大型薄板金属冲压件局部特征成形平面度控制方法

张成浩

（成都宏明双新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引 言

通信、家电、电子类产品的箱体、面板、背板大多使用金属平板类冲压件，其生产过程是薄板冲压成形，包含许多局部成形特征，如凸包、特征筋，这些特征分布不均匀导致板料变形量集中在特征区域。对于这类复杂结构的平板类冲压件，板料不均匀变形使得成形后应力分布不均匀，零件存在变形、平面度不良的问题，表现为翘曲、回弹、扭曲等缺陷，影响零件质量和装配精度，延长了零件开发和制造周期。在热轧钢板、冷轧钢板、镀锌钢板、PCM板材和铝合金板材、不锈钢的冲压过程中，板料局部特征成形导致的应力变化、回弹变形是板料冲压成形的难点和重点。图1所示为某款TV背板，材料为SECC N5，料厚0.8 mm，尺寸为1 441 mm×820 mm，存在较多局部特征。

图1 零 件

零件技术要求：长度公差:±0.4 mm；宽度公差：±0.3 mm；长度方向平面度：＜2.5 mm；宽度方向平面度：＜1.5 mm；零件不应存在翘曲、扭曲。

为解决零件成形后的翘曲、变形、平面度问题，需在模具设计过程中不断修改，反复试模调整，需要大量的试模时间，浪费资源和材料，延长零件的开发周期，急需解决薄板金属因局部特征成形造成的扭曲、平面度不良、变形等问题。以下从材料、流动、塑性变形、弹性变形等方面提出应用于金属薄板局部特征成形的工艺方法。

1 材料特性

所述零件材料为无铬钝化电镀锌耐指纹板SECC N5，采用无铬钝化涂覆耐指纹膜技术，涂镀层均匀、致密，表面平滑，有良好的耐指纹效果。基材为优质冷轧板，具有优良的强度和压延性能，能满足生产的冲压要求，其成分参数如表1所示，力学性能参数如表2所示。

表1 SECC成分参数 质量分数

表2 SECC材料力学性能参数

2 局部特征成形翘曲分析

冲压成形是依靠压力机和模具对板材施加外力使之产生塑性变形的过程，当外载荷作用于板材表面时，受力表面的介质质点因变形打破了初始平衡，与其相邻介质质点发生了相对运动，介质质点之间施加作用力（应力）与反作用力，并在冲压成形过程中进行应力传播，最终发生塑性变形。

（1）材料变形的非均匀性。零件包含较多局部的拉深特征，这些特征包括圆形凸起、矩形凸起及异形组合凸起。凸起的成形主要依靠板料变薄来实现，整个板料不同区域的变形量不一致导致应力不一致。

（2）变形速度、变形量的差异。板料不同凸起在成形过程中的流动速度不相同，但板料作为连续整体，位移场呈现连续性，不存在断点。因此这种流动速度的不均匀性也会对成形后的板料质量产生影响。

（3）应力分布不均匀。由于凸起位置分布不均匀造成应力不均匀或应力不能相互抵消，随着成形结束，模具卸载后，原来与模具载荷相平衡的残余应力被局部释放，且局部残余应力的释放程度不同。

3 解决平面度不良的对策

金属板材局部变形引起内部的应力传递与材料流动不均匀造成残余应力的非均匀性，且模具卸载后与模具载荷平衡的残余应力释放造成成形零件翘曲变形。

（1）设置合理的拉深筋。通过布置拉深筋与能合理分配压料面材料的进料阻力，通过拉深力调整材料流动的速度，有效改变材料的流动方向与应力分布，使零件内部的应力分布更均匀，材料局部成形更充分，有效控制零件成形后的回弹和翘曲。

（2）成形特征反向回压。通过反向回压可以使凸起产生反方向的变形，对大平面部分产生压应力，使应力在原来的基础上重新分布，抵消原来凸起周围表面上分布的部分残余拉应力，改善残余应力分布不均匀的状况，减小翘曲回弹。凸包反压引起凸包反方向作用力，抵消部分凸包周围原有残余应力，这种抵消作用取决于反压尺寸，选择合理的反向回压量可以使板料平面内的应力分布最大程度的均匀化。图2所示为反向回压的效果对比，反方向回压量为凸包拉深高度的5%。

图2 近似模型反向回压前后板料X方向正应力分布

（3）抑制凸包周边材料流动。由于成形特征不均匀分布会造成成形过程中板料平面内材料不均匀流动，这是产生回弹的重要原因。抑制成形特征区域的材料流动使成形特征区域变形更充分，阻止或减弱成形特征区域应力向无成形特征的平面部分传递，减少平面部分上材料的不均匀流动，减小零件翘曲回弹。

图3所示为凸包有拉深筋与无拉深筋成形回弹模拟，在仿真模型凸边缘设置0.3 mm深的拉深筋进行模拟分析，从云图叠加及侧向视图可以看出，回弹量减小50%，零件翘曲回弹改善明显，说明合理的拉深筋对凸包成形的材料流动与应力平衡有一定作用。

