導(dǎo)流罩類零件成形工藝研究

王亞清

摘要：本文通過對(duì)材料為高溫合金的導(dǎo)流罩零件結(jié)構(gòu)分析，確定出一套典型的成形工藝方法，并對(duì)零件在加工過程中出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行研究，制定出切實(shí)可行的解決措施，成功的生產(chǎn)出零件的方案。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)流罩 ?成形工藝 ?拉深 ?起皺 ?破裂

1 概述

由于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，為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提高的要求，高溫合金不僅在冶金理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，而且在生產(chǎn)工藝方面也有了很大的進(jìn)步，已經(jīng)廣泛作用做制造航空、航天等高溫工作的構(gòu)件的材料，因此鈑金成形工藝研究及其推廣有著重要的意義。導(dǎo)流罩屬于典型的高溫合金鈑金沖壓成形的零件，材料為GH4169，零件要求精度較高，沿流道的輪廓度為0.2，跳動(dòng)0.15，通過對(duì)其的工藝性以及難點(diǎn)進(jìn)行分析，將幾種典型的工藝方案進(jìn)行比較，定制出合理的方案，通過改進(jìn)模具的結(jié)構(gòu)和材料熱處理手段，解決零件試制過程的質(zhì)量問題，摸索出一套成功的經(jīng)驗(yàn)，為今后類似零件的成形奠定了基礎(chǔ)。

2工藝性分析

2.1 零件的工藝性分析

導(dǎo)流罩屬于環(huán)形旋轉(zhuǎn)體成形，成形后外徑尺寸為240mm，內(nèi)孔為139.3mm，零件的型面尺寸是坐標(biāo)尺寸，沿流道的型面行為公差要求較嚴(yán)，跳動(dòng)0.15，輪廓度0.2，對(duì)于薄壁沖壓成形的零件，成形后材料的回彈很難保證尺寸要求，而且內(nèi)孔的公差為0.1。根據(jù)零件的特點(diǎn)，可以采用旋壓或者拉伸成形工藝來加工此零件。

旋壓成形工藝零件的貼模性好，尺寸精度高，零件的回彈小，并且旋壓屬于局部連續(xù)性加工，瞬間的變形區(qū)小，所需總的變形力較小，變形區(qū)大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，變形條件較好，易于加工形狀復(fù)雜零件或高強(qiáng)度難變形材料零件，為了提高零件的表面質(zhì)量和成形極限，往往需要經(jīng)過多道次來完成，能夠有效的保證零件的成形尺寸;采用沖壓拉伸來成形該零件，由于材料為高溫合金，強(qiáng)度大，零件成形時(shí)的抗力大，回彈較大，很難保證零件的成形尺寸。分析比較上述兩種成形工藝方案，旋壓成形較適合該零件的加工，但是由于設(shè)備資源限制，確定采取沖壓拉伸成形工藝加工。

2.2 沖壓加工的工藝方案的確定

2.2.1確定零件的成形尺寸

經(jīng)過上述分析采用拉深成形，首先確定零件拉深的形狀尺寸，需要在零件的底部加一個(gè)底，由于拉深時(shí)底部的圓角直徑的大小影響拉深件的質(zhì)量，故選擇一個(gè)大圓角的底部，避免零件的拉深出現(xiàn)裂紋。由于零件的直徑尺寸較大，拉深過程中零件的凸緣部分的變形程度由于受到材料的機(jī)械性能的方向性、模具間隙不均勻、板厚的變化、摩擦阻力不等以及材料定位不準(zhǔn)地影響，零件的口部不齊，故在零件口部增加修邊余量，根據(jù)上述原因確定零件拉深成形后的毛坯形狀為圓形毛坯。依據(jù)導(dǎo)流罩的毛坯形狀，將導(dǎo)流罩分成5部分計(jì)算零件的表面積得出各部分表面積之和為70650.2，根據(jù)表面積相等的原則，得出展開料的直徑為 =300mm

2.2.2 確定零件的拉深次數(shù)及成形方案

1）根據(jù)零件的拉深系數(shù)的計(jì)算方法，首先確定是否采用壓邊圈：

毛坯相對(duì)厚度：（t/D）x100=（1.2/300）x100=0.4，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)采用壓邊圈。

2）確定零件的拉深次數(shù)，采用計(jì)算法：當(dāng)t/dx100=0.4，和h/d=52/139=0.37

由此可見，零件的相對(duì)高度較小，能夠一次拉深成形。

2.3.3 確定零件的成形過程和模具

根據(jù)前面的計(jì)算，導(dǎo)流罩采用一次拉深成形，零件的變形過程為先拉深成形內(nèi)孔，當(dāng)內(nèi)孔達(dá)到一定的程度時(shí)，在成形外徑，采用反拉深成形工藝，但是由于零件的跳動(dòng)和輪廓度要求較高，故零件的退料機(jī)構(gòu)不能設(shè)置在型面位置，以免影響零件的尺寸精度，將退料機(jī)構(gòu)設(shè)置在零件的補(bǔ)充的底部，為了更好的保證零件的尺寸精度，將模具間隙設(shè)置為最小，防止由于材料的彈性變形影響輪廓度和型面尺寸，讓材料在受限制的條件下發(fā)生足夠的塑性變形。

