翻邊回彈凍結技術在廚電沖壓件上的應用

文/曹永祥，張華林，鄭海華·杭州老板電器股份有限公司

翻邊回彈是指板材在沖壓成形過程中，當外載荷卸除之后，塑性變形區的材料因殘余應力而使零件變形的現象，即由于彈性變形區的彈性恢復以及塑性變形區中材料彈性變形部分的彈性恢復，使其形狀、尺寸都發生與加載時變形方向相反變化的現象。在拉深后成形時，翻邊回彈現象更嚴重，在廚電產品沖壓零件成形領域，翻邊回彈已成為工藝設計和模具開發中要考慮的重點問題，由于回彈的存在，卸載后零件的形狀尺寸與模具表面的形狀尺寸不能完全符合，零件的尺寸精度達不到設計要求，對生產效率造成極大的影響，所以有必要對其進行深入的分析研究和有效的控制。

長期以來，公司對回彈問題一直在探索更好的解決方案，這一直也是沖壓件精密成形的難點之一。在實際沖壓生產中，精準掌握翻邊回彈規律和翻邊回彈值大小，分析影響翻邊回彈的因素，并結合創新的工藝技術和模具結構，可有效控制和凍結翻邊回彈，提高生產效率和品質。

影響翻邊回彈的因素

翻邊回彈是不可避免的，而且翻邊回彈的過程并不只是簡單的彈性卸載過程，對于一個工件，所有的結點不可能同時處于卸載狀態，卸載過程可能還伴有局部加載過程，所以必須對翻邊回彈影響的重要因素進行分析。

材料的力學性能對翻邊回彈的影響

金屬材料的翻邊回彈變形特點：卸載時彈性恢復的應變量與材料的屈服強度成正比，與材料的彈性模量成反比，即屈服強度越大，卸載時彈性回彈越大。這是因為材料屈服強度越高，材料在一定的變形程度下，其變形區斷面內的應力也越大，因而引起更大的彈性變形，所以回彈值也越大；而彈性模量越大，則抵抗彈性變形的能力越強，所以回彈值越小。

圖1(a）所示的兩種材料，屈服強度基本相同，但彈性模量不同(E1＞E2），在翻邊變形程度相同的條件下，退火鋼材在卸載時的彈性恢復變形小于冷作板材，即ε1＜ε2。又如圖1(b）所示的兩種材料，彈性模量基本相同，但屈服強度不同(ReL4＞ReL3），在翻邊變形程度相同的條件下，經冷作硬化而屈服強度較高的鋼材在卸載時回彈變形大于屈服強度較低的退火鋼材，即ε4＞ε3。需要注意的是，所有鋼材的彈性模量相差不大，但屈服強度和硬化指數卻有較大差別，因此為減小回彈，在模具設計時應重點考慮材料的屈服強度和硬化指數。

圖1 材料力學性能對回彈的影響

翻邊角度對翻邊回彈的影響

翻邊角度越大表示變形區越大，則工件的角度回彈值也越大，且翻邊角度與翻邊半徑的回彈值有關。

相對翻邊半徑對翻邊回彈的影響

相對翻邊半徑表示翻邊成形的變形程度。回彈值與相對翻邊半徑成正比，相對翻邊半徑越小，斷面中塑性變形區越大，切向總應變中彈性應變分量所占的比例越小，因此，卸載時彈性回彈隨相對翻邊半徑的減小而減小，而相對翻邊半徑值較大時，雖然變形程度很小，但材料斷面中心部分會出現很大的彈性區，所以回彈值越大，為了減小回彈，盡量選擇較小的相對翻邊半徑。

翻邊工件形狀及模具工作部分尺寸對翻邊回彈的影響

翻邊工件形狀及模具工作部分尺寸對回彈值有較大的影響，一般說來，U形工件的回彈比V形工件的回彈要小，這是因為U形工件的底部在翻邊中存在有拉伸變形的成分，所以回彈要小。

翻邊校正力對翻邊回彈的影響

一般情況下，翻邊校正力小時，則回彈角就大，增加校正力可減少回彈量。對翻邊半徑小的工件進行校正翻邊，可使角度回彈減小或成為負回彈。

材料的表面質量對翻邊回彈的影響

板材厚度的精度、表面質量和平面度對回彈有較大的影響，若板材厚度公差范圍大，其回彈值的波動就越大，板材厚度越薄，受這方面的影響就越大。另外，若材料表面不平，如有凸起或雜質，則在翻邊時將會產生應力集中，因而對回彈有較大的影響，甚至還會產生翹曲、扭曲或開裂等缺陷。

