精沖成形零件質量分析與自動化檢測研究

文/劉艷雄，華林，毛華杰·武漢理工大學汽車工程學院

精沖成形零件質量分析與自動化檢測研究

文/劉艷雄，華林，毛華杰·武漢理工大學汽車工程學院

本文介紹了精沖成形機理與精沖成形過程中的質量缺陷，分析了缺陷形成機理與控制辦法，并研發了基于機器視覺的精沖零件斷面缺陷自動化檢測技術。

精沖成形是指在壓邊力、反頂力及沖裁力共同作用下，材料處于三向靜水壓應力狀態而以純剪切變形方式實現分離變形的一種成形方法。作為一種先進的塑性加工工藝，與普通沖裁相比，一次精沖成形可得到全光亮帶沖裁斷面、尺寸精度達到IT6～8級、表面平整的零件。當精沖技術與鐓粗、擠壓、壓扁、沉孔等板料體積成形工藝和拉深、彎曲等沖壓成形工藝相結合得到復合精沖成形工藝時，能將普通的平面內沖壓成形提升到三維空間成形，從而生產出三維復雜高精度零件。典型復合精沖零部件如圖1所示。

圖1 典型復合精沖零部件

目前復合精沖成形技術由于其優質、高效和低耗的特點，在航空航天、機械、汽車、電子和軍工等領域得到了愈來愈廣泛的應用。在汽車領域，采用復合精沖成形技術生產的變速換擋機構總成、座椅調角器總成、發動機鏈輪、端蓋等精密零部件得到廣泛應用。目前，美、德、日等發達國家，一輛小轎車上一般至少有100個零件采用精沖件，有的甚至達到200個精沖件，而國產汽車精沖零件不到100個，與國外存在較大差距，精沖零件在國內存在巨大的經濟市場。

精沖成形基本原理

精沖成形與普通沖裁相比，其區別主要在于精沖成形模具上設置有V形壓邊圈和反頂桿，且精沖凸凹模的間隙要遠小于普通沖裁。其成形示意圖如圖2所示。在精沖過程中，壓邊圈和反頂桿以相應的壓邊力和反頂力壓住材料，使材料在狹窄的剪切變形區里一直處于靜水壓應力狀態，從而以純剪切塑性變形的方式實現斷裂分離。圖3所示為某精沖鏈輪剪切斷面微觀形貌，從圖中可以清晰地看出金屬流線的變化，流線從塌角側一直延伸至毛刺側，從而證明精沖成形為純剪切塑性變形。另外，研究表明在剪切變形區里，由于劇烈塑性變形，材料的硬度和強度提高，從而提高了零件斷面的機械力學性能。

圖2 普通沖裁與精沖成形示意圖

圖3 精沖剪切面微觀組織形貌

精沖成形零件質量分析

精沖成形零件斷面特征包括：塌角、光亮帶、撕裂帶和毛刺，另外，影響復合精沖成形零件質量的一個重要因素為零件尺寸精度。本文從這幾個方面來對精沖零件質量進行分析。

塌角

精沖零件的塌角形成機理是：在精沖開始階段，零件邊緣材料在拉應力作用下材料流動速度比零件中心的流速要小，從而造成零件邊緣部分缺料而形成塌角。塌角形成于精沖成形的初始階段，一般在后續精沖過程中塌角大小不產生變化。由于塌角會減小零件的工作面積，從而削弱零件的使用性能，尤其是對于齒輪類零件，塌角過大會嚴重影響齒輪的承載能力。因此有許多精沖零件對塌角尺寸提出了較高的要求。

減小塌角大小從而實現小或無塌角成形可以采用往復精沖法，負間隙精沖工藝。往復精沖實現小或無塌角成形的關鍵是沖裁間隙的控制，當間隙較大時，往復精沖能實現無毛刺沖裁，而當間隙較小時則可實現無塌角成形。但是對于往復精沖，裝備要求較高，目前還難以在現有精沖機上實現工業化生產。另外，減小零件塌角可以采用修整法，在精沖出零件基準尺寸上預留一定余量，然后反向沖切余量，利用在沖切過程中材料流動將塌角部分填滿。修整法可以在級進模上進行連續生產，此工藝目前在諸多企業得到了成功應用。

撕裂帶

在精沖成形過程中，凹模刃口處材料所處的靜水壓應力隨著沖模行程的增加而逐漸減小，在沖裁終了階段甚至變為靜水拉應力，如圖4所示。當材料的損傷達到材料的斷裂極限時，則在精沖斷面上形成撕裂帶。為了抑制撕裂帶的形成，可以通過增加反頂力、壓邊力和減小沖裁間隙等措施來提高剪切區的靜水壓應力，從而抑制裂紋的萌生。另外，通過材料熱處理提高材料塑性也能較好地減小撕裂的發生。

