寬凸緣筒形零件的拉深質(zhì)量控制

韓長征，徐 罕

(營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧營口115002)

隨著機(jī)械產(chǎn)品大批量、規(guī)?；a(chǎn)的快速發(fā)展，沖壓成型零件廣泛應(yīng)用于汽車、家電、機(jī)床、船舶、儀器儀表等制造業(yè)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(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)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(chǎn)生局部起皺和拉裂的質(zhì)量問題.通過案例分析寬凸緣筒形零件的拉深變形、產(chǎn)生起皺及拉裂的因素及控制措施，實現(xiàn)寬凸緣筒形零件的拉深質(zhì)量控制，以保證零件質(zhì)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(shù)按零件的結(jié)構(gòu)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(chǎn))，當(dāng)dt/d>1.4時，為寬凸緣筒形零件，當(dāng)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(zhuǎn)移狀態(tài)分析如圖2所示，首先在坯料上進(jìn)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(wǎng)格線，然后在拉深模具中拉深此坯料，坯料凸緣變形區(qū)在凸模拉深力的作用下產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力σ1和切向壓應(yīng)力σ3，并逐漸被拉入凹模內(nèi)形成筒形拉深件，同時發(fā)生了塑性變形.對拉深后工序件的網(wǎng)格線進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)工序件底端面的網(wǎng)格線幾乎沒有變化，而側(cè)立面上的網(wǎng)格線卻有較大變化，表現(xiàn)在夾角相等的輻射線轉(zhuǎn)變?yōu)榈乳g距的垂線，而等距同心圓線轉(zhuǎn)變?yōu)榕c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(wǎng)格線在工序件的側(cè)立面上轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尉W(wǎng)格線，如圖3所示.

1.2 應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)共分為5個區(qū)，其中底端面為小變形區(qū)，底端面與側(cè)立面間的圓角部分為過渡區(qū)，側(cè)立面為傳力區(qū)，側(cè)立面與凸緣間的圓角部分為過渡區(qū)，凸緣的平面部分為主要變形區(qū).圖4中σ1、σ2、σ3為應(yīng)力，ε1、ε2、ε3為應(yīng)變.

2 影響寬凸緣筒形零件拉深成型質(zhì)量的因素

根據(jù)拉深變形和應(yīng)力應(yīng)變分析與生產(chǎn)實踐情況得知，寬凸緣筒形零件拉深成形易出現(xiàn)的質(zhì)量問題有：主要變形區(qū)的凸緣平面部分起皺和傳力區(qū)的側(cè)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(wěn)現(xiàn)象，如圖5所示拉深時坯料凸緣變形區(qū)出現(xiàn)的波紋狀皺褶.拉裂是當(dāng)工序件危險斷面材料的抗拉強(qiáng)度小于側(cè)立面?zhèn)髁^(qū)的最大拉應(yīng)力時產(chǎn)生的現(xiàn)象，一般出現(xiàn)在變薄最嚴(yán)重的側(cè)立面底部圓角直壁部位，如圖6所示.產(chǎn)生凸緣平面部分起皺和側(cè)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(qū)，一般情況下越接近坯料的外緣，需要轉(zhuǎn)移的剩余材料越多，其拉深變形程度越大，可產(chǎn)生較高的加工硬化，因而徑向拉應(yīng)力σ1和切向壓應(yīng)力σ3的絕對值比壓料圈作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力σ2大得多，凸緣的平面部分在產(chǎn)生徑向伸長與切向壓縮的同時，厚度有所增加.當(dāng)切向壓應(yīng)力σ3較大時，凸緣部分將產(chǎn)生失穩(wěn)而起皺.

2.2 凹模的幾何形狀

在實際生產(chǎn)中，可以根據(jù)凹模的幾何形狀采用經(jīng)驗公式進(jìn)行評估和判斷凸緣變形區(qū)能否起皺.當(dāng)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(shù))，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(dāng)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(qū)的抗失穩(wěn)能力將下降，因而容易起皺.

2.3 拉深模具工作部分的參數(shù)尺寸

拉深模具工作部分影響拉深質(zhì)量的參數(shù)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(jīng)過凹模圓角進(jìn)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(yīng)力增大，坯料在滑過凹模圓角時易使拉深件表面劃傷或產(chǎn)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(yīng)力σ2、切向拉應(yīng)力σ3及徑向拉應(yīng)力σ1的作用，產(chǎn)生側(cè)壁立面與底端面圓角相切的部位變薄程度最嚴(yán)重，其拉深變薄量有時超過料厚的10%以上，最容易出現(xiàn)拉裂現(xiàn)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(chǎn)生較大的彎曲變形和拉應(yīng)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(chǎn)生底部變薄和內(nèi)皺.

