导流罩类零件成形工艺研究

王亚清

摘要：本文通过对材料为高温合金的导流罩零件结构分析，确定出一套典型的成形工艺方法，并对零件在加工过程中出现的主要问题进行研究，制定出切实可行的解决措施，成功的生产出零件的方案。

关键词：导流罩  成形工艺  拉深  起皱  破裂

1 概述

由于高温合金是在高温下有较高的力学性能，抗氧化性和抗腐蚀性能的合金，为了满足航空发动机性能提高的要求，高温合金不仅在冶金理论和实验技术方面，而且在生产工艺方面也有了很大的进步，已经广泛作用做制造航空、航天等高温工作的构件的材料，因此钣金成形工艺研究及其推广有着重要的意义。导流罩属于典型的高温合金钣金冲压成形的零件，材料为GH4169，零件要求精度较高，沿流道的轮廓度为0.2，跳动0.15，通过对其的工艺性以及难点进行分析，将几种典型的工艺方案进行比较，定制出合理的方案，通过改进模具的结构和材料热处理手段，解决零件试制过程的质量问题，摸索出一套成功的经验，为今后类似零件的成形奠定了基础。

2工艺性分析

2.1 零件的工艺性分析

导流罩属于环形旋转体成形，成形后外径尺寸为240mm，内孔为139.3mm，零件的型面尺寸是坐标尺寸，沿流道的型面行为公差要求较严，跳动0.15，轮廓度0.2，对于薄壁冲压成形的零件，成形后材料的回弹很难保证尺寸要求，而且内孔的公差为0.1。根据零件的特点，可以采用旋压或者拉伸成形工艺来加工此零件。

旋压成形工艺零件的贴模性好，尺寸精度高，零件的回弹小，并且旋压属于局部连续性加工，瞬间的变形区小，所需总的变形力较小，变形区大部分处于压应力状态，变形条件较好，易于加工形状复杂零件或高强度难变形材料零件，为了提高零件的表面质量和成形极限，往往需要经过多道次来完成，能够有效的保证零件的成形尺寸;采用冲压拉伸来成形该零件，由于材料为高温合金，强度大，零件成形时的抗力大，回弹较大，很难保证零件的成形尺寸。分析比较上述两种成形工艺方案，旋压成形较适合该零件的加工，但是由于设备资源限制，确定采取冲压拉伸成形工艺加工。

2.2 冲压加工的工艺方案的确定

2.2.1确定零件的成形尺寸

经过上述分析采用拉深成形，首先确定零件拉深的形状尺寸，需要在零件的底部加一个底，由于拉深时底部的圆角直径的大小影响拉深件的质量，故选择一个大圆角的底部，避免零件的拉深出现裂纹。由于零件的直径尺寸较大，拉深过程中零件的凸缘部分的变形程度由于受到材料的机械性能的方向性、模具间隙不均匀、板厚的变化、摩擦阻力不等以及材料定位不准地影响，零件的口部不齐，故在零件口部增加修边余量，根据上述原因确定零件拉深成形后的毛坯形状为圆形毛坯。依据导流罩的毛坯形状，将导流罩分成5部分计算零件的表面积得出各部分表面积之和为70650.2，根据表面积相等的原则，得出展开料的直径为 =300mm

2.2.2 确定零件的拉深次数及成形方案

1）根据零件的拉深系数的计算方法，首先确定是否采用压边圈：

毛坯相对厚度：（t/D）x100=（1.2/300）x100=0.4，根据经验应采用压边圈。

2）确定零件的拉深次数，采用计算法：当t/dx100=0.4，和h/d=52/139=0.37

由此可见，零件的相对高度较小，能够一次拉深成形。

2.3.3 确定零件的成形过程和模具

根据前面的计算，导流罩采用一次拉深成形，零件的变形过程为先拉深成形内孔，当内孔达到一定的程度时，在成形外径，采用反拉深成形工艺，但是由于零件的跳动和轮廓度要求较高，故零件的退料机构不能设置在型面位置，以免影响零件的尺寸精度，将退料机构设置在零件的补充的底部，为了更好的保证零件的尺寸精度，将模具间隙设置为最小，防止由于材料的弹性变形影响轮廓度和型面尺寸，让材料在受限制的条件下发生足够的塑性变形。

3 试制过程中出现的质量问题及解决方案

3.1零件型面起皱问题及解决方法

零件在首次拉深时，在零件刚刚接触到模具成形时，在凸缘部分出现褶皱，对导流罩的成形过程进行分析导流罩的毛坯，在凸凹模的作用下，开始进行拉拉深。随着凹模的下压，在凸模的作用下，迫使材料拉入凹模，形成了筒底，凹模圆角，筒壁，导流罩底部以及拉入凹模的凸缘五个区域。凸模继续下压，凸缘部分的材料继续被拉入凹模转变为环形体，直至凸凹模的型面完全贴合位置，拉深过程全部结束形成导流罩拉深形状。

由此可见，拉深变形主要集中在含在凹模部分的材料上，此处的材料变形最大，凸模的压力作用于筒底，通过逐渐形成的筒壁，将压力传递到外缘部分使之变形，将其逐渐收缩。在外缘部分取出一个扇形单元体，进行其在拉深过程中的受力分析，由此可见凸缘部分在成过程中受到切向压应力σ3的作用，而在径向上受到拉应力σ1的作用，即材料在成形过程中在切向受压缩的同时被拉着向凹模方向流动，形成筒壁。

