CN102489647B - 一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属板材冲锻成形领域，更具体地说，涉及一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺，包括以下步骤：①先在板料上冲出磁力支架左右直壁的周边缺口，再将缺口处的板料U型弯曲形成磁力支架直壁，同时保证所述左右直壁的尺寸与产品规定尺寸相等；②将磁力支架左右直壁之间的板料沿纵向中心线弯曲，使所述磁力支架左右直壁的间距缩短为d₁，然后将所述缩短后的板料放入模具，通过调整所述板料两边的限位块位置，使所述磁力支架左右直壁的间距d₁保持不变，再用冷锻方法将该板料弯曲处拍平，直至与原板料等厚；③重复步骤②N次，分别得到d₂、…、d_n，d_n为磁力支架左右直壁间距的规定尺寸，最后将所述板料上的废料切除。

Description

一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺

【技术领域】

本发明属于金属板材冲锻成形领域，更具体地说，涉及一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺。

【背景技术】

电子产品中，有一类磁力支架五金件(如图1、2所示)，该支架上装有永磁铁，为了保证磁力线分布均匀，必须保证磁力支架各处厚度均匀一致。粗略一看，此产品貌似普通的冲压件，如用金属板材冲压而成，比较容易保证磁力支架各处厚度均匀一致；但仔细观察发现中间两弯曲直壁的高度较大，展平后部分区域重叠，因此普通冲压工艺无法加工成形此类特殊磁力支架(如图3所示)。

目前，此类磁力支架的制造工艺总结起来主要分为以下三种工艺：

(1)冷锻及铣削组合工艺。该工艺需要较多设备来完成，生产效率较低。

(2)粉末冶金射出成形工艺。该工艺容易产生气孔、疏松及厚度不均匀等缺陷，另外，该工艺要求产品厚度不能太薄。

(3)普通冲压及激光焊接组合工艺。将磁力支架分成左右两半分别冲压成形，再放到高精度、自动化程度较高的夹具上通过激光焊接连接成一个产品。该工艺需要冲床、激光焊接设备及自动化程度较高的工装，焊接缺陷导致成品合格率较低，另外，生产效率也较低。

总之，上述三种工艺设备投入较高，生产效率较低，成品合格率较低，增加了此类磁力支架的制造成本，将逐步被市场淘汰。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺，采用了与现有技术完全不同的全新方法，通过缩短磁力支架两直壁距离的弯曲形状，达到等厚冲锻成形的目的，为此类无法展平的板金件的冲锻成形提供了新的思路。

本发明的技术方案是：一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺，包括以下步骤：

①先在板料上冲出磁力支架左右直壁的周边缺口，再将缺口处的板料U型弯曲形成磁力支架直壁，同时保证所述左右直壁的尺寸与产品规定尺寸相等；

②将磁力支架左右直壁之间的板料沿纵向中心线弯曲，使所述磁力支架左右直壁的间距缩短为d₁，然后将所述缩短后的板料放入模具，通过调整所述板料两边的限位块位置，使所述磁力支架左右直壁的间距d₁保持不变，再用冷锻方法将该板料弯曲处拍平，直至与原板料等厚；

③重复步骤②n次，分别得到d₂、…、d_n，d_n为磁力支架左右直壁间距的规定尺寸，最后将所述板料上的废料切除，即得到本方法所述的磁力支架。

作为上述方法的进一步改进，在所述步骤②中，将所述磁力支架左右直壁之间的板料沿纵向纵向中心线弯曲成流线型。

作为上述方法的进一步改进，在所述步骤②中，所述板料流线型弯曲的极限数值由以下公式得出：

$\frac{a}{180}{\mathrm{\πR}}_3+\frac{a}{180}\mathrm{\π}{R}_4=\frac{L-2L_1}{2}$

式中：α为弯曲中心角，0＜α≤90°；L₁为磁力支架直壁外侧板料长度，15mm≤L₁＜27mm；R₃、R₄分别为板料弯曲部分的中性层半径，L为板料的展开长度。

作为上述方法另一步改进，为减少冷锻拍平工步后的废料剪切工步，步骤①在板料上冲缺口时，在磁力支架左右直壁之间的板料上废料流出处预先冲出用于补偿所述板料变形的弧形缺口。

