文／王新云，鄧?yán)?，金俊松·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

板材沖鍛成形技術(shù)及應(yīng)用

文／王新云，鄧?yán)?，金俊松·華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

板材沖鍛成形是一種復(fù)合了沖壓和鍛造成形特點(diǎn)的新型成形技術(shù).在成形不等壁厚結(jié)構(gòu)零件方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。本文介紹了該技術(shù)的基本原理和特點(diǎn).討論了其關(guān)鍵技術(shù).并結(jié)合本單位的研究成果介紹了該技術(shù)的應(yīng)用情況。

隨著零件制造整體化、成形凈形化要求的不斷提高.復(fù)雜結(jié)構(gòu)的板材零件.如具有不等壁厚或者小圓角特征的零件.無法單獨(dú)采用沖壓工藝實(shí)現(xiàn)凈成形。均勻厚度的板坯除了需產(chǎn)生平面應(yīng)力下的變形外.還需發(fā)生三向應(yīng)力狀態(tài)下的體積變形.才能實(shí)現(xiàn)不同部位壁厚的差異。這時(shí)采用沖壓與鍛造相結(jié)合的沖鍛成形技術(shù)是一種非常有效的方法。

沖鍛成形技術(shù)是以板材為坯料.先通過沖壓工藝成形出零件空間形狀.再通過鍛造工藝成形出滿足壁厚要求的精確零件的一種沖壓和鍛造復(fù)合成形技術(shù)（圖1）。其特點(diǎn)是.在沖壓工序成形零件空間形狀并在局部預(yù)先儲(chǔ)備足夠體積的金屬.在鍛造工序?qū)植窟M(jìn)行增厚、減薄或精確矯形.實(shí)現(xiàn)不等壁厚板材零件的整體精確成形.能夠代替切削加工、粉末冶金、壓鑄、以及分體制造加焊接等傳統(tǒng)成形方法。沖鍛成形技術(shù)按工具運(yùn)動(dòng)軌跡可分為：軸向沖鍛.坯料沖壓后在軸向運(yùn)動(dòng)模具的作用下發(fā)生體積變形；徑向沖鍛.坯料沖壓后在徑向運(yùn)動(dòng)模具的作用下發(fā)生體積變形。

沖鍛成形技術(shù)可制造具有不等壁厚特點(diǎn)的板材零件.實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的整體凈成形。采用沖鍛成形技術(shù)制造零件.不僅能夠提高零件尺寸精度.而且零件抗拉強(qiáng)度和剛度也有較大提高。與焊接組裝件相比.抗拉強(qiáng)度提高30%～50%.大幅提高零件的壽命和可靠性。由于沖鍛成形工序少、效率高、材料利用率高.適合于高效制造輕里化的整體零件。

圖1 沖鍛成形技術(shù)原理圖

板材沖鍛成形技術(shù)已經(jīng)成為國外各種不等壁厚板材零件制造的先進(jìn)技術(shù)（圖2）。例如.美國為了成形具有小圓角的離合器轂體零件.首先利用拉深、翻邊等工藝成形出圓筒形件.然后利用鐓壓側(cè)壁的方法使圓角半徑減小到1.5mm。國內(nèi)也取得了部分典型零件的研究成果.并進(jìn)行了試制及初步應(yīng)用。典型零件主要有汽車飛輪盤、離合器轂體、離合器襯套、空調(diào)用罩體零件、多楔帶輪和3C產(chǎn)品殼體等。華中科技大學(xué)從2005年開始系統(tǒng)研究沖鍛成形工藝和設(shè)備.攻克了板厚差1倍的雙層筒形件拉深聚料的關(guān)鍵技術(shù).實(shí)現(xiàn)了內(nèi)層壁厚從2mm增厚至4mm的成形目標(biāo)；研制出汽車飛輪盤徑向沖鍛成形工藝及高精度數(shù)控立式成形機(jī).實(shí)現(xiàn)輪緣厚度從3mm增大到9.5mm（圖3）。

圖2 國外研制的沖鍛成形零件

圖3 華中科技大學(xué)研制的徑向沖鍛飛輪盤

軸向沖鍛

對(duì)于側(cè)壁厚度與板坯厚度不同的杯筒類零件.直接采用傳統(tǒng)技術(shù)成形非常困難。擠壓方法需要非常大的載荷才能成形幾毫米厚度的杯底。而沖壓方法不能獲得具有不同厚度的零件。所以.軸向沖鍛成形是一種非常可行的方法。如外筒壁較厚的杯筒零件.可在拉深的基礎(chǔ)上.采用軸向鐓粗獲得所需側(cè)壁尺寸。

