橋梁支座用球面不銹鋼成形缺陷分析及工藝優(yōu)化

柳 勝，趙連剛，梁 旭

（武漢海潤工程設(shè)備有限公司，湖北 武漢 430084）

0 引言

橋梁支座是連接橋梁上下部結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)橋梁水平位移及轉(zhuǎn)動的減隔震產(chǎn)品，常規(guī)球型支座結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)工程需要，現(xiàn)已逐步發(fā)展形成具有球型支座、雙曲面鋼支座、抗拉拔支座、抗風(fēng)支座、摩擦擺支座等多種結(jié)構(gòu)形式的橋梁及建筑減隔震產(chǎn)品體系[1]。通常橋梁支座的轉(zhuǎn)動或滑動副一般采用包覆球面不銹鋼的方式，球面不銹鋼板作為橋梁支座的關(guān)鍵部件，其成形輪廓與表面質(zhì)量影響支座的使用性能。

圖1 支座結(jié)構(gòu)

目前球面不銹鋼板一般采用沖壓工藝加工，但受球面不銹鋼板結(jié)構(gòu)與沖壓工藝限制，只能一次沖壓成形，沖壓過程與沖壓后的零件成形質(zhì)量難以控制，容易產(chǎn)生起皺、鼓包、開裂、輪廓度超差、表面質(zhì)量問題等成形缺陷，影響支座裝配及使用性能。

現(xiàn)結(jié)合沖壓理論及工程實際，開展球面不銹鋼成形工藝研究，對常見的成形缺陷進(jìn)行分析，提出對應(yīng)的解決措施及優(yōu)化方案，以減少球面不銹鋼的成形缺陷，提高其成形質(zhì)量。

1 球面不銹鋼成形工藝

支座用球面不銹鋼板的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示，球面半徑SR與輪廓度P是主要設(shè)計參數(shù)，直接影響球面不銹鋼的成形質(zhì)量。此外，球型支座使用面為不銹鋼凸面，摩擦擺支座使用面為不銹鋼凹面，凸、凹面的表面質(zhì)量也影響支座摩擦性能。

圖2 典型橋梁支座用球面不銹鋼結(jié)構(gòu)

由圖2可以看出，球面不銹鋼板屬于軸對稱曲面形沖壓零件，成形時毛坯的變形區(qū)由兩部分組成：一是在毛坯凸緣部分產(chǎn)生切向受壓和徑向受拉的變形；二是毛坯中間部分兩向受拉產(chǎn)生脹形變形[2,3]。因此球面不銹鋼的成形屬于拉深和脹形復(fù)合成形。

典型球面不銹鋼成形工藝如圖3所示，一般在雙動壓力機上進(jìn)行成形，不銹鋼板材居中放置在凹模上，通過壓力機滑塊帶動凸模下行，逐步將板材沖壓成形，到達(dá)預(yù)定行程后保壓，通過凸、凹模的共同作用，即可獲得所需的球面形狀。

圖3 成形工藝

該工藝具有典型的一次沖壓成形特點，沖壓過程不易控制，零件成形后難以進(jìn)行二次成形修復(fù)，且凸、凹模表面的微小缺陷在成形后易放大進(jìn)而影響球面不銹鋼板的表面質(zhì)量。以下對典型的球面不銹鋼成形缺陷進(jìn)行分析。

2 球面不銹鋼成形缺陷分析

2.1 起皺及鼓包

起皺是指在成形過程中板料邊緣形成沿切向高低不平的皺紋，鼓包是在不銹鋼板成形球面上形成的凸起，如圖4所示。若起皺比較小，通過凸、凹模間隙時會被壓平，但會加劇模具零件磨損。若鼓包較小，一般繼續(xù)拉深即可消除，但鼓包較大時，不僅不能通過加大拉深量消除，而且通過凸、凹模間隙時阻力過大會導(dǎo)致板料斷裂甚至成形的零件報廢。造成起皺和鼓包的原因主要如下。

圖4 起皺和鼓包

（1）切向壓應(yīng)力。在實際成形過程中，板料邊緣切向壓應(yīng)力不是固定不變，其數(shù)值處于動態(tài)變化的過程。根據(jù)試驗結(jié)果，不銹鋼板球面深度h越大，成形需要轉(zhuǎn)移的材料越多，其切向壓應(yīng)力則越小，材料越容易起皺。

（2）壓邊力。若壓邊力不足，板料與凸模邊緣部分難以充分接觸，容易形成間隙進(jìn)而產(chǎn)生鼓包，一般通過調(diào)整壓邊力的大小避免鼓包產(chǎn)生。

