效地預(yù)防。圖4下為對應(yīng)的成形零件的裂紋缺陷照片，對比二者可以發(fā)現(xiàn)模擬和實(shí)驗獲得的缺陷位置和趨勢一致。

3.3 擠壓比的影響分析

擠壓比是指擠壓凸模區(qū)域橫截面與成形工件橫截面面積的比值，用來表示變形程度的大小。通過計算推導(dǎo)擠壓比可以表示為：

δ=擠壓凸模直徑的平方/擠壓凹模直徑的平方。

選取擠壓凸模為定值16mm，設(shè)計五組不同的擠壓比δ分別為1.3,1.6,1.9,2.3和2.7進(jìn)行模擬分析研究。

為了分析方便直觀，把金屬網(wǎng)格畸變圖和材料流動速度圖拼合在一起組成模擬效果圖。對比圖5不同擠壓比值下的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在中心軸以及擠壓凸凹模連線區(qū)域網(wǎng)格畸變最為劇烈，隨著擠壓比的增大，該區(qū)域的網(wǎng)格畸變程度會進(jìn)一步加劇。在中心對稱軸網(wǎng)格徑向受壓收縮、軸向受拉伸長，導(dǎo)致在該區(qū)域形成錐形縮孔，并且隨著擠壓比的增大，這種分布更加明顯，導(dǎo)致縮孔直徑隨擠壓比增大而減小，縮孔深度隨擠壓比增大而加深。對縮孔的深度進(jìn)行測量獲知，當(dāng)擠壓比為2.7時，縮孔深度達(dá)已超過1.7mm，這將嚴(yán)重影響成形零件的使用性能。因此，在工藝設(shè)計時要充分考慮擠壓比與成形縮孔深度之間的關(guān)系，避免制造的零件產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷。

3.4 反壓力的影響分析

在精沖擠壓復(fù)合成形中可以在成形凸臺底部位設(shè)計反壓凸模，對工件施加一定的反壓力，用于減小成形工件縮孔的深度。在擠壓比為定值的情況下，設(shè)計五組不同的反壓力分別為0KN，10KN，20KN，30KN，40KN進(jìn)行模擬分析研究。對縮孔的深度進(jìn)行測量提取獲知，當(dāng)不施加反壓力時，成形工件的縮孔深度最大；而當(dāng)反壓力為40KN時，縮孔深度趨近于消失。因此，增大反壓力，可以有效地減小縮孔的深度。但是，增大反壓力一方面會導(dǎo)致擠壓載荷增大，另一方面過大的反壓力會迫使材料由擠壓取向精沖區(qū)流動，影響精沖工藝的正常進(jìn)行。所以，工藝設(shè)計時要綜合考慮精沖擠壓工藝可以順利進(jìn)行的力學(xué)條件要求。

4 結(jié)論

本文建立了精沖擠壓復(fù)合成形工藝的有限元模型，分析研究了成形過程中的縮孔現(xiàn)象和裂紋缺陷，探討了缺陷產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施，獲得了擠壓比和反壓力對成形過程和結(jié)果的影響關(guān)系，即擠壓比越大縮孔問題越嚴(yán)重，增大反壓力可以有效控制縮孔的深度。

Research on Fine Blanking and Extrusion Forming Process of Auto Parts

Cao Chenhua

( FAW-Volkswagen Automobile Co., Ltd. Tianjin Branch,Tianjin 301500 )

The compound forming process of fine blanking and extrusion can effectively combine the characteristics of sheet forming and volume forming. In this paper, through the finite element simulation analysis, the shrinkage cavity phenomenon, grid distortion and crack defects in the process of fine blanking and extrusion forming are studied, and preventive measures are proposed. The effects of extrusion ratio and back pressure on the forming process and results are obtained. It reveals the characteristics of fine blanking extrusion forming technology, and has certain reference value for further study of this technology.

Fine-blanking;Extruding;Combined forming;FEM;Fracture prediction

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.044

U466

A

1671-7988(2021)04-144-03

U466

A

1671-7988(2021)04-144-03

曹晨華，規(guī)劃工程師，就職于一汽-大眾汽車有限公司天津分公司規(guī)劃科，負(fù)責(zé)沖壓焊裝工藝制定，新產(chǎn)品項目管理。