寬凸緣筒形零件的拉深質量控制

韓長征，徐 罕

(營口職業技術學院 機電工程學院，遼寧營口115002)

隨著機械產品大批量、規模化生產的快速發展，沖壓成型零件廣泛應用于汽車、家電、機床、船舶、儀器儀表等制造業中，其中拉深成型是空心薄壁筒形金屬零件的一種典型沖壓加工方法，具有生產效率高、產品質量穩定、精度一致性好的特點，但在寬凸緣筒形零件的拉深成型過程中，易產生局部起皺和拉裂的質量問題.通過案例分析寬凸緣筒形零件的拉深變形、產生起皺及拉裂的因素及控制措施，實現寬凸緣筒形零件的拉深質量控制，以保證零件質量和精度要求.

1 寬凸緣筒形零件的拉深分析

拉深成型技術按零件的結構可分為無凸緣筒形件拉深和有凸緣筒形件拉深.如圖1所示的有凸緣筒形零件(材料：08F，壁厚1.2 mm，大批量生產)，當dt/d>1.4時，為寬凸緣筒形零件，當dt/d=1.1～1.4時，為窄凸緣筒形零件[1].

1.1 拉深變形分析

拉深寬凸緣筒形零件時，其坯料材料轉移狀態分析如圖2所示，首先在坯料上進行劃線，劃出由相同弧度為b的直徑輻射線與距離為a的等距同心圓組成的網格線，然后在拉深模具中拉深此坯料，坯料凸緣變形區在凸模拉深力的作用下產生徑向拉應力σ1和切向壓應力σ3，并逐漸被拉入凹模內形成筒形拉深件，同時發生了塑性變形.對拉深后工序件的網格線進行觀察，發現工序件底端面的網格線幾乎沒有變化，而側立面上的網格線卻有較大變化，表現在夾角相等的輻射線轉變為等間距的垂線，而等距同心圓線轉變為與底端面平行的曲線，且其間距不同，越靠近工序件頂端面，其間距越大，這時坯料上的扇形網格線在工序件的側立面上轉變為矩形網格線，如圖3所示.

1.2 應力應變分析

如圖4所示，寬凸緣筒形零件拉深過程中，某一瞬時工序件按各部分的應力與應變狀態共分為5個區，其中底端面為小變形區，底端面與側立面間的圓角部分為過渡區，側立面為傳力區，側立面與凸緣間的圓角部分為過渡區，凸緣的平面部分為主要變形區.圖4中σ1、σ2、σ3為應力，ε1、ε2、ε3為應變.

2 影響寬凸緣筒形零件拉深成型質量的因素

根據拉深變形和應力應變分析與生產實踐情況得知，寬凸緣筒形零件拉深成形易出現的質量問題有：主要變形區的凸緣平面部分起皺和傳力區的側立面與底端面圓角間的直壁部分拉裂.起皺是一種受壓失穩現象，如圖5所示拉深時坯料凸緣變形區出現的波紋狀皺褶.拉裂是當工序件危險斷面材料的抗拉強度小于側立面傳力區的最大拉應力時產生的現象，一般出現在變薄最嚴重的側立面底部圓角直壁部位，如圖6所示.產生凸緣平面部分起皺和側立面底部圓角直壁部分拉裂的影響因素如下：

2.1 拉深變形程度

如圖4所示，凸緣的平面部分是拉深過程中的主要變形區，一般情況下越接近坯料的外緣，需要轉移的剩余材料越多，其拉深變形程度越大，可產生較高的加工硬化，因而徑向拉應力σ1和切向壓應力σ3的絕對值比壓料圈作用產生的壓應力σ2大得多，凸緣的平面部分在產生徑向伸長與切向壓縮的同時，厚度有所增加.當切向壓應力σ3較大時，凸緣部分將產生失穩而起皺.

