基于汽车排气系统的非对称异形拉深件成形工艺及模具开

1、基于汽车排气系统的非对称异形拉深件成形工艺及模具开发摘要：介绍了汽车排气系统中非对称异形零件的成形工艺及其拉深模的结构。该成形工艺独特之处就是在单个零件成形较困难的情况下，在两个零件之间增加工艺连接区域，变单件不利于拉深成形为多件比较容易拉深成形，文中给出了这个增加的工艺区域的详细解释。这种新的成形工艺思路为类似的零部件成形提出了新的解决方法。关键词：异形件拉深工艺；拉深模；汽车零部件；CAD/CAE/CAM1 引 言近年来，人们将关注焦点放在地球环境和谐等问题上，在许多国家，根据法定条例强烈要求提高汽车废气纯化率。为了适应资源节约、环境友好的国际化趋势，对发动机排气系统典型零部件提出了更高的

2、使用要求。汽车排放法规日益严格，为改善催化效率，降低排放，不断地提高发动机排气温度，比如说排气管热端零件重点要求高温性能，如高温氧化、腐蚀、疲劳性能。由于其恶劣的使用环境、组装及焊接等的工艺要求，除了外形尺寸有比较严格的要求外，对表面质量、壁厚均匀一致性都有很高的要求。整个零件应该壁厚均匀一致，表面不能有凸凹压痕等缺陷。异形件拉深成形的工艺研究，对推动冷拉深的技术进步和模具开发有着十分重要的现实意义和应用前景，对提高产品质量和提高工作效率等方面呈现出良好的应用前景。2 成形工艺分析2.1 零件功能及成形条件分析如图1所示是排气系统的热端部分部件图，该热端部件由左右两个半壳体组成，材料为不锈钢S

3、US441，材料厚度为1.5mm。由于不锈钢的屈服点高，硬度高，冷作硬化效应显著，不锈钢薄板进行拉深时其特点如下：图1 排气系统的热端部分部件图（1）因导热性比普通低碳钢差，导致所需变形力大。（2）不锈钢薄板拉深时，塑性变形剧烈硬化，薄板拉深时容易起皱，需要较大的压边力。（3）板料在拉深凹模圆角处的弯曲和反向弯曲所引起的回弹，通常会在产品侧壁形成凹陷变形使得尺寸精度和形状要求较高的产品需要增加整形工序来达到。（4）不锈钢薄板拉深过程中容易出现粘结瘤现象。零件成形后采用焊接的加工方式连接，焊接重叠部分不宜过少；该部件大半圆和小半圆还需要与其他零件用焊接的方式连接，故部件该部分尺寸和形状有十分严格

4、的要求；另外为了保证零件强度和使用寿命，该部件成形中不能出现明显变薄的情形。2.2 零件图左半壳体零件尺寸见图2，右半壳体零件尺寸见图3。图2 左半壳体图图3 右半壳体图2.3 成形工序根据以上零部件的成形和使用要求，来确定成形工艺方案。成形设备选用液压机，零件通过两副模具来成形。具体成形工序为：工序一、首先在充分分析了两个零件外形的基础上，我们放弃了传统的单个零件成形的思路，提出了将两个零件拼接成一个零件成形的方案。这种成形方案巧妙的解决了单个零件成形中易起皱、变薄甚至拉破等质量问题。采用开口式拉深模一次成形这个拼接零件，零件拼接时中间附加工艺增幅带的方法来保证最终零件的成形质量，两个圆弧段

5、我们经过实验采用了在数模上面变更为一定的形状来保证其回弹以后尺寸和圆度仍满足要求，见图4。图4 拉深工序件示意图增幅带是指基于对称或非对称冷拉深异形件，两件或多件之间增加的工艺连接区域。其主要作用是使不易于拉深成形的两件或多件成为一个单一易于拉深的零件，可以有效地改善冷拉深的成形条件、有效防止拉深过程的应力集中、从而避免拉深的起皱和危险区域截面断裂、并使工件壁厚趋于一致。经过理论计算并模拟和实验验证，该零件增幅带宽度为40mm以上。工序二、拼接零件成形后，接着采用线切割加工方法对其进行加工，因线切割能比较好的防止加工时引起的变形。最后，对左半壳体采用打凸模具来形成凸台，见图5。图5 凸台成形工

