熱等靜壓用半球形鋼包套的拉深模具設(shè)計*

王春武，范雨昳，劉 寧，周 凱，溫曉立，李軍義

(西北稀有金屬材料研究院寧夏有限公司稀有金屬特種材料國家重點實驗室，寧夏 石嘴山 753000)

0 引言

鈹具有高熔點、高彈性模量、高比熱和低熱膨脹系數(shù)，X射線透過性好，熱中子吸收率低等特點。因此，鈹被廣泛應(yīng)用于原子能工業(yè)、航空航天、精密儀器、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件、X射線窗及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等方面。鈹?shù)闹谱鞴に嚥捎梅勰涞褥o壓—一次脫氣—整形—裝包套—二次脫氣—熱等靜壓—脫包套—精加工工藝生產(chǎn)。其熱等靜壓過程中包套的材料選擇、設(shè)計加工是鈹成型生產(chǎn)中重要的組成部分。熱等靜壓鋼包套壓制品的機(jī)械性能可以達(dá)到工業(yè)級鈹粉能達(dá)到的性能極限；在更高溫度下壓制，產(chǎn)品強(qiáng)度稍微降低，但延展性得以改善。由于壓力是從各個方向施加的，通過鋼包套傳遞壓力和保護(hù)產(chǎn)品形狀，得到了顯微組織和機(jī)械性能各向同性的熱等靜壓壓坯[1]。

用熱等靜壓處理物料時，事先需要一層氣密性可靠的包套材料，并且這些包套大多是薄壁的，比常規(guī)石墨熱壓模具重量輕，價格便宜；但是在材料選擇、制作、封焊、檢漏等方面，會涉及一些復(fù)雜的技術(shù)問題，因而，包套的問題被認(rèn)為是熱等靜壓關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文主要介紹了用于半球形鋼包套的制作工藝要求及其拉深模具的機(jī)構(gòu)特點和設(shè)計要點。

原有熱等靜壓機(jī)用半球形鋼包套的拉深模具簡易結(jié)構(gòu)，可以拉深出包套產(chǎn)品，但成品率低(30%以下)，使用壽命短，一套模具最多拉深出幾十到一百多件產(chǎn)品，無法進(jìn)行修復(fù)，直接報廢，成本高。分析原因有以下幾個方面： (1)模具材料選用不當(dāng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，模具材料選用A3鋼板，凸模、凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計上沒有設(shè)計加強(qiáng)筋，經(jīng)過車削加工制成，強(qiáng)度低，模具容易變形，材料的耐磨性差，由于磨損量大，模具磨損快，間隙和位置精度很難控制；(2)壓邊螺栓設(shè)計得少，壓邊力無法均勻控制，壓邊力過小，拉深過程中褶皺，拉痕明顯，壓邊力過大，容易拉裂，拉深出來的產(chǎn)品成“草帽”狀；(3)凸模、凹模圓角設(shè)計不合理，圓角選大了容易造成褶皺、拉痕明顯，圓角選小了容易拉裂，需要進(jìn)一步試驗研究拉深模具圓角的控制范圍；(4)包套材料選用A3薄板，延展性差，產(chǎn)品的成材率低。

1 熱等靜壓用半球形鋼包套的工藝要求

在熱等靜壓工藝中，制品的密度、尺寸和形狀是靠正確的包套設(shè)計來保證的，包套在熱等靜壓的成型過程中起到壓力介質(zhì)作用[2]。金屬包套多數(shù)是用金屬板材，金屬板材一般選用冷壓深沖板，經(jīng)沖壓、機(jī)加工制備出來的，這種包套延展性好，在使用過程中不易損壞，對各種不同的熱等靜壓工藝適應(yīng)性強(qiáng)，缺點是形狀復(fù)雜的包套制取困難，在熱等靜壓過程中收縮量大時容易起皺，使產(chǎn)品變形。

1.1 包套的結(jié)構(gòu)

在熱等靜壓技術(shù)中，對于預(yù)壓或未預(yù)壓的粉末的成型固結(jié)，都必須在密閉的包套中進(jìn)行。其包套的結(jié)構(gòu)見圖1(尺寸保密)，其中內(nèi)外包套較難加工，端蓋較易加工(本文將不講述端蓋的制作方法)。

圖1 包套的結(jié)構(gòu)

1.2 包套的作用

包套的作用首先是在壓制過程中防止壓力傳遞介質(zhì)滲入物料中，其次是使所裝物料壓成一定的形狀。因此，包套材料的合理選擇與設(shè)計加工是當(dāng)前熱等靜壓成型的關(guān)鍵問題。