2.2 凹模的幾何形狀

在實際生產中，可以根據凹模的幾何形狀采用經驗公式進行評估和判斷凸緣變形區能否起皺.當采用錐面凹模拉深坯料時，其首次拉深不起皺的條件是相對厚度t/D≥0.03(1-m)(式中m為拉深系數)，以后各次拉深工序件不起皺的條件是相對厚度t/D≥0.03(1/m-1)；當采用平面凹模拉深坯料時，其首次拉深不起皺的條件是相對厚度t/D≥0.045(1-m)，以后各次拉深工序件不起皺的條件是相對厚度t/D≥0.045(1/m-1)[2].如果不能滿足上述要求，凸緣變形區的抗失穩能力將下降，因而容易起皺.

2.3 拉深模具工作部分的參數尺寸

拉深模具工作部分影響拉深質量的參數尺寸主要有凹模圓角半徑rd、凸模圓角半徑rp及凸凹模間隙c，如圖7所示.

2.3.1 凹模圓角半徑

在拉深過程中，坯料經過凹模圓角進入凹模時，受到彎曲和摩擦的作用，若凹模圓角半徑rd過小，則徑向拉應力增大，坯料在滑過凹模圓角時易使拉深件表面劃傷或產生斷裂；若凹模圓角半徑rd過大，則坯料的凸緣部分與模具的凹模上表面和壓料板的接觸面積減小，而凹模圓角部分不受壓邊力作用的面積卻增大，以致凸緣部分壓料力減小，所以易起皺.

2.3.2 凸模圓角半徑

如圖4所示，在拉深時，模具的凸模圓角部分與工序件的底端面圓角部分始終接觸，所以底端面圓角部分一直受到厚度方向凸模圓角的壓應力σ2、切向拉應力σ3及徑向拉應力σ1的作用，產生側壁立面與底端面圓角相切的部位變薄程度最嚴重，其拉深變薄量有時超過料厚的10%以上，最容易出現拉裂現象，此處是拉深的“危險斷面”，所以凸模的圓角半徑對拉深件的影響也很大.若rp過小，“危險斷面”處將產生較大的彎曲變形和拉應力，則局部易變薄拉裂；若rp過大，凸模與底端面坯料接觸面積減小，易產生底部變薄和內皺.

2.3.3 凸凹模間隙

凸凹模間隙值對拉深質量影響很大，間隙c過小時，增加了摩擦，導致拉深件嚴重變薄，甚至會產生拉裂現象；間隙c過大時，容易起皺，難于消除口部變厚現象，精度差.

2.4 零件材料的力學性能和表面質量

零件材料的力學性能和表面質量對拉深質量影響較大.如圖4所示，在拉深過程中，對于凸緣變形區屬于壓縮類變形，而對于側立面與底端面圓角間的直壁部分屬于伸長類變形區.在伸長類變形區，如果拉應力過大，坯料會產生局部嚴重變薄甚至拉裂，其極限變形參數主要受材料的伸長率δj、斷面收縮率ψ、板厚方向性系數r、板平面方向性系數Δr等力學性能及表面質量的影響，即取決于材料的塑性；在壓縮類變形區，如果壓應力大于臨界應力，就會使坯料失穩起皺，其極限變形參數一般受材料的屈服強度σs、抗拉強度σb、彈性模量E及硬度等力學性能及表面質量的影響.

2.5 潤滑和熱處理

潤滑和熱處理對寬凸緣筒形零件拉深成形的質量也有一定的影響.拉深時，零件坯料的凸緣部分與模具的壓料板底部和凹模上平面接觸，并承受較大的壓料力，潤滑不良會增加摩擦力和拉深力，產生拉裂危險；金屬材料經過多次拉深變形會產生嚴重的加工硬化現象，其塑性大大降低，且材料內部存在較大的殘余應力，繼續拉深易產生拉裂或開裂現象，應進行熱處理.

3 提高寬凸緣筒形零件拉深成型質量的控制措施

3.1 嚴格控制坯料的變形參數

減小拉深變形程度，嚴格限制坯料的極限變形參數，增大拉深系數，可減小凸緣平面部分的切向壓應力σ3和徑向拉應力σ1，從而減弱凸緣變形區的硬化程度和增厚現象，避免超過材料的臨界應力使坯料失穩而起皺.

