錐形環(huán)成型工藝研究

摘 要：高溫合金是在高溫下有較高的力學(xué)性能，抗氧化性和抗腐蝕性能的合金，在航空、航天等高溫工作的構(gòu)件的上面廣泛運(yùn)用，在航空工業(yè)中，高溫合金主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)高溫工作的構(gòu)件，如燃燒室、導(dǎo)向葉片以及機(jī)匣等，其中多數(shù)板材零件采用鈑金成形工藝制造，高溫合金材料的鈑金成形工藝研究及其推廣有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：錐形環(huán)；成型工藝；起皺；破裂

1 零件的工藝性分析

如圖1所示錐形環(huán)屬于旋轉(zhuǎn)體成型，兩種錐度的錐形體組合而成，而且零件的圖樣允許有一條縱向焊縫，該類(lèi)零件可以采用板材卷成圓筒采用聚氨酯橡膠漲型成型或者是用錐形件拉深去底加工成型。零件的錐度分別為50°和3.5度，h=57，零件的變形程度較大，而且在成型過(guò)程中，有很大一部分毛坯處于懸空狀態(tài)，零件容易出現(xiàn)起皺現(xiàn)象。采用漲型工藝由于零件的小徑為138.7mm，大徑為191mm，直徑差52.7，單邊變形量為26mm，由于聚氨酯橡膠的敦粗變形程度地影響，很難將零件漲型到位。故根據(jù)零件的形狀特點(diǎn)選用拉深工藝來(lái)進(jìn)行錐形環(huán)的成型。

2 確定零件的成型工藝方案

2.1 確定零件的拉深次數(shù)及成形方案

根據(jù)階梯型零件的拉深系數(shù)的計(jì)算方法：

方案一：首次拉深出大圓角圓筒形零件，然后采用二次拉深成型零件的最終形狀。

方案二：首次拉深出錐度為50°的錐形體，然后二次拉深形成零件的最終形狀。

將上述兩種工藝方案進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：方案一由于先將零件拉深成圓筒形，在二次拉深的過(guò)程中由于凸模側(cè)壁呈錐形，圓筒形的壁在成型過(guò)程中存在無(wú)約束部分并且處于懸空狀態(tài)，由于切向壓應(yīng)力的作用，材料發(fā)生縱向彎曲折皺。容易出現(xiàn)筒壁折皺現(xiàn)象，零件側(cè)壁的成型質(zhì)量不好。而第二種零件是先成型出50°錐體與零件的最終形狀一致，不會(huì)出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，故選擇第二種工藝方案。

2.2 確定零件的成型過(guò)程

由于采點(diǎn)主要用的是先拉深出50°錐形體，然后在深拉深達(dá)到零件的最終形狀的成型方案，成型的難在第二道拉深，為了保證零件二次拉深能夠準(zhǔn)確定位，避免出現(xiàn)裂紋和褶皺等現(xiàn)象，確定零件的成型過(guò)程如圖2：

3 加工過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題及解決方案

3.1 拉深過(guò)程起皺的解決方案

零件在首次拉深時(shí)，在零件的凸緣部分以及錐體部分出現(xiàn)了褶皺。

錐形體的首次拉深的成型過(guò)程如圖3：

圖a）為錐形體的毛坯，在凸凹模的作用下，開(kāi)始進(jìn)行拉拉深。圖b為隨著凹模的下壓，在凸模的作用下，迫使材料拉入凹模，形成了筒底，凹模圓角，筒壁，凹模圓角以及未拉入凹模的凸緣五個(gè)區(qū)域。圖c為凸模繼續(xù)下壓，凸緣部分的材料繼續(xù)被拉入凹模轉(zhuǎn)變?yōu)橥脖冢敝镣拱寄５男兔嫱耆N合位置，拉深過(guò)程全部結(jié)束形成錐形體的首次拉深形狀。

由此可見(jiàn)，拉深變形主要集中在凸緣部分的材料上，此處的材料變形最大，凸模的壓力作用于筒底，通過(guò)逐漸形成的筒壁，將壓力傳遞到凸緣部分使之變形，將其逐漸收縮。在凸緣部分取出一個(gè)扇形單元體，進(jìn)行其在拉深過(guò)程中的受力分析，見(jiàn)圖4：

由此可見(jiàn)凸緣部分在成過(guò)程中受到切向壓應(yīng)力σ3的作用，而在徑向上受到拉應(yīng)力σ1的作用，即材料在成型過(guò)程中在切向受壓縮的同時(shí)被拉著向凹模方向流動(dòng)，形成筒壁。

