不銹鋼罩殼拉深模設(shè)計

田仕興，況云剛，韋 林

（貴州航天電器股份有限公司，貴州 貴陽 550009）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，制造技術(shù)及加工工藝水平的不斷提高，市場對產(chǎn)品的質(zhì)量提出了更高的要求。不銹鋼零件具有良好的耐腐蝕性、耐高溫、強度高和外形美觀等優(yōu)點，使其在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，并呈現(xiàn)逐步替換其他傳統(tǒng)材料的趨勢?，F(xiàn)對某繼電器不銹鋼罩殼拉深模進(jìn)行研究，根據(jù)出現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的解決方法，最終成形滿足尺寸需求的罩殼。

1 不銹鋼材料分析

1.1 不銹鋼特性

SUS316L是日本SUS系列不銹鋼，屬于奧氏體不銹鋼，其最大碳含量≤0.03，由于添加了Mo，使其可以耐大氣腐蝕、抗晶間腐蝕、耐海洋和侵蝕性工業(yè)氣體的侵蝕，能在苛刻條件下使用。同時SUS316L不銹鋼不僅加工性能良好，可進(jìn)行冷軋、冷拔、深沖彎曲、翻邊折疊等成形，而且具有良好的強度、塑性、韌性和低溫性能。

1.2 化學(xué)成分

SUS316L不銹鋼化學(xué)成分如表1所示。

1.3 力學(xué)性能

力學(xué)性能對材料拉深特性影響較大，一般主要與屈服強度、抗拉強度、延伸率、硬度等有關(guān)。經(jīng)查閱資料，SUS316L力學(xué)性能如表2所示。

表2 SUS316L不銹鋼力學(xué)性能

1.4 拉深特性

經(jīng)過加工驗證，SUS316L不銹鋼在拉深過程中容易產(chǎn)生破損等缺陷，分析其主要原因如下。

（1）加工硬化嚴(yán)重，變形抗力大。加工過程中為了防止起皺，只能加大壓邊力，致使摩擦阻力增大，從而增加了拉深力。

（2）由于SUS316L不銹鋼延伸率小，流動性差，拉深過程中零件底部轉(zhuǎn)角處及R角處變形嚴(yán)重，易產(chǎn)生褶皺、開裂缺陷。

（3）由于不銹鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，劇烈的摩擦升溫易使材料燒傷、粘模，使用一般材料的模具易在拉深凹模圓角和豎壁交界處產(chǎn)生粘結(jié)瘤，影響零件表面質(zhì)量和模具使用壽命。

（4）拉深變形量大的部位（如底部轉(zhuǎn)角處）由于劇烈的變形硬化而產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，拉深后如不及時切邊或退火，可能造成裂紋而使零件報廢。

2 拉深參數(shù)計算及其優(yōu)化

2.1 罩殼基本情況

某型號繼電器罩殼零件如圖1所示，材料為SUS316L不銹鋼，厚度t=0.8 mm，其外形尺寸為33.8 mm×9.4 mm×22 mm，r底=r側(cè)=R0.5 mm，根據(jù)圖紙計算得出未變薄前拉深高度H0=0.6×22/0.8=16 mm，加上端面平整預(yù)留切邊余量，變薄拉深前零件高度H取19 mm。由于不銹鋼較低的可拉深性及該罩殼零件較大的長寬比，且該材料在公司首次用作繼電器罩殼進(jìn)行拉深成形，屬于常規(guī)材料的不常規(guī)加工方法，同時繼電器罩殼不僅尺寸精度要求高，且外觀質(zhì)量要求也較高：零件側(cè)面變薄拉深、平整，底部平面度不大于0.1 mm，轉(zhuǎn)角處無明顯拉深痕等。這需要在模具設(shè)計前做好技術(shù)準(zhǔn)備，保證一次成形合格零件，降低模具返修成本并縮短零件成形周期。

圖1 罩殼零件

2.2 罩殼拉深變形特性

罩殼屬于盒形件，盒形件的拉深變形與直壁圓筒件既有相同之處，也有不同的地方，其零件直邊區(qū)成形不是簡單彎曲，還受到橫向壓縮、縱向拉深，越靠近圓角區(qū)變形越大。轉(zhuǎn)角處的橫向壓縮變形和縱向拉深變形比直邊區(qū)小，但從拉深應(yīng)力看，各部分的拉深應(yīng)力分布不均勻，圓角區(qū)中間最大，向兩側(cè)直邊區(qū)逐漸減小，這使拉深合格零件的難度更大。盒形件的變形區(qū)主要在圓角區(qū)，該區(qū)域的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與圓筒形件相同，但盒形件的直邊區(qū)和圓角區(qū)的變形不均勻，徑向拉應(yīng)力、切向壓應(yīng)力沿凹模的分布為：圓角區(qū)較大，直邊區(qū)較小，最大值在角平分線處，所以零件在圓角區(qū)容易出現(xiàn)拉深凹痕，甚至開裂缺陷。