對于復合精沖，尤其是對于精沖擠壓復合成形，在中厚板的擠壓成形過程中，由于板料較厚，擠孔形狀復雜，在擠壓件斷面上很容易出現撕裂帶和二次撕裂帶，并且擠壓沖頭很容易出現崩刃和折斷。因此，作者提出一種差溫精沖擠壓復合成形工藝，即將需要局部擠壓成形的區域進行感應快速加熱（低于再結晶溫度），然后再進行擠壓成形，從而一方面提高擠壓件斷面質量，一方面能有效減少模具的崩刃和折斷。

圖4 2mm板精沖過程中凹模附近材料的靜水壓應力變化

毛刺

毛刺是沖裁成形過程中的缺陷之一，產品一般均要求無毛刺處理。現有的去除毛刺工藝一般是采用鋼絲刷或者滾動石頭在去毛刺機里進行去毛刺處理。但是，對于厚度較薄且有平面度要求的零件，采用這兩種去毛刺方法容易引起產品變形，這時可以采用直接平面鐓壓，將毛刺壓斷，但是可能有部分毛刺會壓入材料基體中，在后續使用中，毛刺有從基體脫落的危險。

尺寸精度

精沖零件尺寸精度高，但是對于復合精沖成形，尤其是涉及到板料折彎時，零件回彈引起的尺寸精度的變化則較為嚴重。精沖彎曲復合成形在換擋撥叉類零件上應用較多。圖5所示為板料四角彎曲時變形過程分析。從圖中可以看出板料四角彎曲可以分為四個階段。第一階段中，隨著凸模向下運動，板料上的材料流動在凹模圓角處產生了1個渦流，渦流左側的材料向上運動，而渦流右側的材料向下運動，如圖5(a-1)所示。第二階段中，當板料中間區域與凸模相接觸后，區域1處的材料流動方向與第一階段相反，開始在凸模的壓力作用下向下流動，板料上產生了2處渦流，每處渦流左右兩側的材料均向相反的方向流動，并且在此階段中產生的第二個渦流隨著凸模下行向右移動，如圖5(a-2)所示。第三階段中，階段二中產生的第二個渦流慢慢向第一個渦流靠近并在凹模變形區旁的非變形區域中逐漸消失，此處的材料呈S形流動，如圖5(a-3)所示。第四階段中，板料中間區域與凸模分離后，與凹模相接觸，區域1處的材料流動在凹模的壓力作用下再次發生反向，開始向上流動，形成又一個新的渦流，并且渦流在凹模壓力的作用下迅速向右移動，如圖5(a-4)所示。由于此時凸模行程即將結束，新產生的渦流未移動到變形區，彎曲變形過程已經完成。圖5b顯示了在彎曲過程中的應力分布，當凸凹模卸載后殘余應力的釋放引起零件的回彈，使區域1往上翹起而區域2往下變形。

圖5 中厚板四角彎曲成形過程分析

四角彎曲件的回彈量受很多因素影響，包括零件自身形狀、所用材料、模具尺寸、彎曲條件等。本項目組分別研究了凸凹模間隙、凸模圓角、凹模圓角、彎曲深度和材料厚度對回彈量的影響，采用測量平面度的方法來衡量四角彎曲件每個區域的回彈程度。平面度1表示區域1的回彈程度，平面度2表示區域2的回彈程度，平面度差值（即平面度2-平面度1）表示彎曲變形區的回彈程度。研究表明各參數對四角彎曲件不同區域的成形精度有不同的影響，其中板料厚度與彎曲深度對回彈程度的影響最大，模具間隙其次，凸凹模圓角半徑影響最小。當板料厚度變大時，平面度1變大，而平面度差值變小，即區域1的回彈程度變大，彎曲變形區的回彈程度變小；彎曲深度變大時，平面度1與平面度差值均變小，工件整體回彈程度減小；模具間隙、凸凹模圓角半徑增大時，平面度1與平面度差值均變大，即工件整體回彈程度變大。

精沖零件斷面缺陷自動化檢測

針對精沖零件斷面撕裂缺陷，研發了基于機器視覺的缺陷自動化檢測技術。通過采用CMOS相機在傳送帶上對精沖零件剪切面進行照片拍攝（圖6a），然后對圖像進行二值化處理后（圖6b）將撕裂帶缺陷部分提取出來（圖6c），利用粒子分析功能計算出缺陷面積、位置、撕裂帶最大垂直高度等（圖6d）。如果撕裂帶高度超過了零件要求，則判斷為廢品，予以剔除，若撕裂帶高度在允許范圍內，則判斷為合格品。

圖6 基于機器視覺的精沖零件撕裂帶缺陷自動化檢測

結束語

精沖與復合精沖是塑性成形領域一種先進的加工工藝，針對于中厚板類零件具有獨特的加工優勢。本文介紹了精沖成形機理，并對精沖成形零件的塌角、撕裂帶、毛刺與尺寸精度等影響機理和控制方法進行了相關研究，并研發了精沖撕裂缺陷自動化識別檢測技術，對于促進精沖工藝的進步具有一定的意義。