小直徑耐熱鋼深筒件深拉成形工藝改進(jìn)

張利軍，朱鵬超，李明生，薛祥義，董志強(qiáng)，楊關(guān)鎖

拉深成形工藝作為金屬材料塑性加工的主要方法廣泛應(yīng)用于汽車、家電、航空、航天、兵器、艦船、軌道車輛等制造工業(yè)領(lǐng)域，特別適用于薄壁深筒類零件的成形加工。某成套設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)需要一種Ni基耐熱鋼制造的小直徑深筒件，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。由于該零件要求具有良好的疲勞性能與耐蝕性，所以該件必須使用耐熱鋼板整體成形，不允許采用分體焊接等工藝制造。

依據(jù)零件形狀規(guī)格分析可以看出，該零件直徑小、內(nèi)腔深，是一個(gè)典型的深筒件，此類型產(chǎn)品只能采用冷旋壓成形或冷拉深成形，由于零件直徑尺寸太小，旋壓成形難度較大，工藝設(shè)計(jì)采用多道次拉深成形，拉深成形原理示意如圖2所示。

1. 首次拉深工藝分析設(shè)計(jì)與試制

耐熱鋼固溶處理后的抗拉強(qiáng)度為615MPa，伸長(zhǎng)率為42%，該牌號(hào)耐熱鋼固溶處理后具有較好室溫塑性，可滿足冷拉深成形工藝要求。該零件各處壁厚要求均勻一致，平均壁厚為2.35mm，為了保證最終產(chǎn)品厚度，初步選取4mm厚度板材，工藝設(shè)計(jì)計(jì)劃采用等壁厚拉深法與變壁厚拉深法相結(jié)合的工藝。

毛料直徑的確定：通過(guò)對(duì)零件體積計(jì)算及綜合在成形過(guò)程中板材需要經(jīng)過(guò)多次拉深、固溶、吹砂清理、清洗及齊口平端面等機(jī)械加工產(chǎn)生的消耗，最終確定毛坯的規(guī)格為φ56mm×4mm。

沖裁力是確定模具選材與設(shè)備選型的主要依據(jù)，沖裁力

F=K L sτ=1.3×56×3.14×4 × 0.8×615=449869（N）

式中F―沖裁力（N）；

L—沖裁周邊長(zhǎng)度（mm）；

s—坯料厚度（mm）；

K—系數(shù)，一般為1.3；

τ — 材 料 剪 切 強(qiáng) 度（MPa），一般按0.80σb。

依據(jù)計(jì)算的沖裁力我們選定1000kN壓力機(jī)進(jìn)行坯料落料。

拉深次數(shù)確定：拉深系數(shù)m是拉深成形工藝的主要工藝參數(shù)，拉深件直徑與坯料直徑比值稱為拉深系數(shù)，是衡量拉深變形程度的指標(biāo)，拉深系數(shù)越小，表示拉深件直徑越小，變形程度越大，坯料被拉入凹模越困難，因此也越容易出現(xiàn)拉裂廢品，一般情況下單次拉深系數(shù)不小于0.5～0.8，坯料塑性差取上限，塑性好取下限。減薄系數(shù)ψ是拉深件壁厚與坯料件壁厚的比值，減薄系數(shù)越小，表示減薄變形量越大，成形越困難（道次越多）。該零件m總=15.4/56=0.275，非常小，需要采用多次拉深成形； ψ總=2.35/4=0.5875，為適中，一般需要2次減薄就可以。具體計(jì)算為

圖1 深筒件零件

圖2 拉深成形原理示意

深拉成形示意如圖3所示，每次拉深成形后需要進(jìn)行一次真空固溶處理，以回復(fù)合金的冷加工塑性，選定630k N壓力機(jī)進(jìn)行拉深成形。

按照以上工藝設(shè)計(jì)加工模具后進(jìn)行了產(chǎn)品試制，試制過(guò)程中每道次產(chǎn)品解剖件如圖4所示，可以看出1～5道次產(chǎn)品的壁厚不均勻，越靠近口部越厚，越靠近底部越薄，且筒壁與底部的過(guò)渡圓角部位明顯要薄與其他部位厚度，特別是4道次拉深件與5道次拉深件的過(guò)渡圓角更甚，造成最終產(chǎn)品該處壁薄不能滿足最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用要求。

圖3 首次設(shè)計(jì)拉深成形示意

2. 拉深工藝改進(jìn)與試制

該零件在拉深成形時(shí)其凸凹模間隙一般等于或稍大于板料厚度，拉深時(shí)板料被拉入凸凹模之間的間隙形成圓筒的直壁，拉深件底部一般不變形，只起到傳遞拉力的作用，在成形過(guò)程中直壁下部由于受到拉力作用，厚度會(huì)有所減薄，直壁與底之間的過(guò)渡圓角一般被拉薄的最嚴(yán)重，直壁上部（法蘭）由于受壓應(yīng)力作用，壁厚會(huì)有所增加，較下端壁厚要厚。

由于該耐熱鋼較常規(guī)拉深成形用的碳鋼或低合金鋼、銅等金屬材料強(qiáng)度要高出很多，塑性又相對(duì)較低，加工硬化明顯，其拉深成形過(guò)程中上側(cè)壁的變形抗力非常大，致使底部受到非常大的拉力，最終凸模將過(guò)渡圓角處及下側(cè)壁拉薄（明顯薄于工藝設(shè)計(jì)的4mm），在進(jìn)行后續(xù)道次拉深變形時(shí)，由于變薄的部位與模具不貼合（模具設(shè)計(jì)間隙4mm），不受壓應(yīng)力屬于自由狀態(tài)進(jìn)一步拉深減薄，導(dǎo)致最終產(chǎn)品報(bào)廢。

為有效解決該問(wèn)題，我們首先計(jì)劃減小大部分凸模的過(guò)渡圓角，以增加拉深成形時(shí)坯料底部受力面積；其次，計(jì)劃采用減徑與減薄交替的工藝進(jìn)行拉深成形（首次工藝采用是先減徑后減壁厚的工藝），保證在拉深成形過(guò)程中坯料的側(cè)壁始終受到壓應(yīng)力作用，增加坯料內(nèi)側(cè)壁與凸模的摩擦力分擔(dān)底部的拉應(yīng)力

改進(jìn)工藝的道次拉深系數(shù)與減薄系數(shù)計(jì)算

改進(jìn)后的深拉成形示意如圖5所示，按照改進(jìn)后的工藝設(shè)計(jì)加工模具后進(jìn)行了產(chǎn)品試制，試制過(guò)程中的每道次產(chǎn)品解剖件如圖6所示，可以看出每道次拉深成形產(chǎn)品的壁厚均勻，尺寸符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了工藝改進(jìn)的目的，試制零件能夠滿足最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)和使用要求。

圖4 首次試制產(chǎn)品解剖件

圖5 改進(jìn)后拉深成形示意

圖6 改進(jìn)后拉深成形工藝試制產(chǎn)品解剖件

3. 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)該耐熱鋼材料特性對(duì)其拉深成形工藝及模具設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，試制結(jié)果表明，改進(jìn)后拉深成形工藝參數(shù)與模具設(shè)計(jì)合理，解決了前期筒壁與底部過(guò)渡圓角減薄的技術(shù)難題，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)大幅提高了產(chǎn)品的成品率與生產(chǎn)效率，該拉深成形工藝與模具設(shè)計(jì)思路對(duì)加工耐熱鋼等強(qiáng)度較高、塑性較差的金屬材料具有一定的參考作用。