2.3 拉深工藝分析

由罩殼拉深變形特點分析，結(jié)合SUS316L不銹鋼材料特性及罩殼長寬比（33.8/9.4=3.6）可知，該零件底部圓角區(qū)處的形變和應(yīng)力較大，成形時加工硬化劇烈，同時材料溫度變化大，而不銹鋼的導(dǎo)熱性較差，高溫高壓使材料與模板粘連，形成粘結(jié)瘤，影響罩殼的表面質(zhì)量，甚至使模具失效。

經(jīng)初步判斷，該罩殼應(yīng)經(jīng)過多次拉深方可成形，且其落料毛坯外形應(yīng)為橢圓形。根據(jù)t/B×100=0.8/9.4×100＝8.5，H/B=19/9.4=2，查閱資料得知該罩殼需進(jìn)行3次拉深才能達(dá)到尺寸要求。

零件側(cè)壁厚度小于底部厚度，最后一道工序為變薄拉深，根據(jù)減薄系數(shù)計算公式：

通過查看不銹鋼零件末次減薄系數(shù)可知，該罩殼需要3次拉深成形至尺寸要求，為便于材料的拉深成形，在每次拉深前對材料進(jìn)行退火，故該罩殼拉深工藝為：落料拉深→除油→退火→第二次拉深→除油→退火→變薄拉深。

2.4 落料毛坯計算

罩殼的毛坯尺寸計算如下。

相對厚度：t/B×100=0.8/9.4×100＝8.5＞2。

毛坯直徑：

由于r側(cè)=r底，代入數(shù)據(jù)計算得D=φ31.6 mm。

毛坯長度尺寸：L=D+(A-B)=30.9+(33.8-9.4)=56 mm。

工序比例系數(shù)：X=(K-B)/(L-A)=(38.7-9.4)/(55.3-33.8)=1.36。

2.5 各參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化

用等體積法驗證毛坯尺寸，根據(jù)L=56 mm和K=43.1 mm繪制橢圓形毛坯，面積為1 895.7 mm2，則落料毛坯體積V落料=1 895.7×0.8=1 516.6 mm3。經(jīng)過計算零件體積約為：V零件=1 394.6 mm3，體積有所差異，由于零件理論計算拉深高度H=19 mm，有一定的修邊余量，該零件毛坯尺寸正確，但為防止零件四角處過高，材料堆積嚴(yán)重，使底部轉(zhuǎn)角處開裂，可適當(dāng)調(diào)整零件毛坯外形尺寸，使落料毛坯體積與零件體積近似相等。

對于盒形件罩殼的多次拉深，由于長寬不相等，長邊中心與轉(zhuǎn)角中心的變形區(qū)內(nèi)拉深變形差別較大，且隨著長寬比的加大，這種差別會越來越大。故為了保證罩殼順利拉深成形，必須遵循均勻變形原則。

罩殼成形過程中要求變薄，外形平整光亮。根據(jù)經(jīng)驗，較小的拉深工序間距，材料流動及變形相對較小，故為了得到較好的轉(zhuǎn)角處拉深成形質(zhì)量，可將轉(zhuǎn)角處的工序間距按寬度方向工序間距的40%～60%進(jìn)行調(diào)整?？紤]該罩殼零件長寬比為3.6，將變薄拉深與第二道拉深之間的工序間距離調(diào)整為0.8 mm。由于罩殼的變形難點在底部圓角區(qū)域，容易堆積料，增大拉深阻力，適當(dāng)減小圓角轉(zhuǎn)角處的間隙值，調(diào)整變薄拉深與二次拉深之間的距離至0.58 mm。第二次拉深工序與落料拉深工序之間的距離為1.77 mm，使材料在拉深過程中更容易流動，減輕底部圓角區(qū)域的變形量，降低該區(qū)域的拉深應(yīng)力，避免開裂等缺陷產(chǎn)生。不銹鋼材料拉深調(diào)整后各工序尺寸如圖2所示。

圖2 不銹鋼材料拉深調(diào)整后各工序尺寸

為保證零件成形后底部的平面度，減小轉(zhuǎn)角R區(qū)域材料的流動，避免拉深裂紋產(chǎn)生等，將變薄拉深和第二次拉深以及落料拉深的底部直線段間距保持0.2 mm。由以上計算調(diào)整及改進(jìn)，各工序拉深高度形狀及尺寸如圖3所示。

圖3 各工序拉深尺寸

3 模具設(shè)計改進(jìn)及優(yōu)化

3.1 拉深模材料選擇

拉深模工作部位直接與不銹鋼材料接觸并使其發(fā)生變形，拉深模結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和加工質(zhì)量都直接影響拉深后不銹鋼零件的成形質(zhì)量、生產(chǎn)效率和拉深模使用壽命等，所以拉深模工作部位必須具備足夠的硬度和耐磨性，凸模和凹模應(yīng)有合理的間隙，且其表面粗糙度應(yīng)滿足材料流動，減小材料流動阻力。