增厚比

軸向鐓粗時(shí).最容易產(chǎn)生的缺陷是失穩(wěn)和折疊。確定增厚極限是其穩(wěn)定成形的關(guān)鍵。本文采用鐓粗厚度與初始厚度的比值作為增厚比.以表示板材的增厚極限.影響增厚比的關(guān)鍵幾何參數(shù)有壁高、內(nèi)側(cè)圓角半徑和板厚等。當(dāng)內(nèi)圓角半徑/壁厚為0.5、壁高/板厚為3時(shí).增厚比可達(dá)到1.4。當(dāng)內(nèi)圓角半徑不變.隨著壁高的增加.增厚比逐漸降低。壁高/板厚為8時(shí).增厚比降為1.25。當(dāng)壁高不變.內(nèi)圓角半徑/壁厚增大或減小時(shí).增厚比均急劇降低。內(nèi)圓角半徑/壁厚為1或0.1時(shí).均無法實(shí)現(xiàn)增厚。

聚料

從上述增厚比分析可以看出.單次許可的增厚里非常有限。所以.為了減少鍛造次數(shù).同時(shí)確保局部增厚區(qū)域金屬充足.在待增厚區(qū)域聚集足夠的金屬或者盡里降低沖壓時(shí)板材減薄里成為另一個(gè)關(guān)鍵問題。目前.主要有以下3種方式實(shí)現(xiàn)局部聚料：⑴通過淺拉深或彎曲使大里金屬位于待增厚區(qū)域.然后將彎曲的部位壓平.壓平區(qū)域的板厚將大于原始板厚.因而獲得不等厚的預(yù)制坯；⑵針對(duì)所生產(chǎn)零件的結(jié)構(gòu)特征.利用成形軋制加工出不等厚度分布的板材；⑶在拉深、翻孔等沖壓工序中.施加沿板面方向的推力.使金屬沿板面流動(dòng).并通過控制推擠速度和型腔設(shè)計(jì).降低彎角、翻邊等區(qū)域的減薄。

應(yīng)用實(shí)例

典型的不等壁厚雙層筒形件如圖4所示.外側(cè)壁厚2mm.內(nèi)側(cè)壁厚4mm。設(shè)計(jì)的沖鍛工藝路線為：正拉深→反拉深→切邊+翻邊→鐓鍛。為了達(dá)到反拉深并增厚聚料的目的.提出了對(duì)坯料側(cè)壁施加軸向推力的強(qiáng)力反拉深方法。通過控制壓環(huán)和壓邊圈的形狀、壓環(huán)運(yùn)動(dòng)速度、壓邊力、凸模與凹模間隙等關(guān)鍵參數(shù).能夠很好地實(shí)現(xiàn)增厚聚料。結(jié)果表明.壓環(huán)能有效促進(jìn)材料由外壁流向內(nèi)壁圓筒.零件最小厚度和內(nèi)壁最大厚度隨壓環(huán)速度增加單調(diào)遞增.但均存在一個(gè)極值。坯料為2mm厚的08Al鋼板.根據(jù)有限元數(shù)值模擬分析獲得的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn).通過控制單次鐓鍛的增厚比.經(jīng)過三次鐓鍛.實(shí)現(xiàn)了內(nèi)側(cè)壁厚由2mm增加到4mm.達(dá)到了零件尺寸要求。

圖4 典型不等壁厚雙層筒形件

徑向沖鍛

部分具有盤面不等厚特點(diǎn)的圓盤形零件.如汽車飛輪盤.盤緣厚度約為盤輻厚度的3倍.由于盤緣面積較大.且閉式鐓粗變形時(shí)的材料變形抗力較大.造成軸向沖鍛所需的成形力非常大。這時(shí)采用徑向沖鍛成形是一種既省力又高效的方法。將沖壓后的板材由壓力機(jī)主軸壓緊并帶動(dòng)旋轉(zhuǎn).同時(shí)成形旋輪沿徑向進(jìn)給.作用于板材邊緣.迫使局部材料發(fā)生鐓粗變形。隨著旋輪不斷沿徑向進(jìn)給.輪緣厚度不斷增加。這種成形方式的本質(zhì)是旋轉(zhuǎn)漸進(jìn)成形.能夠顯著降低成形載荷。