图3 凸包有拉深筋与无拉深筋成形回弹模拟

（4）切断内应力。局部特征整形后，在周围布置半切特征筋，通过进一步切断局部特征成形时应力波的传播路径，减小局部特征成形对零件的影响，减小零件的翘曲回弹。

（5）均衡内部应力。根据零件形状，在零件冲孔废料部位合理增加一些特征，如过渡性的凸包、弯曲、拉深、压线，是板材成形时平衡应力与抑制材料流动的一种方法。

（6）调整凸、凹模间隙。结合零件形状合理设置凸、凹模间隙可减小零件的翘曲回弹。

4 成形工序与结构

根据以上分析优化，对背板拉深模型进行分析，如图4所示，成形拉深力为9 970 kN，压边力为2 610 kN，成形极限图所示区域凸包顶部变薄严重,有开裂趋势，凸包最大变薄为-0.575 mm；根据回弹仿真分析，零件成形完成后有翘曲风险，呈现沿左下右上对角线方向向上拱起，左上右下两角向下翘曲的趋势。

图4 零件拉深仿真分析

图1所示的大型金属板材局部成形工序优化为：拉深、整形回压、凸包半切、压铆钉，如图5所示。通过合理安排成形工序，使零件的成形形态、尺寸与平面度满足要求。

图5 拉深工序图

（1）拉深工序。采用双拉深筋凸包向上的拉深方式，10 000 kN压力机，卸料力2 500 kN；凸、凹模材料为Cr12，热处理硬度52～55 HRC，抛光后表面电镀，表面粗糙度Ra0.3 μm，保证材料流动性。

矮凸包a高度≤3t（t为料厚），拉深高度比标准值高0.3 mm，成形间隙值1.0t，成形斜度与标准值相同，上模加压线，矮凸包尺寸为0.3 mm×1.0 mm。

椭圆凸包b，高度≤5t，拉深高度比标准值高0.3 mm，成形间隙值1.0t，成形斜度大于标准值5°，凹模四周加压线，椭圆凸包尺寸为0.3mm×1.0 mm。

高凸包d为梯形凸包，高度＞5t，这类凸包因材料延伸率较大，成形仿真分析中开裂主要集中在该区域，一次性成形容易开裂，所以在拉深工序中先拉深成半圆形，以利于材料的成形，在后续工序中通过整形获得最终形状。

图1中平面成形区域的上凸模加高0.2 mm，保证后工序回压平衡应力，保证平面度。长条形连续凸起为连续筋e，标准值为6.0 mm，该部分拉深工序拉深值比标准值高0.6 mm，成形间隙为1.1t。半剪凸包半剪筋f，标准值为0.5t，该部分拉深工序拉深值设计为（0.5t+0.15）mm，按标准冲裁间隙冲切，凸模倒圆角0.5t。

图6所示虚线部分为零件最终形状与尺寸，实线为拉深结构。

图6 凸包成形示意图

图7所示中双拉深筋g的第一拉深筋设置在下模压料板上，顶部呈半圆形，根据仿真分析将第一拉深筋设计为分块结构，根据回弹趋势调整左上、右下拉深筋高度以增大拉深阻力，使拉深应力平衡；第二拉深筋处于成形凸模边，上模下行时，第一拉深筋锁紧材料，对材料流动造成阻力，随着成形继续进行，第二拉深筋进一步对材料施加与零件凸包相反的作用力，平衡材料受力，使内应力更趋于平衡，塑性变形充分。

图7 双拉深筋结构

（2）整形工序。图8虚线部分为零件最终形状与尺寸，实线为拉深整形结构。a、b类凸包整形高度为标准值的上限尺寸；d类凸包形状为标准梯形，高度为标准值的上限值；e类长条形连续凸起回压高度为标准值上限，且在凸包顶面两侧和凸包根部两侧设置拉深筋，尺寸为1.0 mm×0.3 mm；f类半剪凸包回压高度为标准值的上限值，平面成形区域回压到标准值。

图8 整形示意图

（3）为确保零件平面度，在整形之后对图9中凸包根部材料进行半剪，半剪深度为0.3 mm，通过半剪进一步阻断内部应力的传递，A-A为半剪的结构示意图。

图9 剪断应力示意图

（4）压铆钉。因为铆接螺钉分布在背板不同区域，铆接螺钉时对周边材料进行挤压，破坏应力平衡，造成翘曲与平面度不良，在铆接凹模设计一圈拉深筋，在铆钉铆压时阻止铆接材料胀形力外移，如图10所示。

图10 铆接螺钉示意图

最后根据实际经验与研究，零件局部特征尽可能对称布局，利用零件冲孔位合理布置中间过渡拉深筋、凸包辅助拉深内应力平衡，或在允许部位增加拉深筋、压线均可控制内应力，这是保证零件平面度的有效方法，如图11所示，凸包对称布局的零件平面度比非对称布置的好。

图11 压线拉深筋与凸包对称布置示意图

5 结束语

针对大型薄板金属零件局部特征的结构，分析薄板冲压成形过程中造成零件翘曲、回弹、平面度不良的原因，并针对这些原因提出了解决对策，拟定合理的成形工序，通过合理的模具结构与成形控制解决了以上问题。该方法对同类零件有一定的借鉴作用，在实际的零件制造与模具开发过程中取到了良好的效果。