翻邊方式對翻邊回彈的影響

翻邊方式直接影響到翻邊工件的回彈值，如材料在無底凹模內作自由翻邊時的回彈量比有底凹模限制翻邊的回彈量要大。翻邊過程中，板料因受到模具的阻礙可能產生很復雜的變形，將影響翻邊工件脫離模具后的回彈結果，為了掌握回彈規律，提高翻邊工件的尺寸精度，需要進一步分析各種翻邊方式對回彈的影響。

翻邊零件的工藝分析

廚電產品的沖壓件中，大部分產品對翻邊回彈的控制尤為重要，直接影響后續焊接、裝配和外觀質量。集煙腔（圖2）是吸油煙機的重要零件之一，零件外形尺寸大，空間曲面復雜，外表面質量要求高，不允許有壓痕、起皺、塌陷等影響外觀的缺陷產生。除保證零件的外觀質量外，還要充分考慮零件自動激光焊接與裝配關系，保證整機的裝配質量。以此零件為例，它的沖壓工藝是：剪料→拉深→切邊→沖預孔→中孔整形→沖燈孔→燈孔成形→沖中孔→翻邊1→翻邊2→翻邊3→翻邊4→整邊。在沖壓生產過程中，先采用液壓機進行深拉深，由于拉深時材料的流動造成型腔外平面不平整，切邊后需要對外平面進行翻邊，回彈更大，更不規則，常規翻邊成形技術的模具結構已無法滿足工藝品質要求，影響后道自動激光焊接和外觀質量。所以，亟需深入研究適合集煙腔零件的回彈凍結技術，積極開發吸油煙機的先進制造工藝。

圖2 集煙腔

圖3 翻邊模具結構示意

翻邊回彈凍結技術

影響翻邊成形回彈的因素很多，如材質、翻邊角度、圓角半徑、凸凹模間隙、凹模圓角、沖壓速度和壓料力等，為了有效地控制回彈，需要對這些工藝參數進行詳細的研究分析，充分利用沖壓工藝和模具結構來凍結回彈。

凍結技術之應力預釋放法

在翻邊過程中，凹模設計成斜角后再倒圓弧過渡，凹模刃口斜角先將工件折彎成斜角，可以釋放塑性變形區的殘余應力，再折彎成90°角時，因釋放部分應力而使回彈有效變小，能夠有效的凍結回彈。

凍結技術之翻邊阻力控制法

在翻邊過程中，增大翻邊阻力可有效地減小回彈。翻邊阻力的增加主要通過壓料筋和壓料力的方式來實現。使用壓料筋可有效阻礙材料向凹模方向流動，通過凸模和壓料板的作用力過盈加壓，使在容易產生回彈的翻邊角部的應力產生變化，從而減少回彈。壓邊力的作用與壓料筋相似，合理的壓料力能對回彈有較好的抵制作用，對改善材料的翻邊性能，提高翻邊尺寸精度有積極的作用。

凍結技術之預彎成形法

在翻邊工藝中，前工序先翻邊成45°～60°角，后道再翻邊成90°，且在后道翻邊中，凸模尺寸比預彎時大0.2mm，使之在前道變形集中區域進行再翻邊成形，因前道變形集中區應力已釋放，故后道翻邊成形時回彈顯著降低。

翻邊回彈的模具結構應用

模具結構是以翻邊形狀為基礎來設計模具形狀的，結合工藝技術以凍結回彈對零件形狀的影響，實現翻邊尺寸滿足設計要求。

翻邊模具結構如圖3所示，凹模成45°角斜度后再倒圓角R，可使其先折彎成45°角，沖壓行程繼續向下時，再折彎成90°角；凸模頂部設計壓料筋，阻礙材料向凹模方向流動且釋放應力；向內傾斜α角，補償翻邊回彈；采用氮氣彈簧壓料，確保翻邊前有足夠的預壓力壓住工件，翻邊過程中有效阻礙材料向凹模方向流動；凸凹模間隙等于料厚或大于材料厚度且控制在0.05mm以內，以保證板材的保護膜在成形過程中不會破裂而劃傷工件。多種技術相結合，有效的凍結了工件的回彈，實現翻邊成形沖壓。

結束語

翻邊回彈的影響因素很多，也很復雜。雖然是不可避免的，但我們可以通過綜合分析影響翻邊回彈的主要因素，根據翻邊時的各種條件和翻邊回彈趨勢，盡量凍結和控制工件的回彈。零件的最后形狀是其整個成形過程累積效應的體現，合理將多種凍結和控制回彈的沖壓工藝和創新的模具結構相結合，能夠對翻邊成形的零件回彈進行有效的凍結，對提高沖壓件的質量及生產效率具有重要意義。