不銹鋼件沖孔翻邊產生開裂時的解決方法

摘要：針對不銹鋼件沖孔翻邊時存在的開裂問題，制定出改變應力狀態工藝方法，解決了塑性差的不銹鋼件沖孔翻邊時開裂的問題。

關鍵詞：塑性；應力；應變；變形；摩擦力

一、引言

汽車消聲器由于受到工作環境的影響，要使用耐腐蝕的不銹鋼制造。眾所周知，不銹鋼中各合金元素含量較高，因此它有較高的硬度、強度，但是，受到合金元素的影響，其塑性有所降低。在沖孔翻邊時，材料塑性的降低，也影響了沖孔翻邊后的工件質量。

二、問題的提出

我廠生產的汽車消聲器前法蘭為不銹鋼沖壓件，材料為1Cr18Ni9Ti，厚2mm，在沖壓生產過程中分為落料、壓型、沖孔翻邊（復合）、沖小孔（連接孔）四道工序完成（如圖1）。在翻邊工藝參數確定時，以碳鋼件為基礎，并參照不銹鋼的性能對翻邊系數m進行了參數的修正。在試生產時，分別以碳鋼和進口不銹鋼（304）進行了小批量試制，各部分均可達工藝要求。但是，在后來的正式生產中，按照圖紙要求使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，工件產生開裂達90%以上，工件口部存在微小裂紋的可以使用，而嚴重的裂口或拉裂、拉脫就只能報廢，生產中因口部開裂嚴重而報廢的件占40%左右。

三、問題的分析和解決措施

在翻邊時，要受到下列因素的影響：①材料的塑性。②孔的邊緣狀態。翻邊前孔邊表面質量高（無撕裂、毛刺）時就有利于翻邊。③翻邊前孔徑d和材料厚度t的比值d/t。d/t愈小愈利于翻邊成形。④凸模形狀。拋物線（球形、錐形）凸模由于在材料變形過中是逐漸變形，因此較平底凸模更有利于翻邊成形。⑤翻邊孔的形狀。內孔翻時圓形孔易翻邊成形。

根據翻邊時的變形情況，對預沖孔邊緣內外層金屬作了應力分析，金屬材料在變形區的應力狀態為：內層為徑向、切向的兩向拉應力，厚度方向壓應力（如圖2）而外層金屬為徑向、切向的兩向拉應力（如圖3）。在金屬材料沿凸模表面流動過程中，在受到凸模的擠壓力的作用下，因料厚的原因，外層金屬的應變速率和變形程度都要大于內層金屬。主應變是切向變形，在主應變方向上的拉應力，而材料處于拉應力狀態時，塑性最差，最易產生破壞，當變形應力大于材料強度極限時，就會產生剪切破壞而拉裂。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料塑性差，性能也不穩定，在變形過程中加工硬化現象較為嚴重，而且工件沖孔后斷口質量不好，在變形時易受到應力集中的影響，有微小的毛刺存在，在壓型之后進行沖孔翻邊過程中，極易產生開裂現象。

經過對現場使用的模具使用情況檢查觀察，發現在翻邊時凸凹模發熱特別嚴重，工件與模具發生較為嚴重的沾結現象，在翻邊過程中在模具表面易形成沾結瘤，從而加大了摩擦。使用的模具材料是Cr12MoV，屬Cr12型鋼，與不銹鋼中的Cr有同素親和作用，在變形過程中強烈的摩擦，容易使材料與模具發生沾結，金屬繼續流動時受到的縱向拉應力進一步加大，而使工件發生開裂。

基于上述因素，為解決在沖孔翻邊時引發的工件開裂問題，采取了如下幾方面的措施：

1.在沖壓過程中，用常用的機油、黃油、塑料布等潤滑劑加強對模具和坯料的潤滑。

2.增大翻邊系數m，即增大壓型深度、減小翻邊高度的方法。

3.用鉆頭鉆擴孔，改拋物線凸模翻邊的工藝方法，以降低變形速率，提高斷面表面粗糙度，減小翻邊時因產生的局部應力集中而形成的開裂。

以上幾種方法分別進行了單項和綜合使用，但收效甚微，雖然翻邊時的開裂率稍有降低，但開裂率也有30%～35%。

為此，我們從減小摩擦力、降低模具發熱入手。考慮到如果能在變形金屬與模具間墊加一層導熱性較差的石墨乳、鋸木屑等非金屬材料，應該能起到減小摩擦力、降低Cr的同素親和力的作用，為此，分別以兩種材料作潤滑濟（如圖4），各取了50件壓型后的件進行了沖孔翻邊試驗。考慮到鋸木屑松，不易附著在模具及坯料上，在使用中將木屑與機油混合起來，涂在坯料內側與翻邊凸模接觸的地方，經過試沖，收效果較好，沖孔翻邊時的廢品率控制到了10%以下；之后又采用模鍛模用石墨乳加鋸木屑，基本消除了裂口和拉脫等嚴重開裂，但小的裂口依然存在，仍影響著產品質量。

由于在工件翻邊時口部的外層金屬處于兩向拉應力狀態。在塑性變形時，如果改變金屬變形時的應力狀態，在兩向拉應力的基礎上增加一壓應力，無凝會改變金屬的塑性，有利于金屬的變形。若在翻邊時在金屬變形區的外層墊加一層塑性好的金屬，即可使變形的外層金屬在變形時在厚度方向受到一個壓應力作用，改變變形時的應力狀態，這既能提高材料的塑性，又能減小材料與翻邊凹模中的Cr的同素親和作用力，減小摩擦力，避免發生材料與模具因同素親和力的作用而產生的沾結。這樣就可最大程度地減小翻邊時的開裂（如圖5）。為此我們先在原來鉆孔后的壓型件進行試沖，即在翻邊時在工件變形區的外側凹模內側墊加一層厚0.2～0.5mm的（Q235等）鐵皮，共131件，無一開裂。為進一步驗證該方案的可行性，又取壓型后未鉆孔的件進行沖孔翻邊復合成型（平凸凹模），也在沖孔翻邊時在工件上墊加一層厚0.2mm的（Q235）鐵皮，結果1012件無一產生開裂，工件全部合格。

四、效果及應用

后經兩個批的試用，效果堪好，基本消除了因材料原來產生的沖孔翻邊時產生開裂而造成的廢品問題，只有少數件在口部有微小的開裂，沒出現以往拉脫、大裂口等影響產品使用的缺陷。既確保了生產進度，降低了產品廢品損耗，又顯著地降低了成本。此方法在以后其他厚板件的沖孔翻邊工藝中得到了推廣使用，獲得了好的效果。