3.2 增設可調節壓料力的壓料裝置

在拉深模具設計時，應考慮增加便于調節壓料力的壓料裝置，可以采用如圖8所示帶限位裝置的壓料圈，其作用是可在一定范圍內調節軸向壓料力，應遵循工序件既不起皺也不拉裂的原則調試壓料力的大小，其限制距離s值根據零件的形狀及材料在試模時加以調整確定，一般情況s=t+(0.05～0.1)mm.壓料力應合理適當，若壓料力不足，則凸緣變形區會失穩起皺；若壓料力過大，會增加工序件側立面的拉應力，使“危險斷面”拉裂.所以應盡量采用較小的壓料力確保凸緣變形區不失穩起皺，一般產生起皺可能性最大時刻所需的壓料力為最大壓料力.

3.3 合理選擇確定拉深模具工作部分的參數尺寸

3.3.1 合理選擇凹模圓角半徑

3.3.2 合理選擇凸模圓角半徑

單次拉深或首次拉深時，凸模圓角半徑按公式rp1=(0.7～1.0)rd1計算[4]選擇確定；以后拉深工序的凸模圓角半徑按rp(i-1)=(di-1-di-2t)/2(式中di-1、di為各工序件的直徑，i=3，4，…，n)計算選擇確定，防止拉裂.

3.3.3 結合多種因素確定凸凹模間隙

選擇和確定凸凹模間隙c時，要充分考慮工件設計精度、拉深工藝次數和模具壓邊力等因素，同時還要兼顧板料的增厚現象及其公差.一般情況下，凸凹模間隙c稍大于坯料厚度.當采用具有壓邊結構的模具拉深時，凸凹模間隙可按公式c=tmax+μt(μ值與拉深次數相關)計算[5]選擇確定，也可直接按沖模設計手冊相關表格選擇；當采用沒有壓邊結構的模具拉深時，考慮到起皺的可能性,其間隙值按公式c=(1～1.1)tmax計算選擇確定.

3.4 選擇具有良好力學性能和表面質量優良的材料

3.4.1 選擇具有良好力學性能的材料

提高坯料的拉深極限變形系數，提高零件質量.此零件采用08F優質碳素結構鋼，是含碳量很低，含硅量極少的沸騰鋼，其屈服強度σs≥175 MPa，抗拉強度σb≥295 MPa，伸長率δj≥35%，斷面收縮率ψ≥60%，熱軋硬度為131HBW，具有強度最低，塑性最好，屈強比σs/σb和屈彈比σs/E小，板厚方向性系數r大和板平面方向性系數Δr小的特點，是制造拉深零件的理想材料，有利于避免產生起皺和拉裂現象.

3.4.2 選擇表面質量優良的材料

表面質量優良的材料進行拉深時不易產生拉裂和起皺現象，且零件的表面質量良好.因此所選材料表面應無劃傷、無分層、無銹斑等缺陷，且潔凈、平整.

3.5 使模具和坯料表面定期潤滑，合理安排熱處理工藝

拉深過程中，應按周期對模具的壓料板底部、凹模上平面及其間的坯料表面均勻涂油，增加潤滑，預防拉裂；對于經過多次拉深變形產生嚴重加工硬化的工序件，一般在工序間安排低溫退火熱處理工藝，軟化金屬組織、恢復其塑性，以消除硬化；另外，可在拉深工序后進行去應力退火，以防拉裂或開裂.

4 結語

在寬凸緣筒形零件拉深成形的過程中，易出現局部起皺和拉裂的質量問題.因此，一方面通過對零件和模具的合理設計，優化相對厚度和凹模的幾何形狀、拉深模具工作部分參數及零件材料；另一方面通過對相關工藝措施的合理設置，調整拉深變形程度、實施潤滑和熱處理等，實現對寬凸緣筒形零件拉深成形的質量控制，以保證零件加工精度要求，從而提高生產效率，降低成本，同時滿足產品一致性、互換性的需要.