1.3 包套的材料

包套材料的選擇應(yīng)滿足： (1)氣密性可靠；(2)不與被壓材料發(fā)生反應(yīng)；(3)具有良好的焊接性；(4)在受熱受壓下具有良好的塑性；(5)容易加工成型；(6)容易剝離。

1.4 包套的加工方法

采用拉深的方法可以滿足熱等靜壓包套的結(jié)構(gòu)和工藝要求，這種加工方法可以保證其加工的包套的尺寸與壓坯料尺寸一致。選用的包套材料為A3、 08Al或ST14等，其具有良好的拉深性能，并且滿足熱等靜壓半球形包套的材料要求。

1.5 包套尺寸的確定

鈹工業(yè)中，因為鈹粉昂貴且需要制造復(fù)雜部件，所以重點放在制造最終形狀或近凈部件上，采用近凈型工藝綜合了熱等靜壓、冷等靜壓和燒結(jié)的優(yōu)點，加工余量少且生產(chǎn)成本最低。它們的尺寸只略大于最終尺寸，經(jīng)機(jī)械加工至最終精度，熱等靜壓包套尺寸由產(chǎn)品的設(shè)計決定，在產(chǎn)品最大尺寸外圍加上加工工藝的余量，根據(jù)實際的加工經(jīng)驗，余量一般為3～5 mm，然后再用10%～14%的線性收縮率確定需要的熱等靜壓包套的尺寸。

10%～14%的線性收縮率的推導(dǎo)： 在質(zhì)量相等的情況下，體積和密度成反比，因為熱等靜壓各向壓力是等壓的，或者說在X、Y、Z軸向是一致的，所以體積與X、Y、Z軸向尺寸成正比，在熱等靜壓后，X、Y、Z軸向的壓制前后每向的關(guān)系為，Cd=CP/(ρc/ρp)1/3，其中Cd為熱等靜壓包套尺寸；CP為最終工件尺寸；ρc為工件最終密度；ρp為冷等靜壓的密度；過去試驗測定鈹冷等靜壓的密度ρp為理論值ρc的74%～67%，代入公式可得，Cd為1.10～1.14倍的CP。

2 模具設(shè)計

2.1 模具的結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)包套結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計如圖2和圖3所示的模具結(jié)構(gòu)。其中主要包括凸模、凹模、壓邊圈、支撐環(huán)和墊板等。此拉深模具結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)周期短，與標(biāo)準(zhǔn)模具相比制作費(fèi)用節(jié)省3/4左右。

圖2 拉伸模具3D總裝示意

2.2 模具拉深的工作過程

工作時，首先把凸模9固定在壓力機(jī)上，在凸模9的球面上涂抹均勻的潤滑脂，把墊板6和支撐圈5放在下工作臺立臺7上，把坯料固定在壓邊圈3和凹模4之間，對螺栓11施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，在露出的坯料上涂抹適當(dāng)均勻的潤滑脂，將壓邊圈3和凹模4放在支撐圈5上，根據(jù)凸模9調(diào)整好凹模4的位置，凸模9下行將坯料拉入凹模4內(nèi)，凸模9下行到預(yù)先設(shè)定好的高度停止下行，然后用壓板螺桿10將壓板12固定壓邊圈3上，并施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，凹模9上行，卸下壓板12，抬下壓邊圈3和凹模4，卸下螺桿11和壓邊圈3，最后將工件8從凹模4中取出，就得到拉身后的半成品(用車床切去半成品的余量部分就得到包套的成品。)

1—液壓升降頭；2—T形螺桿；3—壓邊圈；4—凹模；5—支撐圈；6—墊板；7—下工作臺立臺；8—工件；9—凸模；10—壓板拉桿；11—螺桿；12—壓板圖3 拉伸模具總裝剖面示意

2.3 模具設(shè)計要點

2.3.1 拉深坯料的直徑計算

拉深坯料直徑的計算，可以確定凹模、壓邊圈的直徑。包套拉深坯料直徑要根據(jù)拉深后的半成品(見圖4)來計算，可參照如下公式[3]：

圖4 拉伸后半成品示意

(1)

式中，D0為坯料直徑；R為球包套的球半徑(中徑)；dr為翻邊外圓；d為直腔中徑；h為總高；rg為凹模圓角中徑。

舉例說明： 當(dāng)R=45 mm，dr=120 mm，d=90 mm，h=180 mm，rg=15 mm時，代入公式(1)

