復(fù)雜型面非回轉(zhuǎn)體薄壁零件成形工藝研究

王亞清

摘要：本文研究了復(fù)雜型面非回轉(zhuǎn)體薄壁零件沖壓成形的方法，通過對零件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采用正、反兩次拉伸和局部翻邊成形相結(jié)合的工藝方法，并對零件在加工過程中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行研究，制定出切實(shí)可行的解決措施，成功解決了該零件成形質(zhì)量問題，提高了復(fù)雜型面非回轉(zhuǎn)體薄壁零件的加工水平。

一、引言

沖壓是金屬塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也稱為板料成形。板料成形生產(chǎn)技術(shù)對航空、航天、國防、汽車、船舶以沖壓加工要求被加工材料具有較高的塑性和韌性，較低的屈強(qiáng)比和時效敏感性，一般要求碳素鋼伸長率δ≥16%、屈強(qiáng)比σs/σb≤70%，低合金高強(qiáng)度鋼δ≥14%、σs/σb≤80%。否則，沖壓成形性能較差，工藝上必須采取一定的措施，從而提高了零件的制造成本。

沖壓加工過程中易產(chǎn)生壁折皺、壁破裂、體皺折等缺陷。該零件的材料為不銹鋼0Cr18Ni9，壁厚為0.8mm，零件外形為不規(guī)則形狀，屬于盒形與筒形的復(fù)合拉深成形，同時內(nèi)孔翻邊高度較大并端部存在局部成型，零件需要多次正、反拉深相結(jié)合的復(fù)合成形，在拉伸的過程中由于材料存在塑性失穩(wěn)，容易引起起皺現(xiàn)象，在反拉伸的過程中，由于材料流動較困難，零件的轉(zhuǎn)接圓弧較小，零件轉(zhuǎn)接處及頂部兩處尖點(diǎn)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中出現(xiàn)裂紋，運(yùn)用鈑金模擬軟件對該零件的工藝性以及難點(diǎn)進(jìn)行分析，訂制出合理的方案，通過改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)和材料熱處理手段，解決零件試制過程的質(zhì)量問題，確保復(fù)雜型面非回轉(zhuǎn)體薄壁零件成形質(zhì)量。

二、零件的工藝性分析

2.1零件結(jié)構(gòu)分析

該零件屬于典型的鈑金沖壓成形的零件，形狀較復(fù)雜，材料為0Cr18Ni9板料，厚度0.8mm，內(nèi)孔直徑為φ254mm，外徑的直徑為φ458mm，內(nèi)孔與外徑的直徑差較大為204mm，且內(nèi)孔的拉伸高度較大為35mm，需要充足的材料進(jìn)行補(bǔ)充，拉深成形時材料的變形量很大，拉伸過程中的減薄量大，很容易在拉伸過程中在內(nèi)孔處出現(xiàn)裂紋。

0Cr18Ni9為奧氏體不銹鋼，含鉻大于18%，還含有8%左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。該材料綜合性能好，可耐多種介質(zhì)腐蝕。這類鋼具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐蝕性能，廣泛用于制造深沖成型零件。奧氏體不銹鋼一般采用固溶處理，即將鋼加熱至1050～1150℃，然后水冷或空冷，以獲得單相奧氏體組織。表2-1，表2-2和表2-3分別為0Cr18Ni9的化學(xué)成分，力學(xué)性能和熱處理工藝參數(shù)。

2.2零件拉深的力學(xué)分析

該零件集成了筒形件和盒形件拉伸的特點(diǎn)，需要從盒形件和筒形件成形特點(diǎn)分別進(jìn)行分析;筒形件的變形特點(diǎn)為：在凸模沖頭下行過程中，毛坯質(zhì)點(diǎn)沿徑向移動，使毛坯法蘭部分產(chǎn)生塑性變形，并逐漸進(jìn)入凹?？诓?，產(chǎn)生彎曲變形和校正，最終產(chǎn)生筒壁。法蘭區(qū)受到切向壓應(yīng)力，產(chǎn)生壓縮變形，壁厚略有增加。板材在拉深過程中，筒壁傳力區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)為徑向單向拉伸狀態(tài);盒型拉深零件，圓角具有拉深性質(zhì)，材料切向收縮;而直壁部分理論上為彎曲變形，但零件為一整體，變形時的應(yīng)力，應(yīng)變都是連續(xù)的。拉深變形區(qū)逐漸過渡到彎曲變形區(qū)。