3 試制過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題及解決方案

3.1零件型面起皺問題及解決方法

零件在首次拉深時(shí)，在零件剛剛接觸到模具成形時(shí)，在凸緣部分出現(xiàn)褶皺，對(duì)導(dǎo)流罩的成形過程進(jìn)行分析導(dǎo)流罩的毛坯，在凸凹模的作用下，開始進(jìn)行拉拉深。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，導(dǎo)流罩底部以及拉入凹模的凸緣五個(gè)區(qū)域。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)榄h(huán)形體，直至凸凹模的型面完全貼合位置，拉深過程全部結(jié)束形成導(dǎo)流罩拉深形狀。

由此可見，拉深變形主要集中在含在凹模部分的材料上，此處的材料變形最大，凸模的壓力作用于筒底，通過逐漸形成的筒壁，將壓力傳遞到外緣部分使之變形，將其逐漸收縮。在外緣部分取出一個(gè)扇形單元體，進(jìn)行其在拉深過程中的受力分析，由此可見凸緣部分在成過程中受到切向壓應(yīng)力σ3的作用，而在徑向上受到拉應(yīng)力σ1的作用，即材料在成形過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：一是外緣部分起皺主要由于零件在成形過程中的壓邊力過小，無(wú)法抵制過大的切向壓應(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，需要采用提高材料的塑性，對(duì)材料進(jìn)行軟化，增加固溶處理，提高其塑性，使材料在零件成形過程中的抗力小，將工藝路線調(diào)整為固溶——首次拉深。經(jīng)固溶處理后進(jìn)行試驗(yàn)，起皺現(xiàn)象消失，但當(dāng)零件成形尺寸達(dá)到總深度的一半時(shí)，模具將零件夾在凸凹模中間，導(dǎo)致上下模無(wú)法分開，并且零件底部出現(xiàn)裂紋。

3.2零件筒底裂紋問題及解決方案

觀察導(dǎo)流罩的成形過程可以發(fā)現(xiàn)造成筒底部分出現(xiàn)裂紋的主要因素是導(dǎo)流罩在成形的過程中筒底圓角的坯料在拉應(yīng)力的作用下，產(chǎn)生徑向的和切向的伸長(zhǎng)變形，表面積增加，厚度減薄。由于該處的深度較高，金屬補(bǔ)充困難，材料又為高溫合金鋼板，材料的塑性低，強(qiáng)度大，變形的抗力大，阻止筒壁的材料流動(dòng)，再加上未變形區(qū)和小變形區(qū)對(duì)此處變形的牽制作用，這時(shí)圓角處成為坯料變形的強(qiáng)區(qū)，通過毛料減薄來補(bǔ)彌補(bǔ)金屬的變形速度，使其與變形弱區(qū)的變形速度一致性，導(dǎo)致圓角處材料的拉應(yīng)力超過材料的抗拉極限，致使零件圓角處的變形量過大而開裂。具體情況如下：一是由于零件在成形的過程中，凸模的壓力全部作用在導(dǎo)流罩的底部，此時(shí)導(dǎo)流罩形成筒底部分材料全部靠毛坯外側(cè)的原材料來補(bǔ)充，而材料的流動(dòng)又受到凸凹模的限制，壓邊力大，這時(shí)拉深變形阻力大于導(dǎo)流罩底部和筒壁的承載能力，達(dá)到了材料的變形極限，發(fā)生了材料變形模式的轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生破裂。二是模具間隙小，材料在成形過程中的流動(dòng)受到限制，阻力大大增加，材料的變形抗力大，造成零件破裂。三是零件成形過程中的潤(rùn)滑不好，壓邊圈過于粗糙，整個(gè)內(nèi)孔形成的圓筒件的材料全部從外緣補(bǔ)充，如果潤(rùn)滑不良，材料的流動(dòng)性不好，無(wú)法補(bǔ)充材料的塑性變形，造成底部開裂。

綜上所述：消除導(dǎo)流罩的破裂和模具卡死要從下面幾個(gè)方面入手：① 適當(dāng)加大模具間隙;② 改善潤(rùn)滑條件;③ 修正毛坯尺寸;④消除材料的應(yīng)力。

制定上述措施后，將模具的間隙放大到料厚的1.1倍，即保證雙面均勻間隙1.3mm，將毛坯尺寸由300mm調(diào)整為295mm，減少壓邊，同時(shí)增加零件的固溶工序，在零件加工時(shí)在毛坯的下面涂抹二硫化鉬作為潤(rùn)滑劑，上面覆蓋一層塑料薄膜，減少材料在成形過程中的摩擦，改善材料的潤(rùn)滑條件，經(jīng)過試驗(yàn)，零件裂紋消失，尺寸較穩(wěn)定。

3.3零件熱處理時(shí)效后跳動(dòng)和內(nèi)徑尺寸小問題及解決方案

零件成形后，在固溶時(shí)效后進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)跳動(dòng)尺寸超差0.1mm，內(nèi)徑139.3mm的尺寸僅有138.3mm左右，對(duì)零件的成形過程進(jìn)行分析得知，零件在拉深成形過程中發(fā)生塑性變形的同時(shí)還有一部分彈性變形，在零件固溶時(shí)效后，彈性變形消失，造成零件縮口，直徑變小，