不銹鋼拋物線形件階梯拉深法成形傳遞模設(shè)計(jì)

成波

美特富精密拉深技術(shù)（無(wú)錫）有限公司 江蘇無(wú)錫 214000

1 序言

不銹鋼具有耐腐蝕、耐磨、強(qiáng)度高且表面粗糙度好等優(yōu)點(diǎn)[1]，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工藝性能也在不斷改進(jìn)。不銹鋼的加工工藝有別于普通鋼板，拋物線形件需要經(jīng)過(guò)多次拉深，過(guò)渡形狀處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)波紋、折皺及破裂等缺陷。采用沖壓拉深，生產(chǎn)效率高、零件表面粗糙度好、報(bào)廢率低且能夠加工形狀復(fù)雜的零件[2]。同時(shí)采用多工位傳遞模[3,4]，能夠?qū)崿F(xiàn)沖壓拉深過(guò)程的自動(dòng)生產(chǎn)，提高了效率和安全性，降低了人工成本。但不銹鋼屈服點(diǎn)高，易產(chǎn)生裂紋[5]；薄板加工時(shí)冷作硬化，易出現(xiàn)折皺[6]；拉深時(shí)粘接瘤[7]易造成模具磨損，從而劃傷零件。因此不銹鋼產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)時(shí)要充分考慮材料性能、產(chǎn)品的形狀尺寸、拉深次數(shù)、工藝參數(shù)和模具結(jié)構(gòu)等，從而獲得穩(wěn)定的加工工藝。

2 304L不銹鋼材料性能

304L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，wt（C）＜0.03%。通常來(lái)說(shuō)，碳含量越少，成形性能越好。影響材料沖壓拉深性能的指數(shù)主要是硬化指數(shù)n值和厚向異性系數(shù)r值，n值和r值都是越大越好。相比普通碳鋼，奧氏體不銹鋼的硬化指數(shù)n值較大，因此具有良好的拉深成形性能，但其厚向異性系數(shù)r值相對(duì)較小，所以極限拉深系數(shù)低于低碳鋼。針對(duì)以上特點(diǎn)，奧氏體不銹鋼在首次拉深時(shí)應(yīng)盡可能增加變形程度，再次拉深時(shí)可以適當(dāng)減小變形程度。

其次，304L不銹鋼在拉深過(guò)程中易在模具凹模的R角處產(chǎn)生粘接瘤，影響凹模使用壽命，且在拉深后，產(chǎn)品底部R角等變形較大處殘余應(yīng)力較大，易折皺開(kāi)裂，一般要通過(guò)剪切或去應(yīng)力退火來(lái)消除殘余應(yīng)力。

3 深拋物線形產(chǎn)品的形狀尺寸

產(chǎn)品為汽車加油口，其尺寸及形狀如圖1所示。口部壁厚1mm，產(chǎn)品各部分的壁厚≥0.9mm。零件的總高度為162mm，最大直徑為61mm，內(nèi)徑有3種不同的尺寸，分別是f56mm、f54mm以及f25mm。該產(chǎn)品相對(duì)高度為162/61＝2.66，遠(yuǎn)大于1，因此需要多步拉深成形。

圖1 產(chǎn)品尺寸形狀

f54mm與f25mm之間的過(guò)渡為拋物線形，拋物線區(qū)域的高度為55mm，相對(duì)高度為55/54＝1.02，對(duì)于304L材料屬于拋物線形拉深件（相對(duì)高度＞0.6），不能一步拉深成形。對(duì)于相對(duì)高度＞1的拋物線形件，可以采用階梯拉深法成形，也就是在保持階梯直徑不變的情況下，采用多道拉深工序，將產(chǎn)品拉深成近似形狀的階梯形圓筒件，該階梯的外形與產(chǎn)品內(nèi)形相切，最后再進(jìn)行整形，消除過(guò)渡的壓痕，從而得到壁厚相對(duì)均勻的產(chǎn)品。

4 毛坯尺寸計(jì)算及確定拉深工藝

相對(duì)高度為2.66，直徑為61mm，取修邊余量＝6mm，計(jì)算毛坯直徑。

考慮到304L不銹鋼的材料特性，先將圓餅拉深為f56mm的圓筒，然后拉深成形f54mm的內(nèi)徑形狀，之后再在f54mm的基礎(chǔ)上使用階梯拉深法拉出拋物線形，最后拉深成形f25mm的口徑?？梢愿鶕?jù)最終成形的尺寸取不同的拉深系數(shù)，該產(chǎn)品由f186.84mm的圓餅拉深至f56mm的圓筒，可以分4步進(jìn)行，取首次拉深系數(shù)為0.35，其他各次的拉深系數(shù)遞減。由于拉深完成后要進(jìn)行深拋物線形的拉深，為了防止加工硬化，因此第4步的拉深系數(shù)可以適當(dāng)小一些。該過(guò)程為圖2中的首次拉深至第4次拉深。