徑向沖鍛增厚比

增厚比也是徑向沖鍛成形的關(guān)鍵。通常.低碳鋼單次增厚的推薦值為1.4。如零件需要的增厚比大于1.4.則需要進(jìn)行多次增厚。

應(yīng)用實(shí)例

圖5展示了一款汽車飛輪盤零件.該零件直徑為260mm.盤輻有一個(gè)中心孔和一個(gè)淺圓槽.厚度為3mm.盤緣部位厚度為10mm。設(shè)計(jì)的徑向沖鍛工藝路線為淺拉深→沖孔→徑向沖鍛。板坯材料為3mm厚的45鋼。

圖5 汽車飛輪盤

分三道次成形的單次增厚比大于1.4.分四道次成形的單次增厚比小于1.4.因此采用四道次徑向沖鍛。沖鍛時(shí).坯料的壓盤直徑為240mm.與飛輪盤輪輻的直徑一致。為了避免刮傷.旋輪型槽設(shè)計(jì)成錐形.并在型槽底部設(shè)計(jì)過渡圓角。

零件徑向沖鍛成形在100t旋鍛機(jī)上進(jìn)行（圖6）。輪盤壓緊力設(shè)置為50t.軸向進(jìn)給速度0.05mm/r。成形時(shí)所需的軸向進(jìn)給力約9t.遠(yuǎn)低于軸向沖鍛所需的約1500t。

圖6 100t徑向沖鍛成形設(shè)備

沖鍛成形設(shè)備的選擇

選擇沖鍛成形設(shè)備需要考慮的主要因素有工藝特點(diǎn)、成形方式和成形力。軸向沖鍛成形一般由多個(gè)工序組成.沖壓成形力較小.而鍛造成形力較大?？蛇x擇臺(tái)面大、剛性好的設(shè)備.如框架式機(jī)身大臺(tái)面的液壓機(jī)和機(jī)械式壓力機(jī).安放較大型的模具.設(shè)置多個(gè)工位成形。沖鍛成形時(shí).鍛造成形一般是最后一道工序。因此.選用沖壓壓力機(jī)進(jìn)行沖壓變形.在鍛造壓力機(jī)上進(jìn)行鍛造變形.組成一個(gè)系統(tǒng).也是一種較為合理的選擇。

徑向沖鍛由于具有成形方式的特殊性.鍛造工序需要單獨(dú)在一臺(tái)設(shè)備上完成.需選用專用旋轉(zhuǎn)成形設(shè)備。華中科技大學(xué)與黃石華力鍛壓機(jī)床有限公司合作研制的100t旋鍛機(jī)的機(jī)架采用框架式結(jié)構(gòu).上、下主軸由液壓驅(qū)動(dòng).壓緊力100t；兩個(gè)主軸分別連接一個(gè)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的上、下旋轉(zhuǎn)壓盤.轉(zhuǎn)速200～600r/min；工作臺(tái)上分布有四個(gè)安裝有成形旋輪的側(cè)向進(jìn)給系統(tǒng).徑向進(jìn)給壓力15t.成形時(shí)旋輪被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。旋鍛機(jī)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和側(cè)向進(jìn)給功能.旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給速度可調(diào).并具有良好的剛度和成形效率.能夠滿足徑向沖鍛成形的需要。

結(jié)束語

板材沖鍛成形是一種復(fù)合了沖壓和鍛造成形特點(diǎn)的塑性成形新技術(shù).材料利用率高.零件成形精度高.可以實(shí)現(xiàn)凈成形.在成形不等壁厚結(jié)構(gòu)零件方面具有突出的優(yōu)勢(shì)。還可以像普通沖壓那樣用帶材連續(xù)生產(chǎn).生產(chǎn)效率高。因而.具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

王新云.博導(dǎo).材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任.主要從事塑性成形技術(shù)與鍛壓設(shè)備方面的研究工作.主持和參加多項(xiàng)國家、省部級(jí)以及企業(yè)合作研發(fā)項(xiàng)目.獲得授權(quán)專利5項(xiàng)。