后法蘭盤翻孔翻邊復合成形工藝研究

趙博寧， 李 宇， 何娟霞

（1.柳州鐵道職業技術學院 裝備制造學院， 廣西 柳州 545616；2.廣西大學 資源環境與材料學院， 廣西 南寧 530004）

0 引 言

隨著中國汽車工業的迅猛發展，市場競爭越來越激烈，相應的汽車產品快速升級，汽車零配件生產周期隨之縮短，并且對零配件的成形質量和尺寸精度要求也在不斷提高。汽車零配件大部分采用鈑金一次成形，其中后法蘭盤作為汽車排氣系統的剛性連接件，要求連接力要足夠大以保證連接處無縫隙、不漏氣，因此后法蘭盤應有足夠的強度和剛性。后法蘭盤由于內孔翻孔和外緣翻邊高度較高，過去通常采用2副模具沖壓成形，開發周期長，研究后法蘭盤內孔翻孔和外緣翻邊的復合沖壓成形工藝，對于縮短開發周期具有重要的實際意義[1,2]。

目前研究沖壓成形質量優化的方法主要是數值模擬與各種試驗優化方案結合，如采用正交試驗得到最優參數，還有采用神經網絡遺傳算法等進行參數尋優。現以后法蘭盤內孔翻孔和外緣翻邊復合成形工藝為研究對象，優化目標為沖壓成形后零件要同時滿足最小壁厚取值最大、內孔翻孔和外緣翻邊高度達到一定的尺寸要求，采用數值模擬和正交試驗結合優化工藝參數，最終篩選最優參數組合[1]。

1 沖壓工藝分析

后法蘭盤零件見圖1所示，材料為SPHE，厚度為3.0 mm，中間的內孔孔徑為φ（42.7±0.3）mm，高度為（12.5±0.5）mm，外緣成形高度為14.2+0.5-1.0mm。內孔和外緣都帶有凸緣，內孔為圓形凸緣，外緣為對稱的非回轉體凸緣。內孔圓形凸緣可以采用翻孔工序成形，外緣凸緣可以采用翻邊工序成形。從零件的結構分析，此零件成形工序主要有落料、沖孔、內孔翻孔、外緣翻邊和整形，為了保證后法蘭盤內孔翻孔和外緣翻邊后的內緣和外緣的同軸度要求，降低模具生產成本，縮短零件制作周期，將以往的翻邊和翻孔兩道單工序合并為一道復合工序，即采用復合模完成翻孔和翻邊工序[3]。

設計的翻邊翻孔復合模結構簡圖如圖1所示。復合模雖然提高了同軸度和生產效率，但是由于模具結構復雜而導致成形工藝參數更加難以對結果進行控制。翻邊和翻孔成形最常出現的缺陷是內緣邊緣開裂和外緣翻邊高度不一致，而影響成形質量工藝因素有很多，如預制孔徑、模具零件間隙、凸模粗糙度大，凸模與底孔、凹模內孔不同心等[2]，因此以下主要研究后法蘭盤采用翻孔翻邊復合工藝對成形質量的影響規律[4]。

圖1 翻孔翻邊復合模

2 Dynaform有限元模擬

2.1 有限元建模

（1）板料建模。為了降低模具生產成本，零件采用復合模進行落料沖孔、內孔翻孔和外緣翻邊。圖1所示后法蘭盤中間內孔，兩側的定位孔對精度要求不高，因此在有限元模擬時將板料簡化為圖2所示毛坯。

圖2 有限元用模具結構

（2）上模建模。上模結構如圖2所示，主要成形外緣翻邊的內表面和內孔翻邊的外表面。目前外緣翻邊模具結構參數沒有明確的確定方法，因此下模設計以上模、零件特征和輪廓形狀作為依據。

（3）下模建模。下模主要成形外緣翻邊的外表面和內孔翻邊的內表面。在整個成形過程中，壓邊圈始終與板料接觸，起到壓料作用，防止成形過程失穩起皺，但是有限元模擬時工具設定只有凸模和凹模，要么凸模運動，要么凹模運動。而設計的復合模下模在多次反復模擬后，確定采用零件處于成形終點時的結構（見圖3中凹模）作為有限元模擬的工具[5]。

將圖3所示模具結構以igs格式導入Dynaform中完成有限元模型的建立。

圖3 有限元模型

2.2 參數設定

在有限元軟件Dynaform中，工序類型采用“雙動成形”，板料厚度設為3 mm，由于上、下模均為導入模型，工具參考面為“上∕下模”。網格劃分采用非均勻化網格，網格最大為1 mm，由于有圓角，網格最小為0.5 mm。根據圖3所示設定壓邊圈、凸模、凹模，各模具零件之間的距離在三維軟件中設好，因此工具定位采用自動定位方式。壓邊工序（closing工序）和成形工序（drawing工序）的閉合形式采用持續時間模式[6-8]。

3 單因素對成形質量影響分析

雖然采用復合模可以降低模具成本和提高生產效率，但是毛坯成形后即為成品，要求嚴格，導致復合模工藝參數更復雜。在其它工藝參數一定的情況下，采用數值模擬分析模具零件間隙、預沖孔尺寸、上下模圓角半徑、壓邊力、沖壓速度和摩擦系數對翻孔翻邊復合成形質量的影響，最小壁厚主要出現在翻孔孔口處。由于起皺主要集中在底部平板位置，在實際生產過程中可以增加壓料裝置緩解平板部分的起皺，只考慮成形工藝參數對最小壁厚、內孔和外緣成形高度3個方面的影響。

