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      不銹鋼精密零件冷鐓成形研究

      2021-12-06 07:18:28張成浩
      模具工業(yè) 2021年11期
      關(guān)鍵詞:冷鐓沖孔坯料

      張成浩

      (成都宏明雙新科技股份有限公司,四川 成都 610091)

      0 引言

      冷鐓是精密塑性體積成形的一種,在壓力和模具共同束縛下控制金屬流動促使金屬體積轉(zhuǎn)移,獲得所需形狀、尺寸及具有一定力學(xué)性能的零件。冷鐓技術(shù)是高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的先進生產(chǎn)工藝,一般應(yīng)用于中小型冷鐓件規(guī)?;a(chǎn)。隨著電子產(chǎn)品、家用電器等行業(yè)對技術(shù)要求的不斷提高,冷鐓工藝己成為中小零件精細化生產(chǎn)的發(fā)展方向之一。

      圖1所示為電子產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu),材料為不銹鋼SUS304-I,零件呈臺階結(jié)構(gòu)。零件技術(shù)要求:①硬度要求平均在330 HV以上;②外觀面需全光亮帶,按A級面管控,不允許存在任何色澤的差異;③沖孔沖切面光亮帶大于85%,無塌角;④不允許存在起皺、拉傷及撕裂等外觀缺陷;⑤外形尺寸公差為±0.02 mm,平面度公差為0.05 mm。

      圖1 零件結(jié)構(gòu)

      1 零件材料特性

      不銹鋼SUS304-I應(yīng)用較為廣泛,具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和力學(xué)特性,沖壓、彎曲等熱加工性好,無熱處理硬化現(xiàn)象,力學(xué)性能如表1所示。

      表1 不銹鋼SUS304-I力學(xué)性能

      2 零件工藝分析

      零件成形工藝主要有以下2種。

      2.1 金屬切削加工

      采用金屬切削加工是傳統(tǒng)成形方式,也是最直接的方法。CNC切削加工成形存在的問題:材料利用率低且成本高,材料浪費嚴重。為此需要一種節(jié)約材料且減少切削加工余量的成形工藝,選用板材通過精密冷鐓方式成形,精密冷鐓成形毛坯,然后進行沖裁成形所需的零件,該工藝有以下特點。

      (1)材料利用率高,可選用1.6 mm厚的卷料,經(jīng)過局部冷鐓實現(xiàn)零件形狀成形,最大程度提升材料利用率。

      (2)生產(chǎn)效率高、可批量生產(chǎn),沖壓冷鐓均適合大批量生產(chǎn)。

      (3)冷鐓采用模具成形,成形零件精度及品質(zhì)穩(wěn)定可靠。

      (4)無需CNC加工。

      (5)成形零件硬度可提高到330 HV以上,能滿足零件強度要求。

      (6)采用流動控制成形技術(shù)控制材料流動過程,經(jīng)研磨電鍍后表面色澤一致,外觀達到客戶要求。

      2.2 冷鐓成形工藝

      冷鐓時,一次鐓壓成形所容許的變形程度,稱為許用變形程度。不同材料有不同的許用變形程度,工藝上,每道冷鐓工序的變形程度應(yīng)小于許用值。不銹鋼材料在冷鐓鐓粗過程中,其高度會發(fā)生變化,以高度變化量反映鐓壓量,鐓壓量與高度變化關(guān)系為:

      式中:H——冷鐓前高度,1.5 mm;h——冷鐓后高度,0.9 mm;ε——鐓壓量,經(jīng)計算ε=40%,小于不銹鋼自由鐓壓量50%~60%的變形量。

      經(jīng)過冷鐓塑性變形,金屬的力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能發(fā)生改變,隨著變形程度的增加,強度指標硬度有所提高即冷變形硬化。不銹鋼SUS304-I為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼的代表,應(yīng)變后開始馬氏體轉(zhuǎn)變,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上加工硬化率顯著提高,如圖2所示。SUS304-I材料硬度最大為200 HV,經(jīng)過變形量40%的冷鐓后可以達到零件要求的硬度。

      圖2 SUS304-I鐓壓變形量ε與硬度曲線關(guān)系

      成形工藝可采取以下2種方案。

      (1)方案一:正向鐓壓成形。沖頭考慮為剛體,坯料劃分為約30 000個單元,計算過程中采用網(wǎng)格自適應(yīng),分析的坯料模型如圖3(a)所示,直接用平?jīng)_頭鐓壓坯料,1為沖頭運動方向,2為約束Z向自由度,3為2個端面全約束,坯料厚度由1.5 mm鐓壓到0.9 mm,有限元邊界條件如圖3(b)所示。

      圖3 正向鐓壓模型

      鐓壓有限元分析如圖4所示。從圖4可以看出,對于SUS304-I坯料,厚度由1.5 mm鐓壓至0.9 mm,材料壓縮0.6 mm通過5個階段實現(xiàn),峰值壓力為85 300 N,對于冷變形,設(shè)計的加工應(yīng)變和應(yīng)力有些偏高,導(dǎo)致模具安全性不高,0.9 mm的尺寸很難保證。

