復雜型面非回轉體薄壁零件成形工藝研究

王亞清

摘要：本文研究了復雜型面非回轉體薄壁零件沖壓成形的方法，通過對零件結構進行分析，采用正、反兩次拉伸和局部翻邊成形相結合的工藝方法，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，成功解決了該零件成形質量問題，提高了復雜型面非回轉體薄壁零件的加工水平。

一、引言

沖壓是金屬塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也稱為板料成形。板料成形生產技術對航空、航天、國防、汽車、船舶以沖壓加工要求被加工材料具有較高的塑性和韌性，較低的屈強比和時效敏感性，一般要求碳素鋼伸長率δ≥16%、屈強比σs/σb≤70%，低合金高強度鋼δ≥14%、σs/σb≤80%。否則，沖壓成形性能較差，工藝上必須采取一定的措施，從而提高了零件的制造成本。

沖壓加工過程中易產生壁折皺、壁破裂、體皺折等缺陷。該零件的材料為不銹鋼0Cr18Ni9，壁厚為0.8mm，零件外形為不規則形狀，屬于盒形與筒形的復合拉深成形，同時內孔翻邊高度較大并端部存在局部成型，零件需要多次正、反拉深相結合的復合成形，在拉伸的過程中由于材料存在塑性失穩，容易引起起皺現象，在反拉伸的過程中，由于材料流動較困難，零件的轉接圓弧較小，零件轉接處及頂部兩處尖點極易產生應力集中出現裂紋，運用鈑金模擬軟件對該零件的工藝性以及難點進行分析，訂制出合理的方案，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，確保復雜型面非回轉體薄壁零件成形質量。

二、零件的工藝性分析

2.1零件結構分析

該零件屬于典型的鈑金沖壓成形的零件，形狀較復雜，材料為0Cr18Ni9板料，厚度0.8mm，內孔直徑為φ254mm，外徑的直徑為φ458mm，內孔與外徑的直徑差較大為204mm，且內孔的拉伸高度較大為35mm，需要充足的材料進行補充，拉深成形時材料的變形量很大，拉伸過程中的減薄量大，很容易在拉伸過程中在內孔處出現裂紋。

0Cr18Ni9為奧氏體不銹鋼，含鉻大于18%，還含有8%左右的鎳及少量鉬、鈦、氮等元素。該材料綜合性能好，可耐多種介質腐蝕。這類鋼具有良好的塑性、韌性、焊接性和耐蝕性能，廣泛用于制造深沖成型零件。奧氏體不銹鋼一般采用固溶處理，即將鋼加熱至1050～1150℃，然后水冷或空冷，以獲得單相奧氏體組織。表2-1，表2-2和表2-3分別為0Cr18Ni9的化學成分，力學性能和熱處理工藝參數。

2.2零件拉深的力學分析

該零件集成了筒形件和盒形件拉伸的特點，需要從盒形件和筒形件成形特點分別進行分析;筒形件的變形特點為：在凸模沖頭下行過程中，毛坯質點沿徑向移動，使毛坯法蘭部分產生塑性變形，并逐漸進入凹模口部，產生彎曲變形和校正，最終產生筒壁。法蘭區受到切向壓應力，產生壓縮變形，壁厚略有增加。板材在拉深過程中，筒壁傳力區的應力狀態為徑向單向拉伸狀態;盒型拉深零件，圓角具有拉深性質，材料切向收縮;而直壁部分理論上為彎曲變形，但零件為一整體，變形時的應力，應變都是連續的。拉深變形區逐漸過渡到彎曲變形區。

2.3 零件的工藝難點分析

通過對該零件的結構分析以及拉深零件的成型力學分析，該零件的成形技術難點在于：

1 該零件形狀復雜，金屬流動難以定量分析;

2 傳力區及圓角區變形量大，易開裂，難以一次成形;

3 零件的外形屬于筒形件和盒形件的復合成形，在盒形的轉接圓角處易開裂。

4 零件內孔局部翻邊，零件為非回轉體，無法旋壓成形，需要特殊的模具來保證成形質量。

針對上述工藝難點，需要考慮在沖壓過程中采用一些有效的措施和合理的工藝路線以及熱處理手段，提高材料塑性，減少成型過程中的摩擦，便于板料流動成形，提高零件成型質量。

三、零件成形工藝方案的確定

3.1確定零件的毛坯尺寸

經過上述分析該零件采用拉深成形，首先確定零件拉深的形狀尺寸，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。根據表面積不變原理，確定零件拉深成形后的毛坯形狀。展開料形狀及尺寸的確定，直接關系到拉伸工藝的進行、拉深件的精度及質量，對整個拉伸過程的順利進行至關重要。在此件中，為保證拉深的效果，必須保證足夠的壓邊面積。但過大的壓邊面積會使拉力過大易造成成型應力集中處斷裂。