（3）材料力學(xué)性能。材料屈強比（材料屈服強度和抗拉強度的比值）越小，越不容易起皺。試驗證明，材料屈強比數(shù)值越小，回彈也小，定形性較好。根據(jù)沖壓理論及實際驗證，只有屈強比≤0.66的材料[4]才適用于沖壓成形。

（4）凹模工作部分的幾何形狀。模具零件也是影響鼓包的主要因素，球面不銹鋼拉深不起皺應(yīng)滿足式（1）。

其中，D為毛坯直徑，mm；d為凹模直徑，mm；t為材料厚度，mm。

2.2 開裂

開裂是不銹鋼板成形過程中的主要缺陷，如圖5和圖6所示，主要出現(xiàn)在球面與拉深直壁的過渡區(qū)域。拉深過程中零件底部到口部的厚度不同，側(cè)壁厚度減薄率可達(dá)10%[5]，是拉深量最大的危險斷面處，該處拉深力急劇放大，超過材料的極限抗拉強度，加之凸模圓角半徑設(shè)置不合理，這些都是造成開裂的原因。此外，當(dāng)凸、凹模間隙過小時，板料變形程度越大，越容易開裂。

圖5 不銹鋼板開裂過程

2.3 輪廓度超差

在球面不銹鋼的成形中，輪廓度超差主要是由回彈造成，表現(xiàn)為球面中間或兩側(cè)存在間隙，如圖7所示。球面不銹鋼成形后采用等離子切割去除多余材料以獲得所需的外形尺寸，凸模壓力卸載或球面不銹鋼切邊解除約束后，由于材料特性或塑性變形不充分，整體輪廓度發(fā)生回彈，影響成形質(zhì)量。回彈與材料屈強比有關(guān)，屈強比小，拉深時材料越容易流動，拉深后回彈越小[6]。但回彈目前還沒有有效的解決辦法，一般通過經(jīng)驗控制。

2.4 表面質(zhì)量缺陷

不銹鋼板成形后，其表面可能產(chǎn)生凹凸不平、麻點、劃痕等缺陷，如圖8和圖9所示，影響外觀質(zhì)量及支座滑動摩擦性能。不銹鋼板表面缺陷主要是由于凸模表面質(zhì)量或粗糙度不達(dá)標(biāo)造成，成形過程中凸模直接與不銹鋼凹面接觸，凸模表面若存在銹蝕、凹坑等缺陷，拉深成形過程中這些缺陷會影響不銹鋼板的外觀質(zhì)量。

圖7 切邊后不銹鋼輪廓度超差

球型支座使用面為不銹鋼凸面，凹面表面質(zhì)量問題的影響不大，但摩擦擺支座使用面為凹面，其表面質(zhì)量問題將影響支座滑移摩擦因數(shù)。

圖8 不銹鋼板表面凹凸不平

圖9 不銹鋼板表面劃痕與麻點

3 工藝優(yōu)化措施

通過上述對不銹鋼板成形缺陷類別及原因的分析，結(jié)合理論研究及實際工程經(jīng)驗，提出了對應(yīng)的優(yōu)化措施及工藝方案。

3.1 起皺與鼓包的優(yōu)化措施

（1）優(yōu)化球面不銹鋼結(jié)構(gòu)尺寸。由于切向壓應(yīng)力與起皺有直接關(guān)系，降低球面深度h，可以降低拉深深度，減小變形程度和切向壓應(yīng)力，進(jìn)而控制鼓包、起皺等缺陷。

（2）合理選擇沖壓材料。支座用球面不銹鋼通常選擇固溶處理的奧氏體不銹鋼板，例如06Cr18Ni11Ti和022Cr17Ni12Mo2，其屈強比分別為0.398、0.371。因此選擇的材料屈強比在0.4以內(nèi)即可以滿足拉深要求。

（3）設(shè)置壓邊圈并增大壓邊力。在成形過程中，起皺與鼓包產(chǎn)生的主要原因是壓邊力不足，因此采用壓邊圈并增大壓邊力以減少成形缺陷。增加壓邊圈后，板料被限制在壓邊圈和凹模的間隙中流動，穩(wěn)定性得到增加，可以進(jìn)行較深拉深而不產(chǎn)生開裂，同時采用雙動壓力機可以有效控制壓邊力大小，減少鼓包缺陷。

