張利軍,朱鵬超,李明生,薛祥義,董志強,楊關鎖
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)領域,特別適用于薄壁深筒類零件的成形加工。某成套設備在設計時需要一種Ni基耐熱鋼制造的小直徑深筒件,結構尺寸如圖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、內腔深,是一個典型的深筒件,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,工藝設計采用多道次拉深成形,拉深成形原理示意如圖2所示。
耐熱鋼固溶處理后的抗拉強度為615MPa,伸長率為42%,該牌號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,工藝設計計劃采用等壁厚拉深法與變壁厚拉深法相結合的工藝。
毛料直徑的確定:通過對零件體積計算及綜合在成形過程中板材需要經(jīng)過多次拉深、固溶、吹砂清理、清洗及齊口平端面等機械加工產(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—沖裁周邊長度(mm);
s—坯料厚度(mm);
K—系數(shù),一般為1.3;
τ — 材 料 剪 切 強 度(MPa),一般按0.80σb。
依據(jù)計算的沖裁力我們選定1000kN壓力機進行坯料落料。
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,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行一次真空固溶處理,以回復合金的冷加工塑性,選定630k N壓力機進行拉深成形。
按照以上工藝設計加工模具后進行了產(chǎn)品試制,試制過程中每道次產(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)品設計和使用要求。
圖3 首次設計拉深成形示意
該零件在拉深成形時其凸凹模間隙一般等于或稍大于板料厚度,拉深時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,在成形過程中直壁下部由于受到拉力作用,厚度會有所減薄,直壁與底之間的過渡圓角一般被拉薄的最嚴重,直壁上部(法蘭)由于受壓應力作用,壁厚會有所增加,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、銅等金屬材料強度要高出很多,塑性又相對較低,加工硬化明顯,其拉深成形過程中上側壁的變形抗力非常大,致使底部受到非常大的拉力,最終凸模將過渡圓角處及下側壁拉?。黠@薄于工藝設計的4mm),在進行后續(xù)道次拉深變形時,由于變薄的部位與模具不貼合(模具設計間隙4mm),不受壓應力屬于自由狀態(tài)進一步拉深減薄,導致最終產(chǎn)品報廢。
為有效解決該問題,我們首先計劃減小大部分凸模的過渡圓角,以增加拉深成形時坯料底部受力面積;其次,計劃采用減徑與減薄交替的工藝進行拉深成形(首次工藝采用是先減徑后減壁厚的工藝),保證在拉深成形過程中坯料的側壁始終受到壓應力作用,增加坯料內側壁與凸模的摩擦力分擔底部的拉應力
改進工藝的道次拉深系數(shù)與減薄系數(shù)計算
改進后的深拉成形示意如圖5所示,按照改進后的工藝設計加工模具后進行了產(chǎn)品試制,試制過程中的每道次產(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)品設計要求,達到了工藝改進的目的,試制零件能夠滿足最終產(chǎn)品設計和使用要求。
圖4 首次試制產(chǎn)品解剖件
圖5 改進后拉深成形示意
圖6 改進后拉深成形工藝試制產(chǎn)品解剖件
針對該耐熱鋼材料特性對其拉深成形工藝及模具設計進行改進,試制結果表明,改進后拉深成形工藝參數(shù)與模具設計合理,解決了前期筒壁與底部過渡圓角減薄的技術難題,在保證產(chǎn)品質量的同時大幅提高了產(chǎn)品的成品率與生產(chǎn)效率,該拉深成形工藝與模具設計思路對加工耐熱鋼等強度較高、塑性較差的金屬材料具有一定的參考作用。