由上述锥形体的形成过程可以发现，零件凸缘起皱的主要原因主要有以下两个方面：一是外缘部分起皱主要由于零件在成形过程中的压边力过小，无法抵制过大的切向压应力造成的切向变形，失去稳定，形成皱纹;二是材料为GH4169高温合金，抗拉强度为1270MPa是普通结构钢的3倍，而伸长率只有12%，比普通结构钢低50-60%多，零件的变形抗力大，需要采用提高材料的塑性，对材料进行软化，增加固溶处理，提高其塑性，使材料在零件成形过程中的抗力小，将工艺路线调整为固溶——首次拉深。经固溶处理后进行试验，起皱现象消失，但当零件成形尺寸达到总深度的一半时，模具将零件夹在凸凹模中间，导致上下模无法分开，并且零件底部出现裂纹。

3.2零件筒底裂纹问题及解决方案

观察导流罩的成形过程可以发现造成筒底部分出现裂纹的主要因素是导流罩在成形的过程中筒底圆角的坯料在拉应力的作用下，产生径向的和切向的伸长变形，表面积增加，厚度减薄。由于该处的深度较高，金属补充困难，材料又为高温合金钢板，材料的塑性低，强度大，变形的抗力大，阻止筒壁的材料流动，再加上未变形区和小变形区对此处变形的牵制作用，这时圆角处成为坯料变形的强区，通过毛料减薄来补弥补金属的变形速度，使其与变形弱区的变形速度一致性，导致圆角处材料的拉应力超过材料的抗拉极限，致使零件圆角处的变形量过大而开裂。具体情况如下：一是由于零件在成形的过程中，凸模的压力全部作用在导流罩的底部，此时导流罩形成筒底部分材料全部靠毛坯外侧的原材料来补充，而材料的流动又受到凸凹模的限制，压边力大，这时拉深变形阻力大于导流罩底部和筒壁的承载能力，达到了材料的变形极限，发生了材料变形模式的转变，产生破裂。二是模具间隙小，材料在成形过程中的流动受到限制，阻力大大增加，材料的变形抗力大，造成零件破裂。三是零件成形过程中的润滑不好，压边圈过于粗糙，整个内孔形成的圆筒件的材料全部从外缘补充，如果润滑不良，材料的流动性不好，无法补充材料的塑性变形，造成底部开裂。

综上所述：消除导流罩的破裂和模具卡死要从下面几个方面入手：① 適当加大模具间隙;② 改善润滑条件;③ 修正毛坯尺寸;④消除材料的应力。

制定上述措施后，将模具的间隙放大到料厚的1.1倍，即保证双面均匀间隙1.3mm，将毛坯尺寸由300mm调整为295mm，减少压边，同时增加零件的固溶工序，在零件加工时在毛坯的下面涂抹二硫化钼作为润滑剂，上面覆盖一层塑料薄膜，减少材料在成形过程中的摩擦，改善材料的润滑条件，经过试验，零件裂纹消失，尺寸较稳定。

3.3零件热处理时效后跳动和内径尺寸小问题及解决方案

零件成形后，在固溶时效后进行尺寸检验时发现跳动尺寸超差0.1mm，内径139.3mm的尺寸仅有138.3mm左右，对零件的成形过程进行分析得知，零件在拉深成形过程中发生塑性变形的同时还有一部分弹性变形，在零件固溶时效后，弹性变形消失，造成零件缩口，直径变小，跳动超差也是受零件弹性变形的影响。由于为了保证零件的轮廓度和跳动，零件车去底后，进行采用夹具进行热定型后时效处理并增加胀形工序，保证了零件的内径尺寸精度要求。胀形模具采用的是涨瓣结构的涨型简易模具，下模是一个分为四瓣的的涨块，上模一个锥形凸模，将导流罩套在涨瓣上面，逐次调整模具形成，直至零件的内孔尺寸为139.3mm，然后将零件在模具上面沿周向旋转4次，保证零件内孔的圆度，最终保证零件的内孔尺寸。

4.结论：

在导流罩成形工艺过程的分析和实际生产中存在的质量缺陷进行研究，在高温合金材料环形体零件拉深的成形过程中，首先要掌握金属变形规律，有效控制金属的流动，清楚的认识各种基本成形工序的变形特点是制定成形路线的关键;正确的分析成形件的工艺性对制定冲压工艺方案，进行模具设计，提高制件质量很重要，首先要识别主导地位的工序性质。其次是要判断决定制件加工极限的工序类别，控制破裂和起皱极限;合理制定毛坯形状和模具结构，零件毛料形状、模具压延筋的布置以及冲压过程的压边力的大小，使零件拉深过程中出现破裂、起皱等现象的决定性因素;合理使用压延筋可以控制材料的流动趋势，使材料的成形厚度均匀，防止局部起皱，但压制力过大会使材料过度变薄而破裂;压边力的大小主要是为防止起皱，同样存在力值过大会使材料过度变薄而破裂的问题。毛料尺寸和形状也是零件成形关键。