淺析鋁合金罩形件的沖壓成形工藝

文/顧建剛·常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司

通過(guò)理論計(jì)算與試制摸索對(duì)XX.002 罩的成形工藝參數(shù)及工藝路線進(jìn)行優(yōu)化，并且對(duì)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，制定出工藝與工裝結(jié)合較為合理的成形方案，為后續(xù)類(lèi)似外形的鋼件及鋁合金件的沖壓成形提供成熟的解決方案。

XX.002 罩為風(fēng)扇轉(zhuǎn)子組件的組成單件，其材料為厚度1.5mm 的鋁合金2A12（LY12），外形整體為拉深件，底部帶有反向翻邊孔。2A12 為硬鋁，其塑性與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及不銹鋼相比較差，相應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致拉深成形較為困難，危險(xiǎn)斷面易裂開(kāi)，為后續(xù)成形帶來(lái)較大不便。在試制前期需仔細(xì)計(jì)算工藝參數(shù)，制定合理的工藝路線且同時(shí)需考慮與工序相配套的拉深、翻邊模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理、有效性。本文通過(guò)在工藝計(jì)算，將試制期間暴露的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，并歸納總結(jié)出較為合理化的工藝、工裝實(shí)施方案。

零件工藝性分析

材料

XX.002 罩材料為 2A12（LY12），2A12 是可熱處理強(qiáng)化鋁合金，經(jīng)固溶處理、自然時(shí)效或人工時(shí)效后具有較高的強(qiáng)度，它是航空工業(yè)中使用較為廣泛的鋁合金。其塑性與日常使用較為廣泛的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及不銹鋼相比較差，伸長(zhǎng)率為12%，而20鋼為25%，1Cr18Ni9Ti 達(dá)到了40%，具體對(duì)比如表1 所示。

由此可看出，2A12 此種材料塑性相對(duì)普通鋼種較差，同時(shí)綜合考慮此零件的拉深系數(shù)，所以其拉深成形難度較大。

表1 機(jī)械性能對(duì)比表

工藝計(jì)算及工藝路線擬定

工藝計(jì)算

XX.002 罩最后零件為去除余量件，中間工序需進(jìn)行增加工藝余料輔助成形。為方便成形及模具設(shè)計(jì)，現(xiàn)將零件中間拉深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成圖1 所示。

圖1 輔助工藝結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)查閱公式，法蘭邊與直線段之間R 角（凹模圓角半徑）原則上設(shè)計(jì)為5 ～10 倍料厚，若R 角過(guò)小則板料不易流動(dòng)，增加了筒壁傳力區(qū)的拉應(yīng)力，不利于拉深；若R 角過(guò)大則會(huì)減小有效壓邊面積，容易使板料失穩(wěn)起皺。零件板料厚度為1.5mm，R角范圍為R7.5 ～15mm，因此在零件取中間范圍值R10mm（利于后續(xù)修模）；直線段13.5mm 增大0.2mm余量至13.7mm 便于端面車(chē)加工。SR80mm 與底面直邊之間應(yīng)設(shè)計(jì)為大圓角R 過(guò)渡，此R 角選擇需考慮儲(chǔ)備足夠余料方便后續(xù)翻邊成形，根據(jù)反向推導(dǎo)計(jì)算且遵循表面積不變?cè)瓌t，圖1 所示的SR80mm 后接大R 角弧長(zhǎng)與底部直線段長(zhǎng)度之和與零件SR80mm后續(xù)翻邊R 角（實(shí)際值為R6.7mm）展開(kāi)后的直線段長(zhǎng)度相同，經(jīng)在AutoCAD 軟件上標(biāo)注計(jì)算后取整R20mm。經(jīng)上述計(jì)算外形尺寸已可繪出，其高度達(dá)到80.2mm。

通過(guò)對(duì)零件中性層進(jìn)行展開(kāi)計(jì)算即可得出板料下料尺寸，示意圖如圖2 所示。

圖2 展開(kāi)料計(jì)算示意圖

毛坯板材展開(kāi)長(zhǎng)度（半邊）可分為R10 圓弧段弧長(zhǎng)L1，13.7 直線段長(zhǎng)度L2，SR80 球面圓弧段弧長(zhǎng)L3，R20 圓弧段弧長(zhǎng)L4及直線L 段長(zhǎng)度L5共五部分，在這里板料皆取中性層的線性長(zhǎng)度。