本发明的原理是：冲锻成形的特征为成品与原板料相比材料厚度上有非常明显的变化。然而有些零件(如磁力支架)的厚度保持与坯料厚度不变，但是在成形过程中需要用冲压和冷锻相结合的方法使材料厚度发生变化(例如先增厚再减薄)才能达到上述厚度不变的要求，这也是冲锻成形的一种新形式。目前对这一问题的研究还未见报道。本发明突破传统思维，给出了解决问题的新方法：保持两直壁高度不变，将两直壁的间距扩大到按普通冲压工艺可以展平的尺寸，再通过几次弯曲及冷锻拍平工艺不断缩短两直壁间距，直到零件达到图纸要求的尺寸为止。通过弯曲工艺来缩短磁力支架类产品的两直壁间的距离，此类弯曲不但要控制材料不能有明显的变薄，而且要注意弯曲的形状，以便后续冷锻工序不会产生材料重叠、波浪状等工艺缺陷。采用理论与实验相结合的方法来优化缩短两直壁间距的弯曲形状。结果显示，采用流线型弯曲可以避免冷锻拍平工步产生的材料重叠、波浪状等缺陷。

本发明的优点在于：本工艺采用步进式冲锻工艺来成形磁力支架，一套连续模或多工位级进模就可以完成加工，大大降低了生产成本，产品合格率也提高到合理水平，不仅可以成形以低碳钢为坯料的磁力支架类零件，而且还可以成形以金属板材为坯料的其它类似结构的钣金件，具有普遍意义，是冲压工艺的重要补充。

【附图说明】

下面参照附图结合实施例对发明作进一步的描述。

图1为磁力支架俯视图，

图2为磁力支架剖视图，

图3为磁力支架的展平图，

图4为磁力支架上下边轴对称弯曲类型的对比图，

图5为磁力支架板料流线型弯曲示意图，

图6为板料第一次线型弯曲的极限数值图，

图7为板料第一次流线型弯曲实际数值图，

图8为板料第二次线型弯曲的极限数值图，

图9为板料第二次流线型弯曲实际数值图，

图10为板料第三次流线型弯曲实际数值图，

图11为本发明流程框图，

图12为本发明各流程中板料的变化示意图，

图13为本发明各流程中板料的照片对比图。

【具体实施方式】

下面通过实施例进一步说明发明，而发明并不仅仅限于所述实施例，凡与发明结构类似，而仅是尺寸、位置有所调整或更改者，则都属于发明的保护范畴。

磁力支架的技术要求如下：材料为厚度t＝1.0mm的低碳钢，同一个磁力支架各处厚度要求相等，允差仅为4％t，即同一磁力支架各处厚度公差为±0.02mm，其它未注尺寸公差为±0.2mm。

该磁力支架的工艺流程如图9、10所示，通过步进式冲锻工艺将两直壁间距18mm逐步缩短到产品要求的10mm。针对同一磁力支架各处厚度公差为±0.02mm的技术要求，两直壁U型弯曲工艺属于成熟的冲压工艺，不会造成直壁处变薄，且弯曲根部的变薄量比较容易控制在0.02mm以内；而直壁上、下两边的流线型弯曲→冷锻拍平工艺，只要在冷锻模的下模设置同板料等厚的限位块，就能够容易保证拍平处的材料厚度同原板料厚度的偏差在0.04mm以内。对于未注尺寸公差为±0.2mm的技术要求，则更容易达到。

既然冲锻工艺能够保证磁力支架的技术要求，下面研究如何将两直壁间距如何缩短的问题，即将两直壁间距18mm最少分几步缩短到产品要求的10mm。采用本工艺来成形磁力支架，一套连续模(或多工位级进模)就可以完成，但确定连续模的工步数(或工位数)不是一件容易的事情：工步太多，不但会造成连续模外形尺寸较长，模具制造成本较高，而且冷锻拍平次数越多，会产生严重的加工硬化现象，容易造成冷锻处开裂等工艺缺陷；工步太少，则会造成零件冷锻处重叠、波浪状等缺陷，甚至会发生冷锻处断裂。因此，在保证产品质量前提下，磁力支架连续模中排样图的最小工步数就变得非常值得研究。

为了节约成本，减少流线型弯曲及冷锻拍平工艺带来的加工硬化，在保证无工艺缺陷的前提下，流线型弯曲及冷锻拍平工艺的工步数越少越好。从图4列举的多种流线型弯曲对比后容易得知：较大的R₁、R₂以及较低的高度H可以防止流线型弯曲及冷锻拍平的工艺缺陷，但这样会增加此工艺的工步数，导致冷锻处严重的加工硬化，会产生开裂和裂纹等工艺缺陷。因此，必须寻求一个平衡点来解决这对矛盾。解决的方法是：在保证无工艺缺陷的前提下，每次流线型弯曲后两直壁间距离最小，也就是工步数最少。如图3所示，根据流线型弯曲后中性层长度可知：