對于形狀復雜且無相關經驗公式計算展開料的的沖壓件，如何展開料的計算便成為制約工藝規程編制的重要因素。因此，借助有限元的計算方法便很好的解決了這一難題。

在Pamstamp中，集成Inverse模塊，該模塊是一步的逆向求解器，用于給出沖壓件展開形狀的快速估計并進行最終零件檢驗。將在UG中的數模導入Inverse模塊中。經反算的坯料尺寸為φ461mm，加上單邊10mm的余量即可應用于生產，經在實際加工過程中修邊，確定最終毛坯尺寸。

3.2 確定零件成形工藝路線

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）×100=（0.8/458）×100=0.17，查表3-2，應采用壓邊圈。

2）確定零件的拉深次數，采用計算法：當t/d×100=0.17和h/d=35/458=0.08由此可見，零件的相對高度較小，能夠一次拉深成形。但由于內孔與外徑的直徑差較大且內孔的高度較高，成形過程中材料流動困難，無法補充內孔成形所需的材料，容易在內孔的圓角區域以及盒形件的圓角區產生裂紋。故需要多次成型，故確定零件的成型工藝路線為：下料（Φ550）—拉深—退火—二次拉深—開內孔—拉深校整—車端面—固溶—翻邊成形，采用該工藝路線，應用Pamstamp-autostamp模塊對實際加工過程進行仿真分析，可以直觀觀察零件在成形過程中容易發生破裂的區域為凸模圓角與傳力區。該處由于材料流動過程中，發生縮頸，易發生強度破裂。零件在翻邊過程中，由于切向受拉應力，導致外緣容易發生破裂。

四 零件成形試驗和工藝驗證

試驗設備采用研模試沖液壓機，該設備公稱壓力為400t，滑塊行程為1000mm，拉深墊壓緊力為50t，頂出力為50t，該設備速度可調，適于復雜零件的拉深成形。

該零件的第一次拉深是在該設備上面進行的，首次拉深時產生裂紋。經對零件在成型過程中受力情況進行分析得知，該零件在矩形盒的圓角區產生裂紋，主要是由于圓角處的壓邊力較大以及圓角區的材料在拉伸過程中受到的拉應力較大，故易產生裂紋。通過改變毛坯圓角的大小，增加圓角半徑，減少壓邊力，以及在局部改善潤滑方法，在圓角區采用塑料薄膜進行潤滑，減少摩擦，利于材料流動，再次進行試驗時裂紋消失，零件表面狀態較好，保證成形質量。

第二次拉深試驗是該零件成形的關鍵，該成型工序較復雜，正反拉深同時存在，且零件成形所需的材料需要從第一次拉深的筒壁處補充，材料在流動面積較大，摩擦力阻力較大，反拉深區域的材料補充較困難，容易在轉接圓角處產生裂紋。另外，圓筒底部在第二次成型過程中受到壓應力的作用，壓邊力的大小對該表面質量影響較大，需要調整合適的壓邊力保證零件表面質量。為了進一步提高材料塑性，在二次拉深之前對半成品進行固溶處理，固溶熱處理是將奧氏體不銹鋼加熱到1050℃以上，使碳化物全部或基本溶解在奧氏體晶粒中，即碳固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使碳達到過飽和狀態。奧氏體體鋼的固溶處理即為軟化處理，因此可以提高不銹鋼的延伸率，降低其變形抗力。經固溶處理的預成形件出爐后在成形模上拉深成形，材料內應力小，變形阻力減低，塑性提高，零件表面質量滿足要求，無裂紋和皺紋產生。

最終翻邊工序是該零件的難點，由于零件屬于非回轉體，翻邊部位在零件內孔處，距底面的高度較小，無法進行旋壓加工加工，需要采用成型模具進行翻邊，由于該零件結構較復雜，需要設計特殊結構模具保證該零件的翻邊要求，經與研究，選用內外脹塊式分瓣剛性模具進行成形加工，經試驗該零件的翻邊尺寸完全滿足圖紙要求.

五 結論

通過該類零件的成形工藝研究摸索出一套關于大型復雜薄壁零件的成形工藝方法，總結了模具圓角大小、潤滑方法以及熱處理制度對不銹鋼成形質量的影響，克服了零件在生產過程中的起皺和裂紋的質量問題，保證零件成型質量。為薄壁圓筒盒形復合成形、大直徑比以及局部成形相結合復雜零件的成形工藝研究奠定了基礎，也為今后類似零件的生產提供了經驗和技術支持。

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