故L=L1+L2+L3+L4+L5=16.89+13.7+49.37+18.25+47.38=145.59mm，下圓料直徑φ=145.59×2=291.18mm，因此取近似圓φ291.5mm。

工藝路線編排

經(jīng)計(jì)算此零件的高徑比h/d=80.2÷154.3=0.52，經(jīng)查閱2A12 圓筒件一次拉深的極限相對(duì)高度h/d 約為0.6，現(xiàn)零件參數(shù)已接近極限參數(shù)，若進(jìn)行一次拉深到位則比較危險(xiǎn)，危險(xiǎn)斷面破裂的可能性較高且側(cè)壁會(huì)明顯變薄。為保證拉深質(zhì)量，在安排工藝路線時(shí)在首次拉深中僅拉深到一半高度，再進(jìn)行退火消除應(yīng)力恢復(fù)其塑性，接著進(jìn)行后續(xù)拉深到位，在此過(guò)程中僅用一套拉深模即可，示意圖如圖3 所示。

按圖3 所示進(jìn)行分步拉深到位后則需為后續(xù)翻邊去除余料開(kāi)底孔。利用自制夾具進(jìn)行車(chē)削加工去除法蘭邊，同時(shí)對(duì)底部進(jìn)行開(kāi)孔，經(jīng)展開(kāi)料核算（見(jiàn)計(jì)算）底部開(kāi)孔定為φ88mm。示意圖如圖4 所示。計(jì)算公式為K=d0/D。

圖3 拉深工序示意圖

圖4 車(chē)削加工示意圖

其中：K—翻邊系數(shù)；K 值愈小，變形程度愈大；

d0—翻邊前毛坯上孔的直徑；

D—翻邊后工件的孔徑（中徑）。

經(jīng)查閱硬鋁合金的極限翻邊系數(shù)Kmin=0.80，則d0=0.8×106.5=85.2mm。因此開(kāi)孔直徑取略大于極限值為φ=88mm。

車(chē)削完畢后即可進(jìn)行輔助去毛刺、倒角工序，下一步驟即可按產(chǎn)品示意進(jìn)行反向翻邊。翻邊工藝主要依靠于模具結(jié)構(gòu)的合理性。翻邊成形示意圖如圖5 所示。

翻邊完畢后整個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸都已成形，后續(xù)只需進(jìn)行相應(yīng)輔助工序。如車(chē)端面保證高度尺寸、去毛刺、熱處理消應(yīng)力、對(duì)尺寸公差及輪廓度校形等工序，零件即加工完成。

圖5 翻邊成形示意圖

工藝路線擬定及工裝配備

經(jīng)以上計(jì)算及策劃分析，具體工藝路線擬為：5 下料→ 10 鉗工→ 15 沖工→ 20 熱處理→ 25 沖工→3 0熱處理→3 5沖工→4 0車(chē)工→4 5鉗工→5 0沖工→55 車(chē)工→60 鉗工→65 熱處理→70 沖工→75檢驗(yàn)。

15、25、35沖工皆為拉深工序，共用一套拉深模；20、30 熱處理工序皆為退火消應(yīng)力、恢復(fù)塑性，方便后續(xù)拉深；50 沖工為翻邊工序，需一套翻邊模；65 熱處理工序?yàn)楣倘軙r(shí)效得到硬度HB ≥105；70 沖工工序?yàn)樾Ｐ涡枰惶仔Ｐ文！?/p>

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精確數(shù)值計(jì)算，擬定合理有效的沖壓工藝，配備結(jié)構(gòu)完善的工裝模具能較為經(jīng)濟(jì)且高效地完成XX.002 罩的拉深、反向翻孔等工藝，從而實(shí)現(xiàn)零件的批量生產(chǎn)。板材沖壓成形的特性決定了前期試制工藝工作的繁瑣，在零件試制及試模過(guò)程中應(yīng)注意及時(shí)獲得現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題并反饋，通過(guò)與理論知識(shí)相結(jié)合，總結(jié)歸納平衡各方面因素，找到合適的切入點(diǎn)解決問(wèn)題。