$\frac{a}{180}{\mathrm{\πR}}_3+\frac{a}{180}\mathrm{\π}{R}_4=\frac{L-2L_1}{2}---\left(1\right)$

式中0＜α≤90°，15mm≤L₁＜27mm，R₃、R₄分别为中性层半径，L为展开长度。

由式(1)可知：

$R_3+R_4=\left(\frac{{L-2L}_1}{2\mathrm{\π}}\right)\left(\frac{180}{\mathrm{\α}}\right)---\left(2\right)$

当α＝90°时，

${(R_3+R_4)}_{\min }=\frac{{L-2L}_1}{\mathrm{\π}}---\left(3\right)$

从图4中容易看出，当R₁+R₂最小时，两直壁的间距最小。根据上面讨论及实际经验，R₃、R₄取较大值有利于防止冷锻拍平产生的重叠、波浪状等工艺缺陷。因此，L₁取15mm，容易得到下式：

${(R_3+R_4)}_{\min }=\frac{L-30}{\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

对于第一次流线型弯曲极限，L＝54mm，根据式(4)可知，

${(R_3+R_4)}_{\min }=\frac{54-30}{\mathrm{\π}}=7.64\mathrm{mm}$

假定流线型弯曲图4中的R₂为3mm，取弯曲中性层系数K为0.4，则第一次流线型弯曲的极限图见图6，图中的高度尺寸为极限尺寸，是否会引起下工步冷锻拍平的重叠、波纹状的工艺缺陷还有待于验证。为了减少实验次数，采用数值模拟及模具实验相结合的方法来验证。数值模拟结果显示当流线型弯曲高度尺寸由8.84mm降低到6.5mm时，冷锻拍平工步工艺缺陷完全消失，根据模拟及实验结果，第一次流线型弯曲图如图7。

对于第二次流线型弯曲极限，根据式(3)及图7，L＝50.29mm，取L₁＝15mm，此时

${(R_3+R_4)}_{\min }=\frac{50.29-30}{\mathrm{\π}}=6.46\mathrm{mm}$

假定图4中的R₂为3mm，取弯曲中性层系数K为0.4，则第二次流线型弯曲的极限图见图8，图中的高度尺寸为第二次流线型弯曲后的极限高度尺寸，采用数值模拟及模具实验的方法来验证此极限高度。数值模拟结果显示当流线型弯曲高度尺寸由7.66mm降低到5mm时，冷锻拍平工序工艺缺陷完全消失，根据模拟及实验结果，第二次流线型弯曲如图9。

由图9可知，两直壁间距离为11.98mm，依然未达到产品要求尺寸10mm，必须进行第三次流线型弯曲。在保证两直壁内距离为10mm情况下，第三次流线型弯曲如图10。按图9尺寸建立三维模型，将此模型导入Deform 3D进行冷锻拍平工序的数值模拟，结果显示无工艺缺陷出现。根据模拟参数进行模具实验验证，实验结果同模拟结果吻合。

总结以上研究结果，如要在一套连续模中制造图1的磁力支架，在保证冷锻拍平工步无重叠、波浪状等工艺缺陷的前提下，磁力支架的排样图至少需要三步流线型弯曲工步及三步冷锻拍平工步，即步骤③中的n≥3，才能将两直壁间距从18mm逐步缩短到10mm，最终制造出符合产品要求的磁力支架。根据以上研究结果，该磁力支架排样图中的流线型弯曲及冷锻拍平工步流程如图11、12。按照图12中的工艺参数及数值模拟的参数，制造每个工步模具进行实验验证，为正确设计该磁力支架多工位级进模提供依据。整个流程的实验结果照片如图13，实验时为了减少冷锻拍平工步后的废料剪切工步，特地在废料流出处增加用于补偿板料变形的弧线缺口来补偿，(如图13a所示)。

从图12可以看出，实验样品在第一次流线型弯曲后两直壁间距d₁＝14.49mm比图4-20的理论值14.29mm大0.20mm；第二次、第三次流线型弯曲后两直壁间距也分别比图4-20的理论值大0.12mm、0.07mm，这是由于第一次流线型弯曲高度较大，弯曲处材料变薄，造成实验值大于理论值。随着弯曲的高度降低，材料减薄非常小，其理论值与实验值就非常接近。