由上述錐形體的形成過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，零件凸緣起皺的主要原因主要有以下兩個(gè)方面：一是凸緣部分起皺主要由于零件在成型過(guò)程中的壓邊力過(guò)小，無(wú)法抵制過(guò)大的切向壓應(yīng)力造成的切向變形，失去穩(wěn)定，形成皺紋；二是材料為GH4169高溫合金，抗拉強(qiáng)度為1270MPa是普通結(jié)構(gòu)鋼的3倍，而伸長(zhǎng)率只有12%，比普通結(jié)構(gòu)鋼低50-60%多，零件的變形抗力大，需要增加壓邊力來(lái)增加材料的拉應(yīng)力，通過(guò)增加毛料的尺寸和在壓邊圈上面設(shè)置壓延筋，有效的控制了零件凸緣起皺現(xiàn)象。

錐形體的成型過(guò)程錐體部分出現(xiàn)皺紋的主要原因：一是零件在剛開(kāi)始成型的過(guò)程中，零件的筒壁處于懸空狀態(tài)，這時(shí)材料受到的拉應(yīng)力減小，而在徑向壓應(yīng)力的作用下，材料失去穩(wěn)定而起皺；二是壓邊力過(guò)小，凹模圓角半徑太大在成型過(guò)程中R部位產(chǎn)生的折皺，一面寬度變窄，一面向垂直壁轉(zhuǎn)移，發(fā)生壁折皺；或潤(rùn)滑油過(guò)多，使徑向拉應(yīng)力小，材料在切向壓應(yīng)力的作用下，失去穩(wěn)定而起皺。三是錐形體的材料為高溫合金，由于高溫合金的強(qiáng)度大、塑性低，在零件的成型過(guò)程中，材料的抗力大，在模具的閉合過(guò)程中，流入到凹模中的材料在拉應(yīng)力的作用下沒(méi)有來(lái)得及發(fā)生塑性變形，造成材料堆積，在壓應(yīng)力的作用下產(chǎn)生褶皺。

綜上所述，對(duì)材料進(jìn)行了固溶處理，提高其塑性，使材料在零件成型過(guò)程中的抗力小，將工藝路線調(diào)整為固溶--首次拉深--二次拉深。同時(shí)將凹模的圓角半徑由原來(lái)的R9改為R7，零件的毛坯尺寸為310mm，進(jìn)行拉深試驗(yàn)。零件的起皺現(xiàn)象消失，成功的完成了零件的首次拉深工藝。零件首次拉深的最終成型質(zhì)量如圖20：

3.2 錐底裂紋的解決方案

錐形體在二次拉深時(shí)出現(xiàn)的主要質(zhì)量問(wèn)題是零件的底部破裂，零件二次拉深的成型過(guò)程如圖5：

圖a為錐形體的首次拉深毛坯，在凸凹模的作用下，開(kāi)始進(jìn)行二次拉深。圖b為隨著凹模的下壓，在凸模的作用下，45°的錐形體的底部發(fā)生塑性變形，帶著筒壁的材料拉入凹模，形成了3.5°錐形體的筒底，筒壁，兩椎體之間的轉(zhuǎn)接圓角R19以及未拉入凹模的40°錐形體四個(gè)部分。圖c為凹模繼續(xù)下壓，錐體部分的材料繼續(xù)被拉入凹模轉(zhuǎn)變3.5°為筒壁，直至凸凹模的型面完全貼合位置，拉深過(guò)程全部結(jié)束形成錐形體的最終拉深形狀。由此可見(jiàn)，拉深變形主要集中在錐形體筒壁部分的材料上，此處的材料變形最大，凸模的壓力作用于筒底，通過(guò)逐漸形成的筒壁，將壓力傳遞到錐形體筒壁部分使之變形，將其逐漸收縮。

綜上所述：消除錐形體的破裂要從下面幾個(gè)方面入手： ① 降低壓邊力過(guò)大； ② 改善潤(rùn)滑條件；③ 修正毛坯形狀；④消除材料的應(yīng)力。

4 結(jié)論

在上述錐形環(huán)成型工藝過(guò)程的分析和實(shí)際生產(chǎn)中存在的質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究，得出了關(guān)于不同角度的階梯錐形體零件成形經(jīng)驗(yàn)以及高溫合金材料的成型難點(diǎn)，為今后類(lèi)似形狀零件的拉深成型工藝及處理其生產(chǎn)過(guò)程中存在的缺陷奠定了良好的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。