2.3.3 凸凹模間隙

凸凹模間隙值對拉深質(zhì)量影響很大，間隙c過小時，增加了摩擦，導(dǎo)致拉深件嚴(yán)重變薄，甚至?xí)a(chǎn)生拉裂現(xiàn)象；間隙c過大時，容易起皺，難于消除口部變厚現(xiàn)象，精度差.

2.4 零件材料的力學(xué)性能和表面質(zhì)量

零件材料的力學(xué)性能和表面質(zhì)量對拉深質(zhì)量影響較大.如圖4所示，在拉深過程中，對于凸緣變形區(qū)屬于壓縮類變形，而對于側(cè)立面與底端面圓角間的直壁部分屬于伸長類變形區(qū).在伸長類變形區(qū)，如果拉應(yīng)力過大，坯料會產(chǎn)生局部嚴(yán)重變薄甚至拉裂，其極限變形參數(shù)主要受材料的伸長率δj、斷面收縮率ψ、板厚方向性系數(shù)r、板平面方向性系數(shù)Δr等力學(xué)性能及表面質(zhì)量的影響，即取決于材料的塑性；在壓縮類變形區(qū)，如果壓應(yīng)力大于臨界應(yīng)力，就會使坯料失穩(wěn)起皺，其極限變形參數(shù)一般受材料的屈服強(qiáng)度σs、抗拉強(qiáng)度σb、彈性模量E及硬度等力學(xué)性能及表面質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生拉裂危險；金屬材料經(jīng)過多次拉深變形會產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，其塑性大大降低，且材料內(nèi)部存在較大的殘余應(yīng)力，繼續(xù)拉深易產(chǎn)生拉裂或開裂現(xiàn)象，應(yīng)進(jìn)行熱處理.

3 提高寬凸緣筒形零件拉深成型質(zhì)量的控制措施

3.1 嚴(yán)格控制坯料的變形參數(shù)

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

3.2 增設(shè)可調(diào)節(jié)壓料力的壓料裝置

在拉深模具設(shè)計時，應(yīng)考慮增加便于調(diào)節(jié)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(nèi)調(diào)節(jié)軸向壓料力，應(yīng)遵循工序件既不起皺也不拉裂的原則調(diào)試壓料力的大小，其限制距離s值根據(jù)零件的形狀及材料在試模時加以調(diào)整確定，一般情況s=t+(0.05～0.1)mm.壓料力應(yīng)合理適當(dāng)，若壓料力不足，則凸緣變形區(qū)會失穩(wěn)起皺；若壓料力過大，會增加工序件側(cè)立面的拉應(yīng)力，使“危險斷面”拉裂.所以應(yīng)盡量采用較小的壓料力確保凸緣變形區(qū)不失穩(wěn)起皺，一般產(chǎn)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(shù)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(jié)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(shè)計精度、拉深工藝次數(shù)和模具壓邊力等因素，同時還要兼顧板料的增厚現(xiàn)象及其公差.一般情況下，凸凹模間隙c稍大于坯料厚度.當(dāng)采用具有壓邊結(jié)構(gòu)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(shù)相關(guān))計算[5]選擇確定，也可直接按沖模設(shè)計手冊相關(guān)表格選擇；當(dāng)采用沒有壓邊結(jié)構(gòu)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(xué)性能和表面質(zhì)量優(yōu)良的材料

3.4.1 選擇具有良好力學(xué)性能的材料

提高坯料的拉深極限變形系數(shù)，提高零件質(zhì)量.此零件采用08F優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，是含碳量很低，含硅量極少的沸騰鋼，其屈服強(qiáng)度σs≥175 MPa，抗拉強(qiáng)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(qiáng)度最低，塑性最好，屈強(qiáng)比σs/σb和屈彈比σs/E小，板厚方向性系數(shù)r大和板平面方向性系數(shù)Δr小的特點，是制造拉深零件的理想材料，有利于避免產(chǎn)生起皺和拉裂現(xiàn)象.

3.4.2 選擇表面質(zhì)量優(yōu)良的材料

表面質(zhì)量優(yōu)良的材料進(jìn)行拉深時不易產(chǎn)生拉裂和起皺現(xiàn)象，且零件的表面質(zhì)量良好.因此所選材料表面應(yīng)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(yīng)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(yù)防拉裂；對于經(jīng)過多次拉深變形產(chǎn)生嚴(yán)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(fù)其塑性，以消除硬化；另外，可在拉深工序后進(jìn)行去應(yīng)力退火，以防拉裂或開裂.

4 結(jié)語

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