淺析鋁合金罩形件的沖壓成形工藝

文/顧建剛·常州蘭翔機械有限責任公司

通過理論計算與試制摸索對XX.002 罩的成形工藝參數及工藝路線進行優化，并且對模具結構進行完善，制定出工藝與工裝結合較為合理的成形方案，為后續類似外形的鋼件及鋁合金件的沖壓成形提供成熟的解決方案。

XX.002 罩為風扇轉子組件的組成單件，其材料為厚度1.5mm 的鋁合金2A12（LY12），外形整體為拉深件，底部帶有反向翻邊孔。2A12 為硬鋁，其塑性與優質碳素結構鋼及不銹鋼相比較差，相應也會導致拉深成形較為困難，危險斷面易裂開，為后續成形帶來較大不便。在試制前期需仔細計算工藝參數，制定合理的工藝路線且同時需考慮與工序相配套的拉深、翻邊模具結構設計的合理、有效性。本文通過在工藝計算，將試制期間暴露的問題進行調整優化，并歸納總結出較為合理化的工藝、工裝實施方案。

零件工藝性分析

材料

XX.002 罩材料為 2A12（LY12），2A12 是可熱處理強化鋁合金，經固溶處理、自然時效或人工時效后具有較高的強度，它是航空工業中使用較為廣泛的鋁合金。其塑性與日常使用較為廣泛的優質碳素結構鋼及不銹鋼相比較差，伸長率為12%，而20鋼為25%，1Cr18Ni9Ti 達到了40%，具體對比如表1 所示。

由此可看出，2A12 此種材料塑性相對普通鋼種較差，同時綜合考慮此零件的拉深系數，所以其拉深成形難度較大。

表1 機械性能對比表

工藝計算及工藝路線擬定

工藝計算

XX.002 罩最后零件為去除余量件，中間工序需進行增加工藝余料輔助成形。為方便成形及模具設計，現將零件中間拉深結構設計成圖1 所示。

圖1 輔助工藝結構圖

經查閱公式，法蘭邊與直線段之間R 角（凹模圓角半徑）原則上設計為5 ～10 倍料厚，若R 角過小則板料不易流動，增加了筒壁傳力區的拉應力，不利于拉深；若R 角過大則會減小有效壓邊面積，容易使板料失穩起皺。零件板料厚度為1.5mm，R角范圍為R7.5 ～15mm，因此在零件取中間范圍值R10mm（利于后續修模）；直線段13.5mm 增大0.2mm余量至13.7mm 便于端面車加工。SR80mm 與底面直邊之間應設計為大圓角R 過渡，此R 角選擇需考慮儲備足夠余料方便后續翻邊成形，根據反向推導計算且遵循表面積不變原則，圖1 所示的SR80mm 后接大R 角弧長與底部直線段長度之和與零件SR80mm后續翻邊R 角（實際值為R6.7mm）展開后的直線段長度相同，經在AutoCAD 軟件上標注計算后取整R20mm。經上述計算外形尺寸已可繪出，其高度達到80.2mm。

通過對零件中性層進行展開計算即可得出板料下料尺寸，示意圖如圖2 所示。

圖2 展開料計算示意圖

毛坯板材展開長度（半邊）可分為R10 圓弧段弧長L1，13.7 直線段長度L2，SR80 球面圓弧段弧長L3，R20 圓弧段弧長L4及直線L 段長度L5共五部分，在這里板料皆取中性層的線性長度。

故L=L1+L2+L3+L4+L5=16.89+13.7+49.37+18.25+47.38=145.59mm，下圓料直徑φ=145.59×2=291.18mm，因此取近似圓φ291.5mm。

工藝路線編排

經計算此零件的高徑比h/d=80.2÷154.3=0.52，經查閱2A12 圓筒件一次拉深的極限相對高度h/d 約為0.6，現零件參數已接近極限參數，若進行一次拉深到位則比較危險，危險斷面破裂的可能性較高且側壁會明顯變薄。為保證拉深質量，在安排工藝路線時在首次拉深中僅拉深到一半高度，再進行退火消除應力恢復其塑性，接著進行后續拉深到位，在此過程中僅用一套拉深模即可，示意圖如圖3 所示。

按圖3 所示進行分步拉深到位后則需為后續翻邊去除余料開底孔。利用自制夾具進行車削加工去除法蘭邊，同時對底部進行開孔，經展開料核算（見計算）底部開孔定為φ88mm。示意圖如圖4 所示。計算公式為K=d0/D。

圖3 拉深工序示意圖

圖4 車削加工示意圖

其中：K—翻邊系數；K 值愈小，變形程度愈大；

d0—翻邊前毛坯上孔的直徑；

D—翻邊后工件的孔徑（中徑）。

經查閱硬鋁合金的極限翻邊系數Kmin=0.80，則d0=0.8×106.5=85.2mm。因此開孔直徑取略大于極限值為φ=88mm。

車削完畢后即可進行輔助去毛刺、倒角工序，下一步驟即可按產品示意進行反向翻邊。翻邊工藝主要依靠于模具結構的合理性。翻邊成形示意圖如圖5 所示。

翻邊完畢后整個結構尺寸都已成形，后續只需進行相應輔助工序。如車端面保證高度尺寸、去毛刺、熱處理消應力、對尺寸公差及輪廓度校形等工序，零件即加工完成。

圖5 翻邊成形示意圖

工藝路線擬定及工裝配備

經以上計算及策劃分析，具體工藝路線擬為：5 下料→ 10 鉗工→ 15 沖工→ 20 熱處理→ 25 沖工→3 0熱處理→3 5沖工→4 0車工→4 5鉗工→5 0沖工→55 車工→60 鉗工→65 熱處理→70 沖工→75檢驗。

15、25、35沖工皆為拉深工序，共用一套拉深模；20、30 熱處理工序皆為退火消應力、恢復塑性，方便后續拉深；50 沖工為翻邊工序，需一套翻邊模；65 熱處理工序為固溶時效得到硬度HB ≥105；70 沖工工序為校形需一套校形模。

結束語

通過精確數值計算，擬定合理有效的沖壓工藝，配備結構完善的工裝模具能較為經濟且高效地完成XX.002 罩的拉深、反向翻孔等工藝，從而實現零件的批量生產。板材沖壓成形的特性決定了前期試制工藝工作的繁瑣，在零件試制及試模過程中應注意及時獲得現場問題并反饋，通過與理論知識相結合，總結歸納平衡各方面因素，找到合適的切入點解決問題。