半球形絲網固體顆粒介質成形技術研究

文／韓來福，李俊杰，王鐸·內蒙古一機集團特種技術裝備有限公司

半球形絲網固體顆粒介質成形技術研究

文／韓來福，李俊杰，王鐸·內蒙古一機集團特種技術裝備有限公司

沖壓件生產中，半球形零件在板料拉深成形領域中占有相當的比例，在汽車、鋼鐵、航空航天、船舶、兵器等國民經濟部門，隨處可見半球形零件以及各種更復雜曲面零件的身影，這些應用對零件外形質量的要求也非常之高，研究其成形機理具有重要的意義。

某產品部件是由半球形的鋼絲網篩網與鋼制法蘭組成的（圖1）。對于半球形件，行業內一般推薦的拉深系數為0.71，雖然這個拉深系數要比筒形件的極限拉深系數大得多，但由于拉延過程中大部分毛坯材料處于懸空狀態，因此，半球形件拉深成形，要比圓筒形件困難得多。半球形零件屬于軸對稱曲面零件，這類型零件在拉深成形時，變形區的位置、受力、變形特點等都與直壁拉深件不同，半球形拉深件具有法蘭區、與凸凹模圓角接觸區以及不與模具相接觸的懸空區，對這類型零件不能簡單地用拉深系數去衡量并判斷成形的難易程度，也不能用它來作為工藝過程設計和模具設計的依據。

圖1 零件照片

半球形零件拉深特點及成形分析

由于本文零件材料是比較特殊的鋼絲網，材料的厚度更不均勻，因此在成形過程中，模具的成形間隙及零件所受摩擦力都存在不均勻現象，沖壓成形的力學分析非常復雜。用剛性模具試沖成形時，因鋼絲網不具備像鋼板一樣的延展性，零件與凸、凹模之間的間隙不均勻，導致零件各部受力不均勻，造成零件成形后存在回彈變形、凸緣處絲網拉斷等缺陷，零件無法成形。

介于上述原因，針對此零件我們擬利用液壓成形原理與傳統成形技術相結合的方式，采用具有流動性的介質作為軟模無限點成形凸模，這樣在成形過程中因凸模是由具有一定流動性材料組成的，在成形時凸模形狀隨成形零件截面改變，可完全消除零件與凸、凹模之間的間隙，有效彌補因零件厚度變化而造成的間隙問題。在整個成形過程中，作用在零件表面上任一點的力，都是垂直于球面的切線方向，受力非常均勻，絲網毛坯在軟模的作用下，可均勻的貼在凹模上。

實施過程

凹模設計

仿形制作成形鋼制凹模，此處設計采用常規方法，考慮零件回彈量加以修正。

成形凸模設計

在選用流動性介質的過程中，我們通過對比決定采用固體顆粒介質，即石英砂。因為石英砂不僅有流動性，而且又具有液體不具有的強度，另外，散裝時其流動性又可控，利于現場試驗。為了避免固體顆粒介質在沖壓過程中滲漏，同時又要保持一定的形狀，我們采用較為柔軟的棉布對固體顆粒介質進行包裝，這種凸模的制作過程如圖2所示。

固體顆粒介質石英砂用量的選定

在沖壓成形過程中，固體顆粒介質石英砂用量的多少直接影響零件的成形效果，沙子多了，橡膠板下壓時，沙子流出；沙子少了，凸模作用體現不出來，鋼絲網無法脹形到要求尺寸，零件不合格。具體計算公式為G=Vgf=πh2(r-h/3）gf，其中f為修正系數，一般取1.2～1.6。

壓料板設計

在零件法蘭凸緣部位，采用橡膠板壓料并傳遞成形力，在鋼絲網毛坯與凹模之間產生有益的摩擦力，在凸緣部位既能夠壓料防止凸緣部位起皺，又能夠控制零件毛坯成形時的流動速度，使零件達到塑性變形，防止零件產生回彈，其放置方式如圖3所示。模具的最終結構如圖4所示。

圖2 凸模制作過程

采用新技術成形的優點

⑴提高了成品零件的精度，零件表面無劃傷。

⑵可以隨意控制零件的局部變形，可以成形復雜形狀的零件，適合于多品種小批量的生產，實現柔性化生產。

圖3 壓料板放置方式

圖4 成形模具結構示意圖

⑶可以使用廉價材料做模具，降低模具制造費用，板材固體顆粒成形僅僅需要凸?；虬寄?，另一半被固體顆粒介質所替代，減少了模具費用，一般模具費用可降低40%以上，降低零件的成本。同時，固體顆粒成形的模具可以用便宜的材料來加工，不同厚度和不同材料的零件可以在同一個模具上生產，提高了經濟效益。

⑷使難成形材料的生產成為可能。可以通過改變凹?；驔_模的形狀，來成形各種各樣的零件。液壓成形可以單道次成形一些形狀復雜的零件，而用傳統的沖壓成形則需要多道次才能實現，甚至不可能完成。前者能大量減少成形工序和焊接零件的數量。

結論

⑴應用固體顆粒介質軟模成形，避免了剛性接觸對零件絲網局部拉斷的缺陷。經過現場的批量生產，保證了零件的尺寸，達到了工藝要求，且質量穩定，解決了成形斷裂的質量問題，并得到了用戶的認可。

⑵解決了生產進度窄口問題，提高了材料利用率，為以后剛性成形受限制的復雜成形件提供了新的思路，將用常規沖壓方法難以成形的零件成形出來，為類似產品的生產提供了新的加工方法。