3.2 避免開裂的優(yōu)化方案

開裂的主要原因在于凸模圓角半徑及凸、凹模間隙設(shè)置不合理。

如果凸模圓角半徑r凸過小，則毛坯在角部產(chǎn)生過大的彎曲變形，在危險斷面易開裂；如果r凸過大，在拉深初始階段，凸模下方毛坯懸空面積增大，與模具零件的接觸面積減少，容易使毛坯起皺。一般根據(jù)經(jīng)驗選擇8～15倍的板料厚度為凸模圓角半徑[7]，可以有效控制開裂缺陷。

凸、凹模間隙是指凸、凹模橫向尺寸的差值。當(dāng)凸、凹模間隙過小時，零件成形質(zhì)量較好，但拉深力大，零件易開裂；當(dāng)凸、凹模間隙過大時，拉深力小，零件易產(chǎn)生起皺、變厚、側(cè)壁不直等缺陷。合理的凸、凹模間隙可以控制拉深過程的摩擦力并增加材料的流動性，一般采用比毛坯厚度小10%的模具零件間隙比較合理[8]。

3.3 輪廓度超差的優(yōu)化措施

在不銹鋼成形工藝中，輪廓度超差是最難解決的問題，目前還沒有有效的措施進(jìn)行控制，但可以采用一定的方法進(jìn)行優(yōu)化。常采用2種方法控制回彈實現(xiàn)輪廓度的優(yōu)化，一種是增大模具的豎向變形區(qū)，增加拉深量，進(jìn)而增大不銹鋼毛坯的塑性變形區(qū)域，獲得中心處較好的球面輪廓，但是該方法容易使板材開裂且材料利用率較低；另一種方法則是調(diào)整凸模的球徑公差實現(xiàn)輪廓度的優(yōu)化。

由于橋梁支座的結(jié)構(gòu)特性及實際裝配工藝的差異，可以通過控制凸模公差實現(xiàn)輪廓度的優(yōu)化。球型支座使用面為凸面，可以將凸模球徑設(shè)置為負(fù)公差，成形切邊后由于材料回彈球徑處于設(shè)計范圍內(nèi)，滿足使用要求；摩擦擺支座使用面為凹面，可以將凸模中心區(qū)域球徑設(shè)置為負(fù)公差，使其成形回彈后球徑滿足使用要求。但該方法還沒有準(zhǔn)確的公差放量值，需要經(jīng)驗積累并多次修模調(diào)整。

3.4 提高表面質(zhì)量的優(yōu)化方案

通過對凸模進(jìn)行拋光處理、凸模表面鍍防銹層、使用后密封保存等措施提高凸模表面質(zhì)量，減少不銹鋼成形后凹面的表面缺陷。此外，潤滑也是提高不銹鋼成形質(zhì)量的有效方法。

成形過程中，毛坯與凹模之間、毛坯與壓邊圈之間會產(chǎn)生較大的摩擦力，不僅會降低拉深的許用變形程度，而且會導(dǎo)致零件表面擦傷。因此在凹模表面、壓邊圈與毛坯接觸面、凹模和壓邊圈相接觸的毛坯表面均勻涂抹潤滑劑，并保持潤滑部位清潔，然后再進(jìn)行成形。但是在凸模表面或與凸模接觸的毛坯表面不能涂潤滑劑，因為潤滑劑會使毛坯與凸模間由摩擦來傳遞變形力的能力降低，產(chǎn)生成形缺陷。

不同缺陷的優(yōu)化措施存在較大差異，在工程應(yīng)用中需根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，采用多種方法協(xié)同作用減少成形缺陷的產(chǎn)生。

4 結(jié)束語

從理論及工程實際出發(fā)，對橋梁支座用球面不銹鋼成形工藝進(jìn)行研究，介紹了球面不銹鋼的結(jié)構(gòu)特征及典型成形工藝。結(jié)合工程實際分析了成形過程中起皺、鼓包、開裂、輪廓度超差、表面質(zhì)量缺陷等問題產(chǎn)生的原因及其影響，進(jìn)而從球面不銹鋼尺寸設(shè)計、沖壓材料選擇、壓邊圈設(shè)置、模具圓角半徑、凸凹模間隙調(diào)整、球徑公差放量、成形過程潤滑等方面提出減少成形缺陷的措施及優(yōu)化方案，總結(jié)了常見的成形缺陷，為優(yōu)化球面不銹鋼成形模具設(shè)計，減少支座用球面不銹鋼成形缺陷、提高成形質(zhì)量提供可行性建議及方案。