■北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司 姜煥成，張立巖

薄壁殼體拉深工藝及模具設(shè)計(jì)

■北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司 姜煥成，張立巖

對某薄壁殼體拉深工藝進(jìn)行分析，介紹了板材毛坯拉深成形的工藝過程，經(jīng)過毛坯直徑和拉深次數(shù)的計(jì)算方法，反復(fù)拉深，成形出表面質(zhì)量理想的殼體零件。

我公司承擔(dān)的某產(chǎn)品中一關(guān)鍵件（見圖1）為典型的不等壁殼體類零件，材質(zhì)選用H96黃銅。設(shè)計(jì)精度較高，局部徑向公差僅為0.1mm，且零件外觀要求嚴(yán)格，表面不允許有深度大于0.1mm的劃傷和壓痕。

1. 工藝性分析

該零件為開口空心制件，最薄壁厚僅有1.5mm，屬冷沖壓中典型的板材拉深件。由于產(chǎn)品各處壁厚不均，δmax=3mm，δmin=1.5mm，相差較大。為保證設(shè)計(jì)要求，選取厚度為3mm板材進(jìn)行拉深成形。

板材拉深成形有兩種方法：等壁拉深法和變薄拉深法。

（1）等壁拉深法 將殼體拉深成壁厚相等的半成品，后續(xù)采用機(jī)加或旋壓工藝方式加工至最終成品。但機(jī)加工必然產(chǎn)生大量材料浪費(fèi)，而旋壓易導(dǎo)致外表面撕裂，且需在不同類型設(shè)備間周轉(zhuǎn)，增大了產(chǎn)品外表面磕碰的幾率，為外觀質(zhì)量控制增加難度。

（2）變薄拉深法 變薄拉深細(xì)分為兩種，直徑縮小的拉深和直徑不顯著縮小的拉深。第一種拉深是在極度困難的條件下進(jìn)行的，制件在復(fù)雜拉應(yīng)力作用下常導(dǎo)致拉斷。較好的方法是首先進(jìn)行等壁厚拉深，再通過多次直徑變化很小的變薄拉深至最終成品。該方法不僅能保證產(chǎn)品質(zhì)量，且生產(chǎn)效率較高，制造成本低，適合大批量生產(chǎn)要求。

通過以上分析，決定采用變薄拉深法生產(chǎn)。

2. 工藝設(shè)計(jì)

（1）坯料尺寸確定 毛坯尺寸通常按體積相等法、質(zhì)量恒定法和表面積相等法確定。根據(jù)零件實(shí)際情況，本次計(jì)算采用體積相等法。利用CAD/CAM軟件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)（見圖2），經(jīng)計(jì)算成品體積為80.5cm3?？紤]到拉深后零件圓筒上沿是不整齊的，須經(jīng)落料切邊。據(jù)文獻(xiàn)介紹黃銅制件必須切去高度5%～8%，加之中間退火工序火耗，故實(shí)際下料體積暫定為90cm3。D值按下列公式計(jì)算

式中 D——毛坯直徑，mm；

V——?dú)んw下料毛坯體積，V=

90×103mm3；

t——毛坯厚度，t=3mm。

經(jīng)計(jì)算確定坯料尺寸為φ195mm×3mm。

（2）拉深次數(shù)確定 等壁厚拉深次數(shù)確定。已知D=1 9 5 m m，t=3 m m，則t/ D×100 =1.5。依據(jù)設(shè)計(jì)圖樣，將不等壁拉深時(shí)產(chǎn)品外圓尺寸設(shè)計(jì)為φ62mm。所以∑m總=d/D=62/195=0.31。查文獻(xiàn)表29，取m1=0.52，m2=0.76，則m3=∑m總/m1×m2=0.78。第1次拉深直徑d1=m1D=101.4mm，實(shí)際取d1=102mm；第2次拉深直徑d2=m2d1=77.52mm，實(shí)際取d2=77.5m m；第3次拉深直徑d3=m3d2=60.45mm，實(shí)際取=62mm。

圖1 零件簡圖

圖2 零件實(shí)體設(shè)計(jì)

變薄拉深次數(shù)確定。據(jù)文獻(xiàn)介紹，變薄拉深極限拉深系數(shù)

式中，n為變薄拉深極限系數(shù)，tn、tn-1為相鄰道次制件厚度。代入變薄前后制件壁厚，計(jì)算n實(shí)際=1.5/3=0.5，文獻(xiàn)介紹黃銅極限變薄拉深系數(shù)n銅=0.55，因?yàn)閚實(shí)際＜n，故需兩次拉深成形，即t1=2，t2=1.5。

（3）零件熱處理 金屬拉深時(shí)，側(cè)壁上部的晶粒被強(qiáng)烈粉碎、伸長。隨著內(nèi)部晶格復(fù)雜畸變，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力阻礙位錯(cuò)運(yùn)動，使得材料抗外力變形能力增強(qiáng)，宏觀表現(xiàn)為基體產(chǎn)生明顯的冷作硬化現(xiàn)象，即塑性顯著降低，延展性變壞，深度拉深后底部易產(chǎn)生裂紋。黃銅拉深時(shí)，為恢復(fù)塑性，每次拉深后都需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚怼?/p>

綜上所述，零件拉深工藝流程為：下料→一、二、三次拉深→一、二、三次拉深退火→一、二、三拉深酸洗→變薄拉深→退火→精整、翻邊→落料成形。具體工序見圖3。

3. 模具設(shè)計(jì)

依據(jù)工廠現(xiàn)有情況，結(jié)合類似產(chǎn)品加工經(jīng)驗(yàn)，該零件冷沖壓成形工序集中在1000kN油壓機(jī)和400kN摩擦壓力機(jī)上進(jìn)行。

（1）等壁拉深模具設(shè)計(jì) 等壁拉深模具設(shè)計(jì)如圖4所示。模具設(shè)計(jì)中遵循通用化、標(biāo)準(zhǔn)化原則，盡量結(jié)合現(xiàn)有模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以更換凸凹模、定位套及壓料器等為手段，降低整體模具制造成本，提高快速換型效率。

（2）變薄拉深模具設(shè)計(jì) 變薄拉深模具設(shè)計(jì)如圖5所示。該模具為組合模具，將變薄拉深模具和翻邊模具分別安裝在設(shè)備的不同工位上，通過順序拉深，將幾道工序結(jié)合起來完成，提高生產(chǎn)效率，實(shí)操如圖6、圖7所示。

圖3 零件工序

圖4 等壁拉深模具

圖5 變薄拉深、翻邊組合模

圖6 等壁拉深

圖7 變薄拉深、翻邊組合模

4. 結(jié)語

該工藝方式及模具經(jīng)產(chǎn)品通關(guān)批、首批兩個(gè)批次試驗(yàn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求，提高了材料綜合利用率及生產(chǎn)效率。同時(shí)采用快速換型手段，降低模具制造成本，生產(chǎn)方式滿足批量生產(chǎn)要求。該工藝方式的成功應(yīng)用，對同類開口型薄壁殼體類零件深拉深加工具有一定的借鑒意義。

20150706