磁力支架步进式冲锻成形工艺的优化

步进式冲锻成形工艺，在保持直壁高度和连续模的工步数不变的前提下，流线型弯曲的R₁、R₂在满足何种条件下，磁力支架的两直壁间距可达到最小值？为了解决这个难题，本申请人综合运用遗传算法(Genetic Algoritims，GA)、有限元方法(Finite Element Method，FEM)和人工神经网络(ArtificialNeural Network，ANN)来分别对上文提到的三步成形工艺中流线型弯曲半径R₁和R₂(见附图4)的取值进行优化，从而获取每次弯曲后磁力支架两直壁间距的最小值，最后按照优化参数制造模具进行再验证。

1第一步成形工艺参数优化

1.1第一步弯曲工艺参数模拟实验

根据R₁和R₂对工件成形质量影响程度不同，这里对R₁取3个水平，R₂取5个水平进行两两组合，并通过DEFORM-3D软件对各种参数组合进行有限元模拟，令磁力支架两直壁间距的一半值为d，详细见表1。

表1第一次弯曲模拟实验

在第二步和第三步流线型弯曲工艺中，流线型弯曲的R₁和R₂两个工艺参数的取值及其两两组合得到的模拟结果分别如表2和表3所示。神经网络训练过程、遗传算法寻优过程及模拟验证与上述的第一步类似，最终得到的结果分别如表4和表5所示。从第三次流线型弯曲的优化结果来看，遗传算法优化解与模拟结果的误差为0，这说明三次的神经网络训练结果和和遗传算法优化结果是可靠的。另外，由表5可知，优化后的结果比试验样本小，说明本节提出的工艺合理可行。

表2第二次弯曲工艺参数模拟实验

表3第三次弯曲工艺参数模拟实验

表4第二次弯曲后两直壁间距的参数优化结果与模拟结果对比表

表5第三次弯曲后两直壁间距的参数优化结果与模拟结果对比表

3工艺参数优化结论

经过三次优化后，即弯曲步骤③中的即n＝3时，零件两直壁之间内距离最小距离可达到4.34×2＝8.68mm，数值模拟结果与遗传算法优化结果吻合，两直壁间距离减少了13.2％。

本申请人综合运用遗传算法、有限元方法和人工神经网络分别对三步流线型弯曲半径R₁和R₂的取值进行优化，从而获取每次弯曲后磁力支架两直壁间距2d的最小值，模拟结果与优化结果吻合。三步流线型弯曲优化结果及模拟结果见表6。

表6三步流线型弯曲后两直壁间距优化结果及模拟结果

4实验验证

按照表6优化的工艺参数设计及制造模具。模具的加工与检测的要求较高。使用日本沙迪克慢走丝线切割制造实验模具的凸模、凹模镶件，运用高精度的CNC投影仪器及三坐标测量仪检测凸模、凹模镶件。分别进行三步流线型弯曲及三步冷锻拍平，最后得到两直壁间距为8.69mm，实验结果参见图13，同人工神经网络及有限元模拟结果非常吻合。

尽管已经示出和描述了发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种磁力支架的步进式等厚冲锻成形工艺，其特征在于包括以下步骤：

①先在板料上冲出磁力支架左右直壁的周边缺口，再将缺口处的板料U型弯曲形成磁力支架直壁，同时保证所述左右直壁的尺寸与产品规定尺寸相等；

②将磁力支架左右直壁之间的板料沿纵向中心线弯曲，使所述磁力支架左右直壁的间距缩短为d₁，然后将所述缩短后的板料放入模具，通过调整所述板料两边的限位块位置，使所述磁力支架左右直壁的间距d₁保持不变，再用冷锻方法将该板料弯曲处拍平，直至与原板料等厚；所述板料流线型弯曲的极限数值由以下公式得出：

$\frac{a}{180}\mathrm{\π}{R}_3+\frac{a}{180}\mathrm{\π}{R}_4=\frac{L-2L_1}{2}$

式中：α为弯曲中心角，0＜α≤90°；L1为磁力支架直壁外侧板料长度，15mm≤L₁＜27mm；R₃、R₄分别为板料弯曲部分的中性层半径，L为板料的展开长度；

③重复步骤②n次，分别得到d₂、…、d_n，d_n为磁力支架左右直壁间距的规定尺寸，最后将所述板料上的废料切除，即得到本方法所述的磁力支架。