板材/体积复合成形工艺优化

质量小且强度高零件的需求增加促使了新成形工艺的发展，其中，采用体积成形的方法对板料进行成形就是一种新的成形工艺。板材/体积复合成形是指在板材成形中具有体积成形特征的三维金属流动。板材/体积复合成形工艺包括几种典型的板材和体积成形工艺，并且成形坯料为板材，其典型厚度为1～5mm。大多数板材/体积成形的目的是对板材局部进行成形，成形后板材的厚度和原始板厚之间无显著变化。成形用模具可直线运动，也可旋转运动。

图6-174 刚性冲头成形时板材的变形情况

a）成形初期 b）成形中期 c）成形终了

图6-175 粘性介质成形时板材的变形情况

a）成形初期 b）成形中期 c）成形终了

1.板材镦粗成形

在筒形件拉深成形中底部圆角部位厚度减薄率大，使其强度下降。为了实现对拉深件圆角部位厚度的补偿，可采用两步成形的方法实现筒形件拉深。首先采用镦粗成形方法制备出圆角部位较厚的板材坯料，然后使用该坯料拉深出符合要求的零件。为了使板材局部增厚，可将圆形板材的增厚部位先拉深出环形凹陷，再用模具将该凹陷部位压平，这样就实现了板材局部的镦粗增厚。采用该方法可以使1.6mm厚的低碳钢板材局部环向增厚12%，使1.4mm厚的高强度板材局部厚度增加8.2%。

图6-176 板材环向局部增厚成形过程

a）拉深 b）压缩

用在联轴器及汽车变速器中的鼓形齿轮可使用板材/体积复合成形，由于在该零件拉深成形中底部周边齿形的尖角部位减薄严重，因此在拉深前对板材坯料进行镦粗，使其中部壁厚薄，外侧壁厚大。在拉深过程中由于外侧壁厚较厚，金属变形为拉深与减薄拉深的复合成形，坯料位于拉深件底部周边厚度增加，于是可成形出满足要求的鼓形齿轮，如图6-177所示。(www.xing528.com)

图6-177 鼓形齿轮成形

a）压缩 b）拉深及减薄拉深 c）工件

同样在成形盘形齿轮时，为了增加齿部厚度，可采用局部镦粗的方法。首先对圆形坯料的外侧齿部进行翻边，然后用冲头将弯曲的齿部板材进行压缩，使其充填模具型腔，成形出齿形，这样即可获得齿部较厚的盘形齿轮，如图6-178所示。

图6-178 盘形齿轮成形

2.板材锻造

板材锻造可以减少复杂零件的成形工序和减少机械工成本。在通常的冲压过程中，板材主要承受拉力，零件整体成形精度好，但是成形件壁厚不易控制。如果沿板材长度方向施加压力，使其厚度增加，则将出现失稳现象。如果沿厚度方向施加压力，则成形载荷将显著增大。在产品设计中，不对零件的壁厚分布进行优化，这样就导致了零件质量太大。对于杯形件的成形，采用锻造方法是不合适的，由于坯料和零件的形状差别大，故采用板材锻造的方法比较合适。这是由于成形过程中可以控制金属流动来优化零件的截面形状，成形工序较少，并且也可成形阶梯形状及齿形，成形精度高和成形性能好。在汽车制造中板材锻造方法的使用正逐渐增加，它可以取代锻造、粉末冶金和铸造。图6-179所示为采用体积成形和板材锻造成形制造内齿圈件的流程对比，由图可知，采用体积成形坯料到零件的形状变化显著，而采用板材锻造成形方法板料到零件的形状变化不明显，这说明后一种方法金属的变形程度比前一种方法的变形小。

图6-179 采用体积成形和板材锻造成形制造内齿圈件的流程

a）体积成形 b）板材锻造成形 c）板材锻造成形出的零件