彈殼零件冷擠壓復合工藝分析

張慶飛，耿 渝，趙宏松

（揚州鍛壓機床集團有限公司，江蘇 揚州 225127）

彈殼零件冷擠壓復合工藝分析

張慶飛，耿 渝，趙宏松

（揚州鍛壓機床集團有限公司，江蘇 揚州 225127）

分析了彈殼類零件的成形特點，比較了3種成形工藝方案，對復合擠壓成形方案進行了數值模擬，并制定了多次擠壓的方案。為彈殼類零件的擠壓成形提供了有益參考。

機械制造；彈殼零件；擠壓成形；復合擠壓

1 引言

圖1是某彈殼零件圖，該彈殼零件的特點是壁薄（最薄處 0.55mm）、底厚（4.3mm）、底部帶很厚的凸緣。這類零件一般采用鍍銅鋼板經多次拉深成形或采用低碳鋼棒材經多次冷擠壓成形及必要的切削加工而得到。

由于冷擠壓是在三向壓應力狀態下使金屬變形的，其冷擠壓件的組織致密程度和機械強度得到很大的提高，如果再加上精密剪切下料工藝，材料利用率也會大大提高，所以冷擠壓是彈殼類零件的首選加工工藝。

2 工藝方案分析

由圖1可知，該類零件由兩部分組成，即薄壁筒體和帶凸緣的厚底。其工藝特點是：薄壁筒的變形程度遠大于底部凸緣的變形程度。目前已知的冷擠壓工藝方案有以下3種。

2.1 兩步成形方案

該工藝方案如圖2所示。首先將毛坯放入反擠壓凹模中擠壓成厚底薄壁筒，然后在鐓擠模具中將底部凸緣鐓擠成形。由于凸緣的變形力遠小于薄壁筒的擠壓力，因此在鐓擠凸緣時薄壁筒部分的高度幾乎不發生變化。

兩步成形方案的特點是：模具結構簡單，但增加一道鐓擠工序，擠壓件的壁厚差較大，而且鐓擠工序中，不便于將反擠壓毛坯裝入鐓擠模。

2.2 閉塞擠壓成形方案

該工藝方案如圖3所示。將毛坯放入浮動凹模2中，上模1下行與浮動凹模形成一個封閉型腔。上模繼續下行，推動浮動凹模一起下行。在擠壓凸模3的作用下，坯料首先充滿封閉型腔，形成底部的凸緣，隨著擠壓凸模擠入量的增加，毛坯沿凸模和凹模的間隙流動形成薄壁筒。凸緣部分形成“死區”不再參與變形流動。

閉塞擠壓成形方案的特點是：一次擠壓成形，擠壓件尺寸精度較高。由于浮動凹模和凸模在一側，壁厚差較兩步成形小，工序少。但需要較大的閉塞力，模具結構復雜，造價較高。

2.3 復合擠壓成形方案

該工藝方案見圖4。將毛坯放入凹模2中，上模1下行，由于底部凸緣鐓擠變形力小，毛坯首先充滿凹模上部型腔形成凸緣，此時凸緣厚度大于零件要求厚度。隨著上模繼續下行，毛坯沿凸模3和凹模的間隙流動，形成薄壁筒。由于凹模是固定的，因此凸緣的厚度也隨底厚逐漸變小，最終達到要求尺寸。

復合擠壓成形方案的特點是：一次擠壓成形，擠壓件尺寸精度較高。由于凹模和凸模在一側，且沒有相對滑動，因此壁厚差較閉塞擠壓成形工藝更小，工序少。模具結構簡單，造價低。

以上3種成形工藝方案，顯然以第3種方案為最好。但由于該方案凸緣部分首先成形，而且成形的凸緣在薄壁擠壓過程中還要參與變形。因此，在凸緣與筒壁交接處變形金屬應力應變分布較為復雜，容易產生缺陷。為了使該工藝方案有可行性依據，采用體積成形分析軟件DEFORM進行了數值模擬。圖5為模擬過程示意圖。可以看出，金屬的流動過程尚好，凸緣及拐點處沒有產生流動缺陷。

3 擠壓力的計算及擠壓次數的確定

分析彈殼零件可知，由于擠出薄壁尺寸只有0.55mm，遠小于允許最小極限尺寸（約為5mm），故上述復合擠壓方案并不可行。

也就是說采用前面的復合擠壓方法，鋼的擠壓是受極限變形程度限制的。即使有限元分析結果表明能夠成形，因沒有考慮模具的受力情況等，一次成形方案也是不可行的。

可以將一次擠壓的方案改為多次擠壓，將變形分成多道工序，分多次擠壓完成。首次擠壓時，保證擠出薄壁厚度不大于最小極限尺寸如5mm，在以后的各次擠壓過程中都保證不大于相應各次的極限變形程度要求，這樣可以確定擠壓次數。在模具結構上，各次的擠壓模具只是下凸模的尺寸有變化，其他機構參數基本不變。擠壓極限變形程度應根據具體材料，以及具體的擠壓工藝主要采用實驗方法確定。

