不锈钢件冲孔翻边产生开裂时的解决方法

摘要：针对不锈钢件冲孔翻边时存在的开裂问题，制定出改变应力状态工艺方法，解决了塑性差的不锈钢件冲孔翻边时开裂的问题。

关键词：塑性；应力；应变；变形；摩擦力

一、引言

汽车消声器由于受到工作环境的影响，要使用耐腐蚀的不锈钢制造。众所周知，不锈钢中各合金元素含量较高，因此它有较高的硬度、强度，但是，受到合金元素的影响，其塑性有所降低。在冲孔翻边时，材料塑性的降低，也影响了冲孔翻边后的工件质量。

二、问题的提出

我厂生产的汽车消声器前法兰为不锈钢冲压件，材料为1Cr18Ni9Ti，厚2mm，在冲压生产过程中分为落料、压型、冲孔翻边（复合）、冲小孔（连接孔）四道工序完成（如图1）。在翻边工艺参数确定时，以碳钢件为基础，并参照不锈钢的性能对翻边系数m进行了参数的修正。在试生产时，分别以碳钢和进口不锈钢（304）进行了小批量试制，各部分均可达工艺要求。但是，在后来的正式生产中，按照图纸要求使用1Cr18Ni9Ti不锈钢，工件产生开裂达90%以上，工件口部存在微小裂纹的可以使用，而严重的裂口或拉裂、拉脱就只能报废，生产中因口部开裂严重而报废的件占40%左右。

三、问题的分析和解决措施

在翻边时，要受到下列因素的影响：①材料的塑性。②孔的边缘状态。翻边前孔边表面质量高（无撕裂、毛刺）时就有利于翻边。③翻边前孔径d和材料厚度t的比值d/t。d/t愈小愈利于翻边成形。④凸模形状。抛物线（球形、锥形）凸模由于在材料变形过中是逐渐变形，因此较平底凸模更有利于翻边成形。⑤翻边孔的形状。内孔翻时圆形孔易翻边成形。

根据翻边时的变形情况，对预冲孔边缘内外层金属作了应力分析，金属材料在变形区的应力状态为：内层为径向、切向的两向拉应力，厚度方向压应力（如图2）而外层金属为径向、切向的两向拉应力（如图3）。在金属材料沿凸模表面流动过程中，在受到凸模的挤压力的作用下，因料厚的原因，外层金属的应变速率和变形程度都要大于内层金属。主应变是切向变形，在主应变方向上的拉应力，而材料处于拉应力状态时，塑性最差，最易产生破坏，当变形应力大于材料强度极限时，就会产生剪切破坏而拉裂。

1Cr18Ni9Ti不锈钢材料塑性差，性能也不稳定，在变形过程中加工硬化现象较为严重，而且工件冲孔后断口质量不好，在变形时易受到应力集中的影响，有微小的毛刺存在，在压型之后进行冲孔翻边过程中，极易产生开裂现象。

经过对现场使用的模具使用情况检查观察，发现在翻边时凸凹模发热特别严重，工件与模具发生较为严重的沾结现象，在翻边过程中在模具表面易形成沾结瘤，从而加大了摩擦。使用的模具材料是Cr12MoV，属Cr12型钢，与不锈钢中的Cr有同素亲和作用，在变形过程中强烈的摩擦，容易使材料与模具发生沾结，金属继续流动时受到的纵向拉应力进一步加大，而使工件发生开裂。

基于上述因素，为解决在冲孔翻边时引发的工件开裂问题，采取了如下几方面的措施：

1.在冲压过程中，用常用的机油、黄油、塑料布等润滑剂加强对模具和坯料的润滑。

2.增大翻边系数m，即增大压型深度、减小翻边高度的方法。

3.用钻头钻扩孔，改抛物线凸模翻边的工艺方法，以降低变形速率，提高断面表面粗糙度，减小翻边时因产生的局部应力集中而形成的开裂。

以上几种方法分别进行了单项和综合使用，但收效甚微，虽然翻边时的开裂率稍有降低，但开裂率也有30%～35%。

为此，我们从减小摩擦力、降低模具发热入手。考虑到如果能在变形金属与模具间垫加一层导热性较差的石墨乳、锯木屑等非金属材料，应该能起到减小摩擦力、降低Cr的同素亲和力的作用，为此，分别以两种材料作润滑济（如图4），各取了50件压型后的件进行了冲孔翻边试验。考虑到锯木屑松，不易附着在模具及坯料上，在使用中将木屑与机油混合起来，涂在坯料内侧与翻边凸模接触的地方，经过试冲，收效果较好，冲孔翻边时的废品率控制到了10%以下；之后又采用模锻模用石墨乳加锯木屑，基本消除了裂口和拉脱等严重开裂，但小的裂口依然存在，仍影响着产品质量。

由于在工件翻边时口部的外层金属处于两向拉应力状态。在塑性变形时，如果改变金属变形时的应力状态，在两向拉应力的基础上增加一压应力，无凝会改变金属的塑性，有利于金属的变形。若在翻边时在金属变形区的外层垫加一层塑性好的金属，即可使变形的外层金属在变形时在厚度方向受到一个压应力作用，改变变形时的应力状态，这既能提高材料的塑性，又能减小材料与翻边凹模中的Cr的同素亲和作用力，减小摩擦力，避免发生材料与模具因同素亲和力的作用而产生的沾结。这样就可最大程度地减小翻边时的开裂（如图5）。为此我们先在原来钻孔后的压型件进行试冲，即在翻边时在工件变形区的外侧凹模内侧垫加一层厚0.2～0.5mm的（Q235等）铁皮，共131件，无一开裂。为进一步验证该方案的可行性，又取压型后未钻孔的件进行冲孔翻边复合成型（平凸凹模），也在冲孔翻边时在工件上垫加一层厚0.2mm的（Q235）铁皮，结果1012件无一产生开裂，工件全部合格。

四、效果及应用

后经两个批的试用，效果堪好，基本消除了因材料原来产生的冲孔翻边时产生开裂而造成的废品问题，只有少数件在口部有微小的开裂，没出现以往拉脱、大裂口等影响产品使用的缺陷。既确保了生产进度，降低了产品废品损耗，又显著地降低了成本。此方法在以后其他厚板件的冲孔翻边工艺中得到了推广使用，获得了好的效果。