半球形絲網(wǎng)固體顆粒介質(zhì)成形技術(shù)研究

文／韓來福，李俊杰，王鐸·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)特種技術(shù)裝備有限公司

半球形絲網(wǎng)固體顆粒介質(zhì)成形技術(shù)研究

文／韓來福，李俊杰，王鐸·內(nèi)蒙古一機(jī)集團(tuán)特種技術(shù)裝備有限公司

沖壓件生產(chǎn)中，半球形零件在板料拉深成形領(lǐng)域中占有相當(dāng)?shù)谋壤谄?、鋼鐵、航空航天、船舶、兵器等國民經(jīng)濟(jì)部門，隨處可見半球形零件以及各種更復(fù)雜曲面零件的身影，這些應(yīng)用對零件外形質(zhì)量的要求也非常之高，研究其成形機(jī)理具有重要的意義。

某產(chǎn)品部件是由半球形的鋼絲網(wǎng)篩網(wǎng)與鋼制法蘭組成的（圖1）。對于半球形件，行業(yè)內(nèi)一般推薦的拉深系數(shù)為0.71，雖然這個拉深系數(shù)要比筒形件的極限拉深系數(shù)大得多，但由于拉延過程中大部分毛坯材料處于懸空狀態(tài)，因此，半球形件拉深成形，要比圓筒形件困難得多。半球形零件屬于軸對稱曲面零件，這類型零件在拉深成形時，變形區(qū)的位置、受力、變形特點(diǎn)等都與直壁拉深件不同，半球形拉深件具有法蘭區(qū)、與凸凹模圓角接觸區(qū)以及不與模具相接觸的懸空區(qū)，對這類型零件不能簡單地用拉深系數(shù)去衡量并判斷成形的難易程度，也不能用它來作為工藝過程設(shè)計和模具設(shè)計的依據(jù)。

圖1 零件照片

半球形零件拉深特點(diǎn)及成形分析

由于本文零件材料是比較特殊的鋼絲網(wǎng)，材料的厚度更不均勻，因此在成形過程中，模具的成形間隙及零件所受摩擦力都存在不均勻現(xiàn)象，沖壓成形的力學(xué)分析非常復(fù)雜。用剛性模具試沖成形時，因鋼絲網(wǎng)不具備像鋼板一樣的延展性，零件與凸、凹模之間的間隙不均勻，導(dǎo)致零件各部受力不均勻，造成零件成形后存在回彈變形、凸緣處絲網(wǎng)拉斷等缺陷，零件無法成形。

介于上述原因，針對此零件我們擬利用液壓成形原理與傳統(tǒng)成形技術(shù)相結(jié)合的方式，采用具有流動性的介質(zhì)作為軟模無限點(diǎn)成形凸模，這樣在成形過程中因凸模是由具有一定流動性材料組成的，在成形時凸模形狀隨成形零件截面改變，可完全消除零件與凸、凹模之間的間隙，有效彌補(bǔ)因零件厚度變化而造成的間隙問題。在整個成形過程中，作用在零件表面上任一點(diǎn)的力，都是垂直于球面的切線方向，受力非常均勻，絲網(wǎng)毛坯在軟模的作用下，可均勻的貼在凹模上。

實(shí)施過程

凹模設(shè)計

仿形制作成形鋼制凹模，此處設(shè)計采用常規(guī)方法，考慮零件回彈量加以修正。

成形凸模設(shè)計

在選用流動性介質(zhì)的過程中，我們通過對比決定采用固體顆粒介質(zhì)，即石英砂。因為石英砂不僅有流動性，而且又具有液體不具有的強(qiáng)度，另外，散裝時其流動性又可控，利于現(xiàn)場試驗。為了避免固體顆粒介質(zhì)在沖壓過程中滲漏，同時又要保持一定的形狀，我們采用較為柔軟的棉布對固體顆粒介質(zhì)進(jìn)行包裝，這種凸模的制作過程如圖2所示。

固體顆粒介質(zhì)石英砂用量的選定

在沖壓成形過程中，固體顆粒介質(zhì)石英砂用量的多少直接影響零件的成形效果，沙子多了，橡膠板下壓時，沙子流出；沙子少了，凸模作用體現(xiàn)不出來，鋼絲網(wǎng)無法脹形到要求尺寸，零件不合格。具體計算公式為G=Vgf=πh2(r-h/3）gf，其中f為修正系數(shù)，一般取1.2～1.6。

壓料板設(shè)計

在零件法蘭凸緣部位，采用橡膠板壓料并傳遞成形力，在鋼絲網(wǎng)毛坯與凹模之間產(chǎn)生有益的摩擦力，在凸緣部位既能夠壓料防止凸緣部位起皺，又能夠控制零件毛坯成形時的流動速度，使零件達(dá)到塑性變形，防止零件產(chǎn)生回彈，其放置方式如圖3所示。模具的最終結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 凸模制作過程

采用新技術(shù)成形的優(yōu)點(diǎn)

⑴提高了成品零件的精度，零件表面無劃傷。

⑵可以隨意控制零件的局部變形，可以成形復(fù)雜形狀的零件，適合于多品種小批量的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

圖3 壓料板放置方式

圖4 成形模具結(jié)構(gòu)示意圖

⑶可以使用廉價材料做模具，降低模具制造費(fèi)用，板材固體顆粒成形僅僅需要凸?；虬寄＃硪话氡还腆w顆粒介質(zhì)所替代，減少了模具費(fèi)用，一般模具費(fèi)用可降低40%以上，降低零件的成本。同時，固體顆粒成形的模具可以用便宜的材料來加工，不同厚度和不同材料的零件可以在同一個模具上生產(chǎn)，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

⑷使難成形材料的生產(chǎn)成為可能?？梢酝ㄟ^改變凹?；驔_模的形狀，來成形各種各樣的零件。液壓成形可以單道次成形一些形狀復(fù)雜的零件，而用傳統(tǒng)的沖壓成形則需要多道次才能實(shí)現(xiàn)，甚至不可能完成。前者能大量減少成形工序和焊接零件的數(shù)量。

結(jié)論

⑴應(yīng)用固體顆粒介質(zhì)軟模成形，避免了剛性接觸對零件絲網(wǎng)局部拉斷的缺陷。經(jīng)過現(xiàn)場的批量生產(chǎn)，保證了零件的尺寸，達(dá)到了工藝要求，且質(zhì)量穩(wěn)定，解決了成形斷裂的質(zhì)量問題，并得到了用戶的認(rèn)可。

⑵解決了生產(chǎn)進(jìn)度窄口問題，提高了材料利用率，為以后剛性成形受限制的復(fù)雜成形件提供了新的思路，將用常規(guī)沖壓方法難以成形的零件成形出來，為類似產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了新的加工方法。