复杂型面非回转体薄壁零件成形工艺研究

王亚清

摘要：本文研究了复杂型面非回转体薄壁零件冲压成形的方法，通过对零件结构进行分析，采用正、反两次拉伸和局部翻边成形相结合的工艺方法，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，成功解决了该零件成形质量问题，提高了复杂型面非回转体薄壁零件的加工水平。

一、引言

冲压是金属塑性成形加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也称为板料成形。板料成形生产技术对航空、航天、国防、汽车、船舶以冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率δ≥16%、屈强比σs/σb≤70%，低合金高强度钢δ≥14%、σs/σb≤80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。

冲压加工过程中易产生壁折皱、壁破裂、体皱折等缺陷。该零件的材料为不锈钢0Cr18Ni9，壁厚为0.8mm，零件外形为不规则形状，属于盒形与筒形的复合拉深成形，同时内孔翻边高度较大并端部存在局部成型，零件需要多次正、反拉深相结合的复合成形，在拉伸的过程中由于材料存在塑性失稳，容易引起起皱现象，在反拉伸的过程中，由于材料流动较困难，零件的转接圆弧较小，零件转接处及顶部两处尖点极易产生应力集中出现裂纹，运用钣金模拟软件对该零件的工艺性以及难点进行分析，订制出合理的方案，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，确保复杂型面非回转体薄壁零件成形质量。

二、零件的工艺性分析

2.1零件结构分析

该零件属于典型的钣金冲压成形的零件，形状较复杂，材料为0Cr18Ni9板料，厚度0.8mm，内孔直径为φ254mm，外径的直径为φ458mm，内孔与外径的直径差较大为204mm，且内孔的拉伸高度较大为35mm，需要充足的材料进行补充，拉深成形时材料的变形量很大，拉伸过程中的减薄量大，很容易在拉伸过程中在内孔处出现裂纹。

0Cr18Ni9为奥氏体不锈钢，含铬大于18%，还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。该材料综合性能好，可耐多种介质腐蚀。这类钢具有良好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性能，广泛用于制造深冲成型零件。奥氏体不锈钢一般采用固溶处理，即将钢加热至1050～1150℃，然后水冷或空冷，以获得单相奥氏体组织。表2-1，表2-2和表2-3分别为0Cr18Ni9的化学成分，力学性能和热处理工艺参数。

2.2零件拉深的力学分析

该零件集成了筒形件和盒形件拉伸的特点，需要从盒形件和筒形件成形特点分别进行分析;筒形件的变形特点为：在凸模冲头下行过程中，毛坯质点沿径向移动，使毛坯法兰部分产生塑性变形，并逐渐进入凹模口部，产生弯曲变形和校正，最终产生筒壁。法兰区受到切向压应力，产生压缩变形，壁厚略有增加。板材在拉深过程中，筒壁传力区的应力状态为径向单向拉伸状态;盒型拉深零件，圆角具有拉深性质，材料切向收缩;而直壁部分理论上为弯曲变形，但零件为一整体，变形时的应力，应变都是连续的。拉深变形区逐渐过渡到弯曲变形区。

2.3 零件的工艺难点分析

通过对该零件的结构分析以及拉深零件的成型力学分析，该零件的成形技术难点在于：

1 该零件形状复杂，金属流动难以定量分析;

2 传力区及圆角区变形量大，易开裂，难以一次成形;

3 零件的外形属于筒形件和盒形件的复合成形，在盒形的转接圆角处易开裂。

4 零件内孔局部翻边，零件为非回转体，无法旋压成形，需要特殊的模具来保证成形质量。

针对上述工艺难点，需要考虑在冲压过程中采用一些有效的措施和合理的工艺路线以及热处理手段，提高材料塑性，减少成型过程中的摩擦，便于板料流动成形，提高零件成型质量。

三、零件成形工艺方案的确定

3.1确定零件的毛坯尺寸

经过上述分析该零件采用拉深成形，首先确定零件拉深的形状尺寸，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。根据表面积不变原理，确定零件拉深成形后的毛坯形状。展开料形状及尺寸的确定，直接关系到拉伸工艺的进行、拉深件的精度及质量，对整个拉伸过程的顺利进行至关重要。在此件中，为保证拉深的效果，必须保证足够的压边面积。但过大的压边面积会使拉力过大易造成成型应力集中处断裂。