由f54mm拉深至f25mm的過(guò)程中，涉及階梯拉深法成形拋物線形，分3步拉深完成。拉深的圓筒件外形呈階梯狀，均在拋物線件內(nèi)壁外形內(nèi)，經(jīng)過(guò)最后一步整形加工，最終脹形完成拋物線形狀的肩部以及f25mm的口部，該過(guò)程為圖2中的第6次拉深至最終脹形整形。

圖2 拉深工序

5 多工位傳遞模設(shè)計(jì)

根據(jù)拉深工序圖設(shè)計(jì)出的傳遞模共有14個(gè)工位，整體尺寸為3200mm×840mm×600mm。工序排列見(jiàn)表1，總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，每道工序在對(duì)應(yīng)序號(hào)的工位上完成。

表1 工序及成形工藝

圖3 傳遞模結(jié)構(gòu)

工位1為落料工位，在圓餅沖裁完成后，由推料桿將圓餅推至工位2，即首次拉深工位，也稱為沖杯工位。如上所述，在工位2～工位5上完成產(chǎn)品圓筒形狀的4步拉深成形，在工位6上完成產(chǎn)品中間臺(tái)階形狀成形，在工位7～工位9上完成產(chǎn)品拋物線形狀的三步階梯拉深法成形，在工位10上完成產(chǎn)品頭部圓筒形狀整形以及將產(chǎn)品肩部由階梯形整形為拋物線形。在工位11上完成底部的法蘭整形，使產(chǎn)品底部法蘭和側(cè)壁成90°，為進(jìn)入剪切工位做準(zhǔn)備。工位12為產(chǎn)品的整體整形工位，即整形產(chǎn)品所有的內(nèi)徑及外徑。在工位13上完成產(chǎn)品頂部沖孔，在工位14上將多余的法蘭材料切除。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需注意以下幾點(diǎn)。

1）由于產(chǎn)品尺寸大，相對(duì)應(yīng)的各工位的模具尺寸也較大，需要選擇合適的步距，防止各工位之間的模具發(fā)生干涉。

2）選擇將拉深模具的沖頭固定在機(jī)床臺(tái)面上，而凹模則固定于上滑塊，即通過(guò)T形螺栓固定在機(jī)床上，隨滑塊的上下運(yùn)動(dòng)完成沖壓過(guò)程，沖壓的方向與傳統(tǒng)沖壓拉深的方向相反。這種設(shè)計(jì)主要是為了使各工位樣件脫模順暢，脫模采用氮?dú)鈿飧准訖C(jī)械頂桿。

3）在模具上設(shè)計(jì)工位時(shí)要注意適當(dāng)添加空工位（即過(guò)渡工位），這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于能夠合理分布模具沖壓過(guò)程中的沖壓力，而且如果之后需要達(dá)到產(chǎn)品的其他要求，也可以增加檢測(cè)工位或者其他整形工位。

圖4為其中一個(gè)拉深工位的3D裝配圖，由于該產(chǎn)品有階梯且拋物線也是由階梯拉深法成形，因此設(shè)計(jì)拉深工位時(shí)需要特別注意拉深的高度，沖壓生產(chǎn)過(guò)程中模具的模高是固定的，通過(guò)設(shè)計(jì)凹模座的高度來(lái)決定拉深的高度。同時(shí)在凹模座上增加安全支撐桿，防止拉深時(shí)出現(xiàn)過(guò)度拉深，造成工藝不穩(wěn)定，致使工件尺寸不合格。托料板對(duì)工件起到壓緊作用，防止拉深時(shí)發(fā)生工件移位，進(jìn)而出現(xiàn)歪斜的情況。