6、序件示意图在板状金属零件上压筋，有助于增加结构刚性，加强筋结构及其尺寸选择参见表1。表1 加强结构及其参考尺寸工序三、线切割切边去除工艺废料。凸台中心孔的钻削加工利用打凸模的压边块作为专用夹具来定位和装夹。最后加工出如图6所示两个零件。 图6 最终加工件模型图2.4 坯料的确定坯料尺寸的确定：首先通过CAE软件进行分析初步确定坯料尺寸，过程见图7，再在实际冲压过程中加以修整得到最终坯料尺寸如图8。图7 CAE模拟分析得出的毛坯示意图图8 坯料尺寸图3 模具开发3.1 零件展开尺寸及形状的确定毛坯按拉深工序的工件尺寸及外形为计算依据。由于第一次成形件的外形比较复杂，用传统的计算方法很难快速准确的

7、得出合适的尺寸参数和外形。所以在毛坯的确定上，我们主要采用目前正逐步在企业中推广的板料成形CAE技术，运用FastForm板料成形快速分析软件初步计算毛坯的尺寸及外形。再按照不变薄拉深的情形，依据体积不变原则和形状相似的计算原则，对毛坯尺寸及外形做进一步的修正。这样处理大大降低了展开坯料计算难度和提高了效率。3.2 模具结构设计由于经过前面的工艺分析，变单个零件多次拉深成形为多个零件一次拉深成形。从而使得模具数量明显减少、模具结构由难变易，模具结构按常规设计，所以本文只给出简单的示意图，见图9拉深模和图10起鼓成形模。1-上模座 2-刚性压边圈 3-凸模 4-托料板 5-凹模 6-下模座图9

8、拉深模原理结构示意图1-起鼓凸模 2-压边块 3-起鼓凹模图10 起鼓成形模原理结构示意图3.3 模具成形零件加工工艺此套模具型芯和型腔部分是关键零件，下面以型腔部分为例来概述其加工工艺。型腔图见图11所示。图11 型腔模型图模具型腔的加工工艺安排：（1）备料：T10A。（2）粗加工各面并平磨上下表面。（3）数控粗精加工型腔部分并同时加工出合模用导正销。（4）线切割前边弹性压边装置。关键工序数控加工的过程：（1）用大圆角刀粗加工型腔（Pocket加工方式，留加工余量0.5mm），见图12。（2）用小圆角刀具半精加工（Contour等高外形，留加工余量0.2mm），见图13。（3）用整体合金球刀

9、精加工整个型芯（等高Contour并加上浅平面Shallow加工方式，留加工余量-0.1mm）。（4）用R3球刀清根加工小圆弧部分。（5）钻铰合模用导正孔。图12 数控粗加工图13 数控半精加工3.4 模具调试与试模经过多次实验、检验，找出不锈钢回弹规律，估算出不同形式、不同尺寸的圆弧段回弹量的经验数据，成功的用模具加工出了该产品。模具在100t的翻转试模机上面经过调试试模成功，见图14。在试模过程中我们注意到了下面问题：（1）润滑问题：在润滑剂中加一定比例的极压添加剂或采用固体润滑剂均可取得较好效果；固体润滑剂则是填充到金属表面的小坑内，使干磨擦接触点减少到最少，另外固体润滑剂有很高的稳定性

10、，在高温下也能起到润滑作用，不易发生模具粘结。由脂肪、矿物油、合成油脂、润滑脂、皂液组成润滑剂，可取得较好效果（2）凹模口部圆弧的调整问题：对于异形拉深件其凹模圆弧一定要依据材料流动变形难易确定，流动较难的区域要设计较大的圆角，反之较易的区域设计较小的圆弧，通过这样设计来实现成形难易各区段趋于一致。因此在增幅带及弹性压边的地方圆弧半径做大一些，以利于材料的流动补充。（3）对于回弹的处理问题：前端原弧要考虑回弹的影响，所以需要把最前面一截（半圆弧形）剪切掉，然后再画一回弹以后的线框，此线框应不是半圆形状，应该是R小一点，上面加一段直边，这样回弹以后才会为半圆弧形图14 试模现场4 结束语经过零件

11、结构特点分析、成形工艺分析、模具结构设计、模具数控加工、模具试模及调整成功的用生产出该质量合格的零件。对这个零件从工艺分析到模具开发以及后续补充加工的成形过程研究，成形工艺构思巧妙，模具设计结构新颖，对目前类似的零件的外形设计以及成形模具的开发具有一定的借鉴作用。（1）对增幅带这种新的成形工艺方法作出了明确的解释，并且对增幅带尺寸的确定进行了研究，以及工艺废料的切除方法。采用增幅带这种结构的模具简单、实用，制造周期短，总费用低，产品外形尺寸和表面质量更容易符合使用要求。（2）CAD技术与CAE技术的结合，CAE技术在成形工艺中的应用及对分析结果按实际生产条件的二次修正。利用CAE技术可以大致判断毛坯尺寸和外形，可以预先了解成形过程中应力应变的情况、危险区域等问题，对试模过程中出现的