理想的冷擠壓過程首先應滿足模具工作壽命的要求，而模具的工作壽命在很大程度上取決于擠壓時的單位壓力的大小。在鋼零件的冷擠壓過程中，影響擠壓力的因素主要有：①被擠壓鋼材的基本性能；②變形程度；③潤滑條件；④變形模具的幾何形狀；⑤變形速度。

在成形過程中，一般材料的基本性能是一定的，也會選取最好的潤滑條件和變形速度，而模具的幾何形狀一般由制件形狀決定，所以當其他條件一定時，擠壓力主要和變形程度有關。

根據實際制件的體積，確定毛坯直徑22mm、高度12mm，總擠壓比11.08。一次擠壓時，有限元計算得到的擠壓力和行程的關系如圖6所示。縱坐標為擠壓力，橫坐標為擠壓行程。有限元計算值已經超過200t。應當指出DEFORM軟件采用剛塑性模型計算，由于剛塑性模型平均應力不能位移確定，計算的擠壓力是不準確的。采用多次擠壓，最終達到變形要求，總的擠壓力會比一次擠壓的擠壓力大。

目前尚無準確的計算擠壓力的理論方法。可按下列近似公式計算：

式中：σk——金屬材料的變形抗力；

d0、d1——分別為擠壓件外徑和內徑。

按上式計算的擠壓力遠于有限元計算值。此時計算是忽略摩擦力的作用。實際擠壓力應該小于有限元計算值，但會大于理論計算值，具體要用實驗方法加以確定。

擠壓工藝有最小壁厚、最小壓余厚度、最大擠壓深度、最大擠出長度、最小凹穴深度等限制，要一一予以校核。

此外，擠壓時過大和過小的圓角都不適合，凹模最小圓角半徑不小于0.5，凸模最小圓角半徑不小于0.2。

如果工藝上不能采用擠壓方法實現，只有在退火后增加擠壓工藝達到變形要求，或采用機加的方法達到零件要求。

4 冷擠壓的退火要求

（1）軟化退火。將鋼加熱到Ac1線臨近的區域并長時間保溫，隨后緩慢地冷卻，便可以使鋼坯變軟，適宜于進行冷擠壓加工。

這種加工方法正常熱加工后的工件，能獲得良好的金屬結構，不僅可以使珠光體發生再結晶，而且消除加工時形成的內應力，對于含碳量超過0.2%的鋼材和一些合金鋼進行冷擠壓時，應用這種軟化退火尤其重要。

軟化退火可以用于原始熱處理或中間熱處理。

（2）再結晶退火。在冷擠壓后，為了恢復被破壞的結晶結構，可以將鋼件加熱至再結晶溫度以上進行再結晶退火。鋼的再結晶溫度是450℃，而再結晶退火工藝溫度為600～700℃。

冷擠壓生產中.無論是原始熱處理或中間熱處理，再結晶退火都有廣泛的應用。

5 小結

按上述成形工藝及熱處理方法，經過多次反復驗證實驗，最終確定了14工位多步成形法及其熱處理工藝的具體參數；為殼零件類零件的生產提供了寶貴的技術經驗。

[1] 劉英仙，趙玉民，崔 滿.復雜殼體冷擠壓成型工藝研究.鍛壓裝備與制造技術，2007，（42）.

[2] 王曉強，霍 穎，劉瑞秀.冷擠壓設備現狀及發展.鍛壓裝備與制造技術，2007，（3）.

[3] 王大勇，田孝飛.端子冷擠壓工藝及模具設計研究.鍛壓技術，2006，（5）.

Composite process analysis of cold extrusion for shell part

ZHANG Qingfei,GENG Yu,ZHAO Hongsong
（Yangzhou Metalforming Machine Group Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu China）

Simple tool structure is one of the characteristics of the two－step forming proposal.But with one more extra upsetting－extruding step,the wall thickness difference of the extrusion parts would be bigger.Besides,it is not easy to input the anti－extrusion blank into the upsetting－extruding tool during the upsetting－extruding process steps.

Shell parts;Cold extrusion;Multi－step;Thin wall extrusion

TG376.2

B

1672－0121（2012）03－0078－02

2012-01-12

張慶飛（1977-），男，工程師，從事壓力機開發與制造工作