根據(jù)拉深模的材料要求，考慮罩殼不銹鋼材料的難拉深性，結(jié)合車間生產(chǎn)加工及現(xiàn)有材料情況，凸模采用DC53，凹模成形部分使用鎢鋼，導(dǎo)向部分使用45號鋼，如圖4所示，通過銅焊接拼成組合凹模。

圖4 拉深模凹模組合

3.2 拉深模改進(jìn)及優(yōu)化

落料拉深模采用復(fù)合模結(jié)構(gòu)，為了保證拉深過程中材料流動均勻，將拉深間隙調(diào)整為1.1t，避免開裂缺陷產(chǎn)生。為了保證成形零件的表面質(zhì)量及尺寸精度，避免底部轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)凹痕，在凹?？诓吭O(shè)計一個斜面以保證材料在拉深過程中變形均勻，減少材料拉深應(yīng)力，并加大凹模轉(zhuǎn)角處過渡R角保證零件表面質(zhì)量。將凹模口部加工成150°斜面，過渡R角放大為R4 mm，且將反面加工成斜度，以避免罩殼外形與模具零件過多滑動摩擦而造成零件表面拉傷、開裂及過多摩擦熱量的產(chǎn)生。增大零件表面壓強，避免材料與模板粘連，形成粘結(jié)瘤，如圖5所示。

圖5 凹模尺寸

變薄拉深模如圖6所示，待成形零件正面放置，以保證材料變薄拉深及零件成形質(zhì)量，凹模采用鎢鋼/45號鋼組合，凹模成形部位使用鎢鋼材料，提升耐磨性及硬度，通過拋光保證成形部位表面粗糙度，從而保證成形零件表面光亮。

圖6 變薄拉深模結(jié)構(gòu)

3.3 拉深效果

模具改進(jìn)制造完成后，各工序拉深零件實物如圖7所示。

圖7 各工序拉深零件實物

從圖7可以看出，落料拉深零件成形質(zhì)量較好，由板料拉深至碗狀后零件表面質(zhì)量良好，無褶皺，零件4個轉(zhuǎn)角處略低于零件其他部位，滿足前期設(shè)計要求。第二次拉深后，零件由較大斜角拉深至直角，形變較大，零件下半部明顯起皺，上半部較光亮，已有輕微變薄拉深現(xiàn)象，零件4個轉(zhuǎn)角處未出現(xiàn)凹痕。變薄拉深后零件四周側(cè)面表面光亮，拉深成形質(zhì)量較好，尺寸滿足設(shè)計要求，4個轉(zhuǎn)角處也成形較好，但側(cè)面轉(zhuǎn)角與底部轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)凹痕，經(jīng)過調(diào)整后該處凹痕不大，不影響使用。

生產(chǎn)200個零件后，模具零件無拉傷、粘結(jié)瘤現(xiàn)象，說明模具選材及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化良好。從變薄拉深后的零件看，最低處高度為23 mm，寬邊高度較高，轉(zhuǎn)角處高度達(dá)25.5 mm，說明需要進(jìn)一步調(diào)整毛坯尺寸。經(jīng)過分析，這主要是罩殼長寬比過大的原因，材料在轉(zhuǎn)角處流動較慢，使寬度方向的材料無法流動至長度方向而產(chǎn)生堆積，致使寬邊高度較高，這也可以解釋二次拉深后零件長度方向上有輕微拉光變薄現(xiàn)象。由于該高度對拉深未產(chǎn)生影響，不進(jìn)行修正調(diào)整。

4 結(jié)束語

通過對SUS316L不銹鋼材料及其拉深特性分析，計算得出零件的毛坯尺寸，并根據(jù)罩殼細(xì)長深的結(jié)構(gòu)特點，通過等體積法修正毛坯尺寸，減少4個轉(zhuǎn)角處毛坯材料，避免轉(zhuǎn)角處材料堆積和圓角區(qū)拉深應(yīng)力增大，減小零件開裂風(fēng)險。通過分析罩殼拉深工藝，并根據(jù)罩殼結(jié)構(gòu)特點、尺寸精度及表面質(zhì)量要求，調(diào)整工序間轉(zhuǎn)角間隙值，選擇合適的模具材料及模具結(jié)構(gòu)，延長了模具使用壽命。通過調(diào)整落料拉深模間隙，改進(jìn)變薄拉深模凹模及過渡圓角，成形了滿足要求的罩殼零件，為后續(xù)解決繼電器銅罩殼電鍍問題而改用不銹鋼材料積累了經(jīng)驗和提供了技術(shù)支撐。