2.3.2 拉深凹模圓角半徑

拉深凹模的圓角半徑(見圖5)對拉深過程有很大的影響。毛坯進(jìn)入凹模要經(jīng)過彎曲到重新被拉直的過程。若凹模圓角過小,將增加彎曲抗力而導(dǎo)致破裂；若凹模的圓角過大，將會因毛坯在壓邊圈下的面積的減小和毛坯外緣過早離開壓邊圈而產(chǎn)生皺折，當(dāng)皺折部分進(jìn)入凸、凹模的間隙，將會造成毛坯的破裂。因此，合理選擇凹模的圓角是非常重要的。凹模圓角半徑的平均值rd可按下式計算[4]：

圖5 凹模的圓角半徑

(2)

式中，D0為拉深前坯料的直，D為凹模內(nèi)徑；t為材料的板厚；一般包套的板厚t=2 mm；K為系數(shù)，t=2 mm時，K=0.8。舉例說明： 當(dāng)D0=262 mm，D=94 mm，K=0.8時，代入公式(2)：

2.3.3 拉深凸、凹模的間隙

拉深凸、凹模間隙(圖6)是指單邊間隙，即凸、凹模直徑差的一半。拉深間隙的大小，對拉深力、制件質(zhì)量和模具壽命有影響。間隙過大容易起皺；過小，則筒壁變薄嚴(yán)重，甚至拉斷，同時令降低模具的壽命。確定間隙時必須考慮板料本身公差，圓筒型件口部的增厚以及拉深的精度要求[5]。初次拉深時間隙：

圖6 凸凹模間隙

(3)

2.3.4 模具的材料及加工要求

模具材料： 凸、凹模、壓邊圈及支撐環(huán)均采用鑄鋼(ZG45)，并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理(HB245～285)，以獲得有一定高強(qiáng)度又有良好韌性的綜合力學(xué)性能。

加工要求： 凸模先采用普通車床粗車(球面和直腔留量)，再經(jīng)球面特種車床精車球面和直腔；凸、凹模的工作平面的表面粗糙度要達(dá)到0.8 μm以下，以便凸、凹模的工作表面與坯料之間的相對滑動不產(chǎn)生拉痕，因此，凸、凹模的工作表面要經(jīng)過研磨、拋光處理；墊板上下的兩個工作面的表面粗糙度也要達(dá)到0.8，使凸模下行時，凹模自動定心，所以也要經(jīng)過研磨和拋光；凹模、支撐圈和墊板上下兩平面的平行度要控制在0.1 mm之內(nèi)。

2.3.5 拉深時的潤滑

在拉深的過程中，坯料與模具的接觸面之間要產(chǎn)生相對的滑動，因而有摩擦力的存在，摩擦力會刮傷模具和工件表面[6]。由此可見，在拉深的過程中，需要減小摩擦力的工作部位，其表面粗糙度要小，而且必須潤滑，從而減小摩擦力，提高拉深工件的質(zhì)量和模具的壽命。在包套的拉深模具中，一般加的潤滑脂為三號鈣基潤滑油。

3 使用效果

粉末的熱等靜壓近凈成型必須使用專門的包套，包套可以包覆粉末材料以屏蔽氣體進(jìn)入粉末內(nèi)部，以保證其氣密性，同時還可以充當(dāng)模具角色，以達(dá)到控制最終零件形狀的目的[7]。通過生產(chǎn)統(tǒng)計，此種拉深模具加工出來的工件合格率達(dá)到了99%以上，模具使用壽命長，并且可以經(jīng)簡單修復(fù)后繼續(xù)使用，仍能保證加工精度要求。拉深出來的內(nèi)外包套是近凈型，包套與冷等靜壓整型后坯料配合間隙小于0.3 mm，完全能滿足熱等靜壓半球形工藝產(chǎn)品的要求，熱等靜壓產(chǎn)品有較高的成品率。

4 結(jié)束語

鋼包套是熱等靜壓近凈形成型的關(guān)鍵技術(shù)，包套的結(jié)構(gòu)、設(shè)計原則、制備、裝配等內(nèi)容是成型成敗的核心內(nèi)容之一，為保證包套裝配、制備或坯料成型的順利進(jìn)行，利用沖壓拉深模具加工半球形鋼包套的加工方法，科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、快捷地解決了包套加工的難點。