2.3 零件的工藝難點(diǎn)分析

通過對該零件的結(jié)構(gòu)分析以及拉深零件的成型力學(xué)分析，該零件的成形技術(shù)難點(diǎn)在于：

1 該零件形狀復(fù)雜，金屬流動難以定量分析;

2 傳力區(qū)及圓角區(qū)變形量大，易開裂，難以一次成形;

3 零件的外形屬于筒形件和盒形件的復(fù)合成形，在盒形的轉(zhuǎn)接圓角處易開裂。

4 零件內(nèi)孔局部翻邊，零件為非回轉(zhuǎn)體，無法旋壓成形，需要特殊的模具來保證成形質(zhì)量。

針對上述工藝難點(diǎn)，需要考慮在沖壓過程中采用一些有效的措施和合理的工藝路線以及熱處理手段，提高材料塑性，減少成型過程中的摩擦，便于板料流動成形，提高零件成型質(zhì)量。

三、零件成形工藝方案的確定

3.1確定零件的毛坯尺寸

經(jīng)過上述分析該零件采用拉深成形，首先確定零件拉深的形狀尺寸，由于拉深時底部的圓角直徑的大小影響拉深件的質(zhì)量，故選擇一個大圓角的底部，避免零件的拉深出現(xiàn)裂紋。由于零件的直徑尺寸較大，拉深過程中零件的凸緣部分的變形程度由于受到材料的機(jī)械性能的方向性、模具間隙不均勻、板厚的變化、摩擦阻力不等以及材料定位不準(zhǔn)地影響，零件的口部不齊，故在零件口部增加修邊余量。根據(jù)表面積不變原理，確定零件拉深成形后的毛坯形狀。展開料形狀及尺寸的確定，直接關(guān)系到拉伸工藝的進(jìn)行、拉深件的精度及質(zhì)量，對整個拉伸過程的順利進(jìn)行至關(guān)重要。在此件中，為保證拉深的效果，必須保證足夠的壓邊面積。但過大的壓邊面積會使拉力過大易造成成型應(yīng)力集中處斷裂。

對于形狀復(fù)雜且無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算展開料的的沖壓件，如何展開料的計(jì)算便成為制約工藝規(guī)程編制的重要因素。因此，借助有限元的計(jì)算方法便很好的解決了這一難題。

在Pamstamp中，集成Inverse模塊，該模塊是一步的逆向求解器，用于給出沖壓件展開形狀的快速估計(jì)并進(jìn)行最終零件檢驗(yàn)。將在UG中的數(shù)模導(dǎo)入Inverse模塊中。經(jīng)反算的坯料尺寸為φ461mm，加上單邊10mm的余量即可應(yīng)用于生產(chǎn)，經(jīng)在實(shí)際加工過程中修邊，確定最終毛坯尺寸。

3.2 確定零件成形工藝路線

1）根據(jù)零件的拉深系數(shù)的計(jì)算方法，首先確定是否采用壓邊圈：

毛坯相對厚度：（t/D）×100=（0.8/458）×100=0.17，查表3-2，應(yīng)采用壓邊圈。

2）確定零件的拉深次數(shù)，采用計(jì)算法：當(dāng)t/d×100=0.17和h/d=35/458=0.08由此可見，零件的相對高度較小，能夠一次拉深成形。但由于內(nèi)孔與外徑的直徑差較大且內(nèi)孔的高度較高，成形過程中材料流動困難，無法補(bǔ)充內(nèi)孔成形所需的材料，容易在內(nèi)孔的圓角區(qū)域以及盒形件的圓角區(qū)產(chǎn)生裂紋。故需要多次成型，故確定零件的成型工藝路線為：下料（Φ550）—拉深—退火—二次拉深—開內(nèi)孔—拉深校整—車端面—固溶—翻邊成形，采用該工藝路線，應(yīng)用Pamstamp-autostamp模塊對實(shí)際加工過程進(jìn)行仿真分析，可以直觀觀察零件在成形過程中容易發(fā)生破裂的區(qū)域?yàn)橥鼓A角與傳力區(qū)。該處由于材料流動過程中，發(fā)生縮頸，易發(fā)生強(qiáng)度破裂。零件在翻邊過程中，由于切向受拉應(yīng)力，導(dǎo)致外緣容易發(fā)生破裂。

