薄壁壳体拉深工艺及模具设计
2015-11-30北方华安工业集团有限公司姜焕成张立岩
■北方华安工业集团有限公司 姜焕成，张立岩
薄壁壳体拉深工艺及模具设计
■北方华安工业集团有限公司 姜焕成，张立岩
对某薄壁壳体拉深工艺进行分析，介绍了板材毛坯拉深成形的工艺过程，经过毛坯直径和拉深次数的计算方法，反复拉深，成形出表面质量理想的壳体零件。
我公司承担的某产品中一关键件（见图1）为典型的不等壁壳体类零件，材质选用H96黄铜。设计精度较高，局部径向公差仅为0.1mm，且零件外观要求严格，表面不允许有深度大于0.1mm的划伤和压痕。
1. 工艺性分析
该零件为开口空心制件，最薄壁厚仅有1.5mm，属冷冲压中典型的板材拉深件。由于产品各处壁厚不均，δmax=3mm，δmin=1.5mm，相差较大。为保证设计要求，选取厚度为3mm板材进行拉深成形。
板材拉深成形有两种方法：等壁拉深法和变薄拉深法。
（1）等壁拉深法 将壳体拉深成壁厚相等的半成品，后续采用机加或旋压工艺方式加工至最终成品。但机加工必然产生大量材料浪费，而旋压易导致外表面撕裂，且需在不同类型设备间周转，增大了产品外表面磕碰的几率，为外观质量控制增加难度。
（2）变薄拉深法 变薄拉深细分为两种，直径缩小的拉深和直径不显著缩小的拉深。第一种拉深是在极度困难的条件下进行的，制件在复杂拉应力作用下常导致拉断。较好的方法是首先进行等壁厚拉深，再通过多次直径变化很小的变薄拉深至最终成品。该方法不仅能保证产品质量，且生产效率较高，制造成本低，适合大批量生产要求。
通过以上分析，决定采用变薄拉深法生产。
2. 工艺设计
（1）坯料尺寸确定 毛坯尺寸通常按体积相等法、质量恒定法和表面积相等法确定。根据零件实际情况，本次计算采用体积相等法。利用CAD/CAM软件进行三维实体设计（见图2），经计算成品体积为80.5cm3。考虑到拉深后零件圆筒上沿是不整齐的，须经落料切边。据文献介绍黄铜制件必须切去高度5%～8%，加之中间退火工序火耗，故实际下料体积暂定为90cm3。D值按下列公式计算
式中 D——毛坯直径，mm；
V——壳体下料毛坯体积，V=
90×103mm3；
t——毛坯厚度，t=3mm。
经计算确定坯料尺寸为φ195mm×3mm。
（2）拉深次数确定 等壁厚拉深次数确定。已知D=1 9 5 m m，t=3 m m，则t/ D×100 =1.5。依据设计图样，将不等壁拉深时产品外圆尺寸设计为φ62mm。所以∑m总=d/D=62/195=0.31。查文献表29，取m1=0.52，m2=0.76，则m3=∑m总/m1×m2=0.78。第1次拉深直径d1=m1D=101.4mm，实际取d1=102mm；第2次拉深直径d2=m2d1=77.52mm，实际取d2=77.5m m；第3次拉深直径d3=m3d2=60.45mm，实际取=62mm。
图1 零件简图
图2 零件实体设计
变薄拉深次数确定。据文献介绍，变薄拉深极限拉深系数
式中，n为变薄拉深极限系数，tn、tn-1为相邻道次制件厚度。代入变薄前后制件壁厚，计算n实际=1.5/3=0.5，文献介绍黄铜极限变薄拉深系数n铜=0.55，因为n实际＜n，故需两次拉深成形，即t1=2，t2=1.5。
（3）零件热处理 金属拉深时，侧壁上部的晶粒被强烈粉碎、伸长。随着内部晶格复杂畸变，产生的残余应力阻碍位错运动，使得材料抗外力变形能力增强，宏观表现为基体产生明显的冷作硬化现象，即塑性显著降低，延展性变坏，深度拉深后底部易产生裂纹。黄铜拉深时，为恢复塑性，每次拉深后都需要进行适当的退火处理。
综上所述，零件拉深工艺流程为：下料→一、二、三次拉深→一、二、三次拉深退火→一、二、三拉深酸洗→变薄拉深→退火→精整、翻边→落料成形。具体工序见图3。
3. 模具设计
依据工厂现有情况，结合类似产品加工经验，该零件冷冲压成形工序集中在1000kN油压机和400kN摩擦压力机上进行。
（1）等壁拉深模具设计 等壁拉深模具设计如图4所示。模具设计中遵循通用化、标准化原则，尽量结合现有模具结构进行改进，以更换凸凹模、定位套及压料器等为手段，降低整体模具制造成本，提高快速换型效率。
（2）变薄拉深模具设计 变薄拉深模具设计如图5所示。该模具为组合模具，将变薄拉深模具和翻边模具分别安装在设备的不同工位上，通过顺序拉深，将几道工序结合起来完成，提高生产效率，实操如图6、图7所示。
图3 零件工序
图4 等壁拉深模具
图5 变薄拉深、翻边组合模
图6 等壁拉深
图7 变薄拉深、翻边组合模
4. 结语
该工艺方式及模具经产品通关批、首批两个批次试验，完全满足设计要求，提高了材料综合利用率及生产效率。同时采用快速换型手段，降低模具制造成本，生产方式满足批量生产要求。该工艺方式的成功应用，对同类开口型薄壁壳体类零件深拉深加工具有一定的借鉴意义。
20150706
