不銹鋼封頭成形探究及模具設(shè)計(jì)

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封頭尺寸如圖1所示，此封頭用于某鐵路貨車儲(chǔ)風(fēng)缸，材質(zhì)為T4003不銹鋼，厚度為6mm，封頭與缸體進(jìn)行組焊，要求成形后直徑差小于1mm。隨著對(duì)工藝質(zhì)量的精益求精，尤其是在不銹鋼成形方面，在保證應(yīng)有的工藝尺寸條件下，對(duì)表面質(zhì)量提出了更高的要求，不銹鋼加工后表面不能出現(xiàn)劃傷、壓痕、拉毛等質(zhì)量問題，所以在模具設(shè)計(jì)、鑲塊材質(zhì)選擇、加工精度等方面需要認(rèn)真分析確認(rèn)。

一、封頭工藝分析

封頭為無凸緣結(jié)構(gòu)，底部為球面，側(cè)壁為筒形，采用圓角過渡，其加工工序?yàn)椋洪_卷裁料→剪切條料→模具落料→模具壓型→掃邊→修磨去毛刺。除壓型工序外，其余工序均為生產(chǎn)車間成熟工序，壓型工序需要重新設(shè)計(jì)模具。此封頭與一般儲(chǔ)風(fēng)缸封頭相比，材質(zhì)由Q235鋼改為不銹鋼，材料變厚，表面質(zhì)量要求更高。封頭毛坯形狀為圓形，成形方式為拉深，在拉深過程中，材料很大部分在凸模下方，極易導(dǎo)致封頭圓形直壁部分在成形過程中起皺，而且起皺后很難消除。其次，封頭在成形過程中，板料變形使材料流動(dòng)阻力增大，工件與模具之間產(chǎn)生較大的摩擦力。而此封頭材質(zhì)為不銹鋼，有較強(qiáng)的粘滯性，成形后硬度顯著提高，材料與模具表面極易在某些點(diǎn)上由于壓力而粘連在一起。隨著成形的進(jìn)行，加劇了模具磨損，工件表面也產(chǎn)生劃傷，從而影響模具壽命和工件表面質(zhì)量。最后，考慮生產(chǎn)制造成本，模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、小巧、使用方便、操作簡(jiǎn)單。

二、沖壓工藝方案計(jì)算分析

之前生產(chǎn)過的類似封頭為4mm厚的Q235鋼，采用帶有壓邊結(jié)構(gòu)的模具，并且由于拉深深度較大，模具設(shè)計(jì)的比較大，采用拉深凹模底邊與工件拉深后回彈量配合完成卸料。此次由于板料厚度、尺寸和材料調(diào)整，為了保證工件能夠順利成形以及模具設(shè)計(jì)，對(duì)工件進(jìn)行必要的工藝計(jì)算和分析。

1工藝計(jì)算

⑴成形力計(jì)算：P=K×π×d×δ×σb≈148噸，根據(jù)計(jì)算及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇315噸油壓機(jī)。⑵是否采用壓邊圈：采用現(xiàn)有落料模具落料此工件。落料工件展開尺寸D=φ311mm，成形后直徑d=φ248.5mm，相對(duì)厚度為(δ/D)×100≈1.93，在首次拉深中，當(dāng)相對(duì)厚度在1.5～2時(shí)，壓邊圈可用可不用，一般在1.7以上可不用壓邊圈。根據(jù)工藝計(jì)算，計(jì)劃設(shè)計(jì)采用無壓邊結(jié)構(gòu)模具，但是為了更加可靠及防止后續(xù)模具結(jié)構(gòu)更改造成制造周期延長(zhǎng)及成本浪費(fèi)，對(duì)此封頭成形進(jìn)行仿真分析。