圖4 拉深工位3D裝配

前后工位之間的工件轉(zhuǎn)移是通過(guò)傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該傳動(dòng)裝置包括傳動(dòng)臂及夾緊手指，根據(jù)各工位工件的外徑尺寸，可設(shè)計(jì)不同尺寸形狀的夾緊手指。根據(jù)機(jī)床臺(tái)面布置及模具實(shí)際大小，設(shè)計(jì)工位之間的步距為180mm，各工位之間的傳遞步距固定，因此可以采用通用的傳動(dòng)臂，夾緊手指的安裝位置可以根據(jù)各工位的位置進(jìn)行排布，傳動(dòng)裝置如圖5所示。傳動(dòng)裝置共能完成14個(gè)傳遞動(dòng)作，由于是采用推桿將圓餅從落料工位推進(jìn)至工位2，因此設(shè)計(jì)夾緊手指時(shí)只需從工位2傳送至工位3處開(kāi)始設(shè)計(jì)，最后的夾緊手指是將生產(chǎn)的成品傳遞到輸送帶或者收料通道內(nèi)，完成工件的自動(dòng)傳送。

圖5 傳遞模傳動(dòng)裝置

傳遞模的傳動(dòng)臂及夾緊手指設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1）為了保證傳動(dòng)臂穩(wěn)定高效地運(yùn)行，要求傳動(dòng)臂質(zhì)量輕。包含夾緊手指在內(nèi)，多采用鋁制材料，能防止夾緊手指損傷產(chǎn)品外表面導(dǎo)致的表面質(zhì)量問(wèn)題。

2）跟模具一致，需要在機(jī)械臂上增加過(guò)渡工位，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的其他特殊要求。

3）各工序要求一致，在調(diào)試過(guò)程中，需要判斷各手指的夾緊程度，優(yōu)先保證整形工件的夾緊。

4）可以在夾緊手指上設(shè)計(jì)傳感器，手指未夾緊工件時(shí)能自動(dòng)報(bào)警并停機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)中的防錯(cuò)功能。

6 模具制造及試模

304L奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度大，對(duì)應(yīng)的成形模具沖頭可以采用粉末鋼，凹模采用硬質(zhì)合金鋼。由于這兩款鋼的價(jià)格較高，模具實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)各工位沖頭凹模的尺寸應(yīng)盡量減小，并使用成本較為低廉的模具鋼作為填充件，達(dá)到降低成本的目的。同時(shí)為了提高沖頭凹模的壽命，降低使用成本，沖頭凹模都需要進(jìn)行涂層，涂層能夠使沖頭凹模的表面具有足夠的硬度和耐磨性，提高模具表面的散熱能力和潤(rùn)滑能力。在試模過(guò)程中如果表面出現(xiàn)產(chǎn)品粘接瘤，需及時(shí)對(duì)沖頭或者凹模進(jìn)行拋光，否則缺陷會(huì)逐漸擴(kuò)大。

304L不銹鋼沖壓過(guò)程中所需的能量比軟鋼高50%以上，溫度過(guò)高會(huì)加劇模具的磨損并出現(xiàn)粘接現(xiàn)象，因此拉深過(guò)程中使用的乳化液通常要比碳鋼拉深時(shí)濃度更高。在模具的凹模座上開(kāi)設(shè)乳化液管路，以噴淋的方式對(duì)沖頭凹模進(jìn)行冷卻，帶走沖頭凹模的熱量。模具試模如圖6所示，傳動(dòng)臂及夾緊手指在調(diào)試后均能完成夾緊及送料動(dòng)作，運(yùn)行良好。

圖6 模具試模

模具調(diào)試在400t壓力機(jī)上進(jìn)行，使用20%濃度的乳化液提高加工性能，不斷試模后，壓力機(jī)節(jié)拍穩(wěn)定在15～20次/min，最終產(chǎn)品如圖7所示。產(chǎn)品的內(nèi)、外徑尺寸及高度符合圖樣的尺寸要求，口部壁厚＞1mm，側(cè)壁壁厚＞0.9mm，壁厚良好。零件表面拋物線區(qū)域內(nèi)有輕微的拉深痕跡，后續(xù)需要進(jìn)行去應(yīng)力退火和整形，從而滿足產(chǎn)品的最終形狀要求。

圖7 最終試模產(chǎn)品

7 結(jié)束語(yǔ)

304L不銹鋼的材料特性、工藝開(kāi)發(fā)以及模具制模、試模都區(qū)別于普通碳鋼，設(shè)計(jì)拉深工藝時(shí)，應(yīng)保證首次拉深的拉深比大，其后拉深比逐漸減小。對(duì)于拋物線形的拉深產(chǎn)品，可以通過(guò)階梯拉深法成形拋物線形狀，設(shè)計(jì)多工位傳遞模實(shí)現(xiàn)各工位之間工件的傳遞，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)。試模結(jié)果證明，階梯拉深法以及多工位傳遞模具能夠完成拋物線形拉深產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，可以為拋物線形相關(guān)零件的成形及加工提供參考。