      圖4 鐓壓有限元分析

      根據(jù)圖5鐓壓泰勒展開式材料分流原理,如果有效控制材料流動會降低模具壓應(yīng)力的峰值,基于此制定第二個成形方案。

      圖5 鐓壓力分布

      (2)方案二:先V形鐓壓再正向鐓壓成形??紤]沖頭為剛體,坯料劃分為約30 000個單元,計算過程中采用網(wǎng)格自適應(yīng),先用V形沖頭鐓壓坯料,壓下量為0.6 mm,再用平?jīng)_頭鐓壓到0.9 mm,優(yōu)化后的有限元模型及邊界條件如圖6所示。

      圖6 優(yōu)化后的有限元模型及邊界條件

      優(yōu)化后的鐓壓有限元分析如圖7所示。從圖7可以看出,預(yù)先采用V形沖頭鐓壓,再用平?jīng)_鐓壓所需要的載荷比直接用平?jīng)_頭鐓壓小,而對于等效應(yīng)變則相反,說明兩步成形使坯料更容易變形。最大承載力減小,相應(yīng)的模具安全性得到提高,易保證成形0.9 mm的尺寸。

      圖7 優(yōu)化后的鐓壓有限元分析

      3 零件沖切面工藝分析

      3.1 零件沖孔

      成形中間2個孔(見圖1)以普通沖裁方式達不到?jīng)_切斷面光亮帶>85%的要求,需要精沖、精修等沖壓方式。精沖靠V形齒限制材料流動的前提下,以極小間隙沖裁,模具零件常會因磨損劇烈而失效,模具加工成本高,且要使用專用機床沖剪,同時卸料板壓力較大。沖孔外圍材料為零件面,采用V形齒圈強壓的方式會破壞成形零件表面狀態(tài),V形齒圈精沖不合適,需采用精修的方式成形。

      第一次預(yù)沖孔留一定余量,第二次沖孔采用精修,不銹鋼SUS304-I精修參數(shù)如表2所示,預(yù)沖孔在最后一次精鐓之前,預(yù)沖孔寬度為1.90 mm,精修量保留0.15~0.3 mm,然后采用精修修整預(yù)沖孔塌角與孔的側(cè)壁,達到成形零件對于沖孔光亮帶的要求,精修參數(shù)與工序設(shè)計如圖8所示。

      圖8 精修沖孔及工序

      3.2 零件外形沖切

      零件外形要求光亮且不允許有接刀段差,冷鐓后零件飛邊余量較少同時材料硬化,不適合V形齒精沖,采用切邊后精密整體落料方式進行處理,如圖9所示。精密落料間隙選用表2所示參數(shù),前期試驗驗證結(jié)果顯示成形零件側(cè)切面符合要求,如圖10所示。

      圖9 精修落料

      圖10 斷面質(zhì)量驗證

      表2 SUS304-I精修參數(shù) mm

      4 模具零件材料

      冷鐓模在高壓、高摩擦力的環(huán)境下工作,因此要求模具鋼在工作溫度下具有較高的硬度、強度、沖擊韌性和熱疲勞性能。根據(jù)被鐓壓金屬的種類、溫度、鐓壓力等條件,選用合適的工藝與優(yōu)質(zhì)的模具零件材料尤為重要。冷鐓模零件材料要求:高硬度、高強度、高韌性、高耐壓能力、高耐磨性、良好的工藝性能。沖孔沖頭與刃口采用ASP23材料,鐓壓沖頭與凹模選用鎢鋼KG7。

      5 模具潤滑

      潤滑對冷鐓有重要影響,不僅影響金屬的變形和冷鐓件的成形質(zhì)量,還影響冷鐓單位壓力的大小、模具零件的強度和使用壽命等。為盡量減小摩擦的不利因素影響,除模具零件工作表面粗糙度要求高外,還要采用良好而可靠的潤滑方法,常用液態(tài)、固態(tài)2種潤滑劑。采用的潤滑方式是通過在冷鐓過程中添加鐓壓油實現(xiàn),選用S950A冷鐓潤滑油,給滑動的負荷提供潤滑的油膜,利用極壓原理,避免金屬與金屬表面直接接觸;同時降低鐓壓負荷,促進金屬在模具中的流動,減少模具零件磨損。

      6 排樣設(shè)計

      排樣設(shè)計如圖11所示,材料選用SUS304-I,厚度為1.6 mm,料帶先沖定位孔、切邊,再進行第一次V形沖鐓壓,鐓壓量為0.6 mm,第二次平鍛,鍛壓到1.0 mm,后進行修邊沖定位孔、粗沖零件孔,再進行鐓壓精整形到零件厚度0.9 mm。同時對前面沖孔塌角進行鐓壓整形,整形后精修零件孔到寬度1.75 mm,沖裁間隙為0.01 mm,然后裁切零件外形并保有0.15~0.3 mm余量,最后落料,沖裁間隙為0.01 mm。

      圖11 排樣設(shè)計

      7 結(jié)束語

      通過對SUS304-I冷鐓零件的結(jié)構(gòu)分析,給出了具體的工藝解決方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過模具開發(fā)與試模生產(chǎn),最終達到成形零件形狀、尺寸、沖孔與外形切斷面的光亮帶>85%的要求,且成形零件硬度達到382 HV,滿足大批量生產(chǎn)的要求。

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