2仿真分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們經(jīng)常利用有限元軟件JSTAMP-NV進(jìn)行沖壓成形仿真分析，以此來模擬分析工件在成形過程中的成形趨勢(shì)、減薄率、板厚分布、破裂、回彈、翹曲等常見的沖壓數(shù)據(jù)及問題，分析結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，也能夠使模具結(jié)構(gòu)、形狀得以在生產(chǎn)前進(jìn)行優(yōu)化，減少模具制造成本及調(diào)試周期。為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確，在仿真分析前需要做一些基本的準(zhǔn)備工作，如建立CAD模型、板料機(jī)械性能檢測(cè)。利用Pro/E三維軟件對(duì)所需拉深凸模、拉深凹模進(jìn)行模型建立。拉深凹模成形部位尺寸與工件外圓直徑相同，凹模圓角選擇3δ，即R18mm。拉深凹模與拉深凸模配合設(shè)計(jì)，根據(jù)一次拉深的單邊間隙Z=(1～1.1)δ，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常板料厚度都小于名義尺寸，所以模具設(shè)計(jì)凸凹模單邊間隙直接取板料厚度6mm，設(shè)計(jì)拉深凸模。根據(jù)實(shí)測(cè)T4003材料參數(shù)(表1)建立材料模型。在JSTAMP-NV中設(shè)置好拉深凸模、拉深凹模與板料的位置關(guān)系，模具與板料的摩擦屬鋼-鋼，由于不銹鋼材質(zhì)具有粘滯性，摩擦因數(shù)在無潤(rùn)滑情況下μ=0.2，板料網(wǎng)格尺寸不大于0.7δ為好，此次取2.8mm。應(yīng)用JSTAMP-NV對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。本次有限元分析主要目的是分析封頭在無壓邊圈情況下成形后邊緣是否起皺。圖2為有限元分析起皺分布云圖，從圖中可以看出，工件成形圓度較好，完全滿足尺寸要求，所以本次模具設(shè)計(jì)采用無壓邊圈結(jié)構(gòu)。

三、模具設(shè)計(jì)

1模具主要鑲塊材質(zhì)選擇

為保證工件表面成形質(zhì)量及壽命，拉深凸模應(yīng)選擇硬度較高、具有良好耐磨性的材質(zhì)，模具凸模選用Cr12MoV，熱處理硬度控制在58～60HRC。拉深凹模表面是板料成形過程中受力最大、接觸最多、位移最大的部位，是成形尺寸和質(zhì)量的關(guān)鍵，是最容易引起劃傷的地方。綜上，拉深凹模選擇銅合金材質(zhì)，硬度控制在42～48HRC，因?yàn)樵诖藯l件下，銅合金具有良好的散熱性、耐磨性和較低的摩擦系數(shù)，能夠消除工件外表面劃傷，同時(shí)能夠減少板料成形過程中的流動(dòng)阻力。

2卸料方式設(shè)計(jì)

之前用凹模卸料的方式，在使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生不卸料將工件帶上來的情況，需要多次壓型動(dòng)作才能完成卸料，有時(shí)會(huì)將工件壓變形而產(chǎn)生廢品，所以此次設(shè)計(jì)三處伸縮式剛性卸料銷，在壓型完成后，待設(shè)備回程時(shí)，利用回程力和卸料銷配合完成工件卸料。根據(jù)分析結(jié)果和分析采用的有限元模型尺寸設(shè)計(jì)模具凸凹模，最終完成模具設(shè)計(jì)，見圖3。

四、生產(chǎn)驗(yàn)證

封頭模具制造完成后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，見圖4、圖5。工件外邊面未發(fā)現(xiàn)破裂、縮頸、劃傷等問題，我們所重點(diǎn)關(guān)注的起皺問題也沒有產(chǎn)生，最后進(jìn)行重要尺寸測(cè)量，均符合工藝要求，其中φ248.5mm的最大直徑為φ248.7mm，最小直徑為φ248.2mm，完全符合工藝要求。試驗(yàn)完成后，模具投入批量生產(chǎn)驗(yàn)證，進(jìn)行尺寸及表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)，通過表2可知，模具生產(chǎn)尺寸比較穩(wěn)定，外表面未產(chǎn)生劃傷，成形無褶皺，并且在封頭組焊過程中非常順利，并未因?yàn)榉忸^成形質(zhì)量產(chǎn)生廢品，生產(chǎn)過程中無異常，可以持續(xù)生產(chǎn)。

五、結(jié)束語

在生產(chǎn)中，有限元分析已經(jīng)變得不可或缺，可以讓理論計(jì)算中的模棱兩可變成顯而易見，并且合理的模具材料可以改善工件的成形質(zhì)量和模具壽命，合理的模具結(jié)構(gòu)更加能夠節(jié)約模具的制造成本。通過對(duì)封頭成形的計(jì)算和分析，選擇了合適的、經(jīng)濟(jì)的、穩(wěn)定的無壓邊模具結(jié)構(gòu)，得到了理想的產(chǎn)品。

作者:安秋博 單位:中車齊齊哈爾車輛有限公司