利用有限元Dynaform軟件對內孔翻孔和外緣翻邊復合工序沖壓過程模擬成形后，各單一因素對零件最小壁厚、內孔翻邊高度和外緣翻邊高度的影響趨勢分別如圖4、圖5所示。從圖4和圖5可以看到，預制孔徑變化對最小壁厚（最大減薄率）影響最明顯，其余因素影響不明顯；對內孔翻孔高度有顯著影響的是模具零件間隙和預制孔徑，其余因素不顯著。對外緣翻邊高度，除了壓邊力和沖壓速度，各因素的影響曲線都有一定的波動，說明除了壓邊力其余因素都對其有一定的影響。

圖4 各因素對最小壁厚的影響

圖5 各因素對內孔翻孔高度和外緣翻邊高度的影響

4 正交試驗方案設計和結果分析

正交試驗設計是安排多因素試驗、尋求最優水平組合的一種高效率方法，既能使試驗點分布較均勻，又能減少試驗次數。正交試驗以成形后制件的最小壁厚Y1、翻孔高度Y2和外緣翻邊高度Y3為優化目標，根據單因素分析結果，最終選取預制孔徑A、模具零件間隙B、上模圓角半徑C、下模圓角半徑D和摩擦系數E這5個對Y1、Y2、Y3影響顯著的因素來設計正交試驗方案。在保證不開裂而且滿足外緣翻邊高度和內孔翻孔高（15.2±0.5）mm的前提下，確定各因素水平如表1所示。

根據表1采用正交表L16(54)擬定試驗方案[9]，利用有限元軟件Dynaform對各組數據進行數值模擬，結果如表2所示。

表1 試驗因素水平

表2 正交試驗方案和模擬結果 mm

由于起皺主要集中在底部平板位置，在實際生產過程中可以增加壓料裝置緩解起皺，不考慮成形零件的起皺，僅考慮零件的最小壁厚和成形高度，主要采用極差分析法評定成形零件的最小壁厚和成形高度。從表3可以看出，各因素對于最小壁厚試驗結果的影響都不顯著，結合上述單因素影響分析，對最小壁厚影響最大的是預制孔徑，翻孔成形的板料最小壁厚集中在孔口邊緣處，其變形程度主要由預制孔徑決定。最小壁厚影響順序為預制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞上模圓角半徑＞摩擦系數；對內孔翻孔高度的影響順序為預制孔徑＞模具零件間隙、下模圓角半徑＞摩擦系數＞上模圓角半徑；對外緣翻邊高度的影響順序為模具零件間隙＞上模圓角半徑＞預制孔徑＞摩擦系數＞下模圓角半徑。

表3 極差分析表

以最小壁厚最大以及內孔翻孔高度和外緣翻邊高度分別滿足（15.2±0.5）mm和要求選取最優工藝參數組合，根據正交試驗結果，確定最佳工藝參數組合：預制孔徑A=24 mm、模具零件間隙B=3.35 mm、下模圓角半徑C=13 mm、上模圓角半徑D=2.0 mm、摩擦系數E=0.125，該工藝參數的成形極限和厚度分布如圖6和圖7所示。零件起皺情況如圖8所示，外緣部位幾乎看不到起皺，起皺主要出現在底部，而且不明顯，因此在實際沖壓過程中增加壓料裝置可以緩解平板部分起皺。

圖6 成形極限圖

圖7 沿高度方向的壁厚分布

圖8 起皺情況

5 生產驗證

為了使板料各方向流動速度趨于一致，同時利于板料定位，防止板料移動，采用前道落料沖孔工序的孔作為定位孔，設計定位裝置[11]，保證了外緣翻邊是兩側對稱成形，凸、凹模間隙均勻。由于零件內孔翻孔方向和外緣翻邊方向相反，為了方便成形后取件，采用上出件模式，將下模結構設置為組合式凹模，由凹模和頂件零件兩部分組成[12,13]。模具實物如圖9所示。根據上述優化的工藝參數進行生產試驗，得到的后法蘭盤零件如圖10所示，外緣翻邊質量良好，測量零件最小壁厚為2.193 mm，與模擬結果有一定的誤差，但是在生產允許范圍內。

圖9 模具實物

圖10 成形零件

6 結束語

（1）通過單一因素分析發現，在選擇的參數值范圍內，預制孔徑變化對最大減薄率影響最明顯，其余因素影響不明顯。對內孔翻孔高度有顯著影響的是模具零件間隙和預制孔徑，其余因素不顯著。對于外緣翻邊高度，除了壓邊力和沖壓速度，其余因素都對其有一定的影響。

（2）正交試驗極差分析發現，對最小壁厚影響順序為預制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞上模圓角半徑＞摩擦系數，對內孔翻孔高度的影響順序為預制孔徑＞模具零件間隙＞下模圓角半徑＞摩擦系數＞上模圓角半徑，對外緣翻邊高度的影響順序為模具零件間隙＞上模圓角半徑＞預制孔徑＞摩擦系數＞下模圓角半徑。

（3）將16次正交試驗方案進行對比，得到的最佳工藝組合：預制孔徑A=24 mm、模具零件間隙B=3.35 mm、下模圓角半徑C=13 mm、上模圓角半徑D=2.0 mm、摩擦系數E=0.125。

（4）將最優工藝參數進行生產試驗檢驗，得到的零件外緣翻邊質量良好，而內孔翻孔邊緣存在部分毛刺，但是在生產允許范圍內。