对于形状复杂且无相关经验公式计算展开料的的冲压件，如何展开料的计算便成为制约工艺规程编制的重要因素。因此，借助有限元的计算方法便很好的解决了这一难题。

在Pamstamp中，集成Inverse模块，该模块是一步的逆向求解器，用于给出冲压件展开形状的快速估计并进行最终零件检验。将在UG中的数模导入Inverse模块中。经反算的坯料尺寸为φ461mm，加上單边10mm的余量即可应用于生产，经在实际加工过程中修边，确定最终毛坯尺寸。

3.2 确定零件成形工艺路线

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）×100=（0.8/458）×100=0.17，查表3-2，应采用压边圈。

2）确定零件的拉深次数，采用计算法：当t/d×100=0.17和h/d=35/458=0.08由此可见，零件的相对高度较小，能够一次拉深成形。但由于内孔与外径的直径差较大且内孔的高度较高，成形过程中材料流动困难，无法补充内孔成形所需的材料，容易在内孔的圆角区域以及盒形件的圆角区产生裂纹。故需要多次成型，故确定零件的成型工艺路线为：下料（Φ550）—拉深—退火—二次拉深—开内孔—拉深校整—车端面—固溶—翻边成形，采用该工艺路线，应用Pamstamp-autostamp模块对实际加工过程进行仿真分析，可以直观观察零件在成形过程中容易发生破裂的区域为凸模圆角与传力区。该处由于材料流动过程中，发生缩颈，易发生强度破裂。零件在翻边过程中，由于切向受拉应力，导致外缘容易发生破裂。

四 零件成形试验和工艺验证

试验设备采用研模试冲液压机，该设备公称压力为400t，滑块行程为1000mm，拉深垫压紧力为50t，顶出力为50t，该设备速度可调，适于复杂零件的拉深成形。

该零件的第一次拉深是在该设备上面进行的，首次拉深时产生裂纹。经对零件在成型过程中受力情况进行分析得知，该零件在矩形盒的圆角区产生裂纹，主要是由于圆角处的压边力较大以及圆角区的材料在拉伸过程中受到的拉应力较大，故易产生裂纹。通过改变毛坯圆角的大小，增加圆角半径，减少压边力，以及在局部改善润滑方法，在圆角区采用塑料薄膜进行润滑，减少摩擦，利于材料流动，再次进行试验时裂纹消失，零件表面状态较好，保证成形质量。

第二次拉深试验是该零件成形的关键，该成型工序较复杂，正反拉深同时存在，且零件成形所需的材料需要从第一次拉深的筒壁处补充，材料在流动面积较大，摩擦力阻力较大，反拉深区域的材料补充较困难，容易在转接圆角处产生裂纹。另外，圆筒底部在第二次成型过程中受到压应力的作用，压边力的大小对该表面质量影响较大，需要调整合适的压边力保证零件表面质量。为了进一步提高材料塑性，在二次拉深之前对半成品进行固溶处理，固溶热处理是将奥氏体不锈钢加热到1050℃以上，使碳化物全部或基本溶解在奥氏体晶粒中，即碳固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使碳达到过饱和状态。奥氏体体钢的固溶处理即为软化处理，因此可以提高不锈钢的延伸率，降低其变形抗力。经固溶处理的预成形件出炉后在成形模上拉深成形，材料内应力小，变形阻力减低，塑性提高，零件表面质量满足要求，无裂纹和皱纹产生。

最终翻边工序是该零件的难点，由于零件属于非回转体，翻边部位在零件内孔处，距底面的高度较小，无法进行旋压加工加工，需要采用成型模具进行翻边，由于该零件结构较复杂，需要设计特殊结构模具保证该零件的翻边要求，经与研究，选用内外胀块式分瓣刚性模具进行成形加工，经试验该零件的翻边尺寸完全满足图纸要求.

五 结论

通过该类零件的成形工艺研究摸索出一套关于大型复杂薄壁零件的成形工艺方法，总結了模具圆角大小、润滑方法以及热处理制度对不锈钢成形质量的影响，克服了零件在生产过程中的起皱和裂纹的质量问题，保证零件成型质量。为薄壁圆筒盒形复合成形、大直径比以及局部成形相结合复杂零件的成形工艺研究奠定了基础，也为今后类似零件的生产提供了经验和技术支持。

参考文献

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