四 零件成形試驗(yàn)和工藝驗(yàn)證

試驗(yàn)設(shè)備采用研模試沖液壓機(jī)，該設(shè)備公稱壓力為400t，滑塊行程為1000mm，拉深墊壓緊力為50t，頂出力為50t，該設(shè)備速度可調(diào)，適于復(fù)雜零件的拉深成形。

該零件的第一次拉深是在該設(shè)備上面進(jìn)行的，首次拉深時產(chǎn)生裂紋。經(jīng)對零件在成型過程中受力情況進(jìn)行分析得知，該零件在矩形盒的圓角區(qū)產(chǎn)生裂紋，主要是由于圓角處的壓邊力較大以及圓角區(qū)的材料在拉伸過程中受到的拉應(yīng)力較大，故易產(chǎn)生裂紋。通過改變毛坯圓角的大小，增加圓角半徑，減少壓邊力，以及在局部改善潤滑方法，在圓角區(qū)采用塑料薄膜進(jìn)行潤滑，減少摩擦，利于材料流動，再次進(jìn)行試驗(yàn)時裂紋消失，零件表面狀態(tài)較好，保證成形質(zhì)量。

第二次拉深試驗(yàn)是該零件成形的關(guān)鍵，該成型工序較復(fù)雜，正反拉深同時存在，且零件成形所需的材料需要從第一次拉深的筒壁處補(bǔ)充，材料在流動面積較大，摩擦力阻力較大，反拉深區(qū)域的材料補(bǔ)充較困難，容易在轉(zhuǎn)接圓角處產(chǎn)生裂紋。另外，圓筒底部在第二次成型過程中受到壓應(yīng)力的作用，壓邊力的大小對該表面質(zhì)量影響較大，需要調(diào)整合適的壓邊力保證零件表面質(zhì)量。為了進(jìn)一步提高材料塑性，在二次拉深之前對半成品進(jìn)行固溶處理，固溶熱處理是將奧氏體不銹鋼加熱到1050℃以上，使碳化物全部或基本溶解在奧氏體晶粒中，即碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達(dá)到過飽和狀態(tài)。奧氏體體鋼的固溶處理即為軟化處理，因此可以提高不銹鋼的延伸率，降低其變形抗力。經(jīng)固溶處理的預(yù)成形件出爐后在成形模上拉深成形，材料內(nèi)應(yīng)力小，變形阻力減低，塑性提高，零件表面質(zhì)量滿足要求，無裂紋和皺紋產(chǎn)生。

最終翻邊工序是該零件的難點(diǎn)，由于零件屬于非回轉(zhuǎn)體，翻邊部位在零件內(nèi)孔處，距底面的高度較小，無法進(jìn)行旋壓加工加工，需要采用成型模具進(jìn)行翻邊，由于該零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)模具保證該零件的翻邊要求，經(jīng)與研究，選用內(nèi)外脹塊式分瓣剛性模具進(jìn)行成形加工，經(jīng)試驗(yàn)該零件的翻邊尺寸完全滿足圖紙要求.

五 結(jié)論

通過該類零件的成形工藝研究摸索出一套關(guān)于大型復(fù)雜薄壁零件的成形工藝方法，總結(jié)了模具圓角大小、潤滑方法以及熱處理制度對不銹鋼成形質(zhì)量的影響，克服了零件在生產(chǎn)過程中的起皺和裂紋的質(zhì)量問題，保證零件成型質(zhì)量。為薄壁圓筒盒形復(fù)合成形、大直徑比以及局部成形相結(jié)合復(fù)雜零件的成形工藝研究奠定了基礎(chǔ)，也為今后類似零件的生產(chǎn)提供了經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

參考文獻(xiàn)

[1]《機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊》編委會編.機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊.第1版 ?北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1995

[2]萬勝狄 主編，金屬塑性成形原理.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.5

[3]康俊遠(yuǎn).沖壓成型技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.26-32.

[4]唐德修.薄壁金屬沖壓拉深成型工藝的研究[J].西南師范大學(xué)學(xué)報（（然科學(xué)版），2008，33（3）：131-135.

[5]呂寶瑞，張海鷹.沖壓薄壁M型保持架的主要缺陷及其排除[J].軸承，1997，2：62-65.

[6]金加奇.薄壁零件沖壓模具設(shè)計(jì)及成型過程模擬分析.東北大學(xué)碩士論文，2008.29-31.