導流罩類零件成形工藝研究

王亞清

摘要：本文通過對材料為高溫合金的導流罩零件結構分析，確定出一套典型的成形工藝方法，并對零件在加工過程中出現的主要問題進行研究，制定出切實可行的解決措施，成功的生產出零件的方案。

關鍵詞：導流罩 ?成形工藝 ?拉深 ?起皺 ?破裂

1 概述

由于高溫合金是在高溫下有較高的力學性能，抗氧化性和抗腐蝕性能的合金，為了滿足航空發動機性能提高的要求，高溫合金不僅在冶金理論和實驗技術方面，而且在生產工藝方面也有了很大的進步，已經廣泛作用做制造航空、航天等高溫工作的構件的材料，因此鈑金成形工藝研究及其推廣有著重要的意義。導流罩屬于典型的高溫合金鈑金沖壓成形的零件，材料為GH4169，零件要求精度較高，沿流道的輪廓度為0.2，跳動0.15，通過對其的工藝性以及難點進行分析，將幾種典型的工藝方案進行比較，定制出合理的方案，通過改進模具的結構和材料熱處理手段，解決零件試制過程的質量問題，摸索出一套成功的經驗，為今后類似零件的成形奠定了基礎。

2工藝性分析

2.1 零件的工藝性分析

導流罩屬于環形旋轉體成形，成形后外徑尺寸為240mm，內孔為139.3mm，零件的型面尺寸是坐標尺寸，沿流道的型面行為公差要求較嚴，跳動0.15，輪廓度0.2，對于薄壁沖壓成形的零件，成形后材料的回彈很難保證尺寸要求，而且內孔的公差為0.1。根據零件的特點，可以采用旋壓或者拉伸成形工藝來加工此零件。

旋壓成形工藝零件的貼模性好，尺寸精度高，零件的回彈小，并且旋壓屬于局部連續性加工，瞬間的變形區小，所需總的變形力較小，變形區大部分處于壓應力狀態，變形條件較好，易于加工形狀復雜零件或高強度難變形材料零件，為了提高零件的表面質量和成形極限，往往需要經過多道次來完成，能夠有效的保證零件的成形尺寸;采用沖壓拉伸來成形該零件，由于材料為高溫合金，強度大，零件成形時的抗力大，回彈較大，很難保證零件的成形尺寸。分析比較上述兩種成形工藝方案，旋壓成形較適合該零件的加工，但是由于設備資源限制，確定采取沖壓拉伸成形工藝加工。

2.2 沖壓加工的工藝方案的確定

2.2.1確定零件的成形尺寸

經過上述分析采用拉深成形，首先確定零件拉深的形狀尺寸，需要在零件的底部加一個底，由于拉深時底部的圓角直徑的大小影響拉深件的質量，故選擇一個大圓角的底部，避免零件的拉深出現裂紋。由于零件的直徑尺寸較大，拉深過程中零件的凸緣部分的變形程度由于受到材料的機械性能的方向性、模具間隙不均勻、板厚的變化、摩擦阻力不等以及材料定位不準地影響，零件的口部不齊，故在零件口部增加修邊余量，根據上述原因確定零件拉深成形后的毛坯形狀為圓形毛坯。依據導流罩的毛坯形狀，將導流罩分成5部分計算零件的表面積得出各部分表面積之和為70650.2，根據表面積相等的原則，得出展開料的直徑為 =300mm

2.2.2 確定零件的拉深次數及成形方案

1）根據零件的拉深系數的計算方法，首先確定是否采用壓邊圈：

毛坯相對厚度：（t/D）x100=（1.2/300）x100=0.4，根據經驗應采用壓邊圈。

2）確定零件的拉深次數，采用計算法：當t/dx100=0.4，和h/d=52/139=0.37

由此可見，零件的相對高度較小，能夠一次拉深成形。

2.3.3 確定零件的成形過程和模具

根據前面的計算，導流罩采用一次拉深成形，零件的變形過程為先拉深成形內孔，當內孔達到一定的程度時，在成形外徑，采用反拉深成形工藝，但是由于零件的跳動和輪廓度要求較高，故零件的退料機構不能設置在型面位置，以免影響零件的尺寸精度，將退料機構設置在零件的補充的底部，為了更好的保證零件的尺寸精度，將模具間隙設置為最小，防止由于材料的彈性變形影響輪廓度和型面尺寸，讓材料在受限制的條件下發生足夠的塑性變形。

3 試制過程中出現的質量問題及解決方案

3.1零件型面起皺問題及解決方法

零件在首次拉深時，在零件剛剛接觸到模具成形時，在凸緣部分出現褶皺，對導流罩的成形過程進行分析導流罩的毛坯，在凸凹模的作用下，開始進行拉拉深。隨著凹模的下壓，在凸模的作用下，迫使材料拉入凹模，形成了筒底，凹模圓角，筒壁，導流罩底部以及拉入凹模的凸緣五個區域。凸模繼續下壓，凸緣部分的材料繼續被拉入凹模轉變為環形體，直至凸凹模的型面完全貼合位置，拉深過程全部結束形成導流罩拉深形狀。

由此可見，拉深變形主要集中在含在凹模部分的材料上，此處的材料變形最大，凸模的壓力作用于筒底，通過逐漸形成的筒壁，將壓力傳遞到外緣部分使之變形，將其逐漸收縮。在外緣部分取出一個扇形單元體，進行其在拉深過程中的受力分析，由此可見凸緣部分在成過程中受到切向壓應力σ3的作用，而在徑向上受到拉應力σ1的作用，即材料在成形過程中在切向受壓縮的同時被拉著向凹模方向流動，形成筒壁。

由上述錐形體的形成過程可以發現，零件凸緣起皺的主要原因主要有以下兩個方面：一是外緣部分起皺主要由于零件在成形過程中的壓邊力過小，無法抵制過大的切向壓應力造成的切向變形，失去穩定，形成皺紋;二是材料為GH4169高溫合金，抗拉強度為1270MPa是普通結構鋼的3倍，而伸長率只有12%，比普通結構鋼低50-60%多，零件的變形抗力大，需要采用提高材料的塑性，對材料進行軟化，增加固溶處理，提高其塑性，使材料在零件成形過程中的抗力小，將工藝路線調整為固溶——首次拉深。經固溶處理后進行試驗，起皺現象消失，但當零件成形尺寸達到總深度的一半時，模具將零件夾在凸凹模中間，導致上下模無法分開，并且零件底部出現裂紋。

3.2零件筒底裂紋問題及解決方案

觀察導流罩的成形過程可以發現造成筒底部分出現裂紋的主要因素是導流罩在成形的過程中筒底圓角的坯料在拉應力的作用下，產生徑向的和切向的伸長變形，表面積增加，厚度減薄。由于該處的深度較高，金屬補充困難，材料又為高溫合金鋼板，材料的塑性低，強度大，變形的抗力大，阻止筒壁的材料流動，再加上未變形區和小變形區對此處變形的牽制作用，這時圓角處成為坯料變形的強區，通過毛料減薄來補彌補金屬的變形速度，使其與變形弱區的變形速度一致性，導致圓角處材料的拉應力超過材料的抗拉極限，致使零件圓角處的變形量過大而開裂。具體情況如下：一是由于零件在成形的過程中，凸模的壓力全部作用在導流罩的底部，此時導流罩形成筒底部分材料全部靠毛坯外側的原材料來補充，而材料的流動又受到凸凹模的限制，壓邊力大，這時拉深變形阻力大于導流罩底部和筒壁的承載能力，達到了材料的變形極限，發生了材料變形模式的轉變，產生破裂。二是模具間隙小，材料在成形過程中的流動受到限制，阻力大大增加，材料的變形抗力大，造成零件破裂。三是零件成形過程中的潤滑不好，壓邊圈過于粗糙，整個內孔形成的圓筒件的材料全部從外緣補充，如果潤滑不良，材料的流動性不好，無法補充材料的塑性變形，造成底部開裂。

綜上所述：消除導流罩的破裂和模具卡死要從下面幾個方面入手：① 適當加大模具間隙;② 改善潤滑條件;③ 修正毛坯尺寸;④消除材料的應力。

制定上述措施后，將模具的間隙放大到料厚的1.1倍，即保證雙面均勻間隙1.3mm，將毛坯尺寸由300mm調整為295mm，減少壓邊，同時增加零件的固溶工序，在零件加工時在毛坯的下面涂抹二硫化鉬作為潤滑劑，上面覆蓋一層塑料薄膜，減少材料在成形過程中的摩擦，改善材料的潤滑條件，經過試驗，零件裂紋消失，尺寸較穩定。

3.3零件熱處理時效后跳動和內徑尺寸小問題及解決方案

零件成形后，在固溶時效后進行尺寸檢驗時發現跳動尺寸超差0.1mm，內徑139.3mm的尺寸僅有138.3mm左右，對零件的成形過程進行分析得知，零件在拉深成形過程中發生塑性變形的同時還有一部分彈性變形，在零件固溶時效后，彈性變形消失，造成零件縮口，直徑變小，跳動超差也是受零件彈性變形的影響。由于為了保證零件的輪廓度和跳動，零件車去底后，進行采用夾具進行熱定型后時效處理并增加脹形工序，保證了零件的內徑尺寸精度要求。脹形模具采用的是漲瓣結構的漲型簡易模具，下模是一個分為四瓣的的漲塊，上模一個錐形凸模，將導流罩套在漲瓣上面，逐次調整模具形成，直至零件的內孔尺寸為139.3mm，然后將零件在模具上面沿周向旋轉4次，保證零件內孔的圓度，最終保證零件的內孔尺寸。

4.結論：

在導流罩成形工藝過程的分析和實際生產中存在的質量缺陷進行研究，在高溫合金材料環形體零件拉深的成形過程中，首先要掌握金屬變形規律，有效控制金屬的流動，清楚的認識各種基本成形工序的變形特點是制定成形路線的關鍵;正確的分析成形件的工藝性對制定沖壓工藝方案，進行模具設計，提高制件質量很重要，首先要識別主導地位的工序性質。其次是要判斷決定制件加工極限的工序類別，控制破裂和起皺極限;合理制定毛坯形狀和模具結構，零件毛料形狀、模具壓延筋的布置以及沖壓過程的壓邊力的大小，使零件拉深過程中出現破裂、起皺等現象的決定性因素;合理使用壓延筋可以控制材料的流動趨勢，使材料的成形厚度均勻，防止局部起皺，但壓制力過大會使材料過度變薄而破裂;壓邊力的大小主要是為防止起皺，同樣存在力值過大會使材料過度變薄而破裂的問題。毛料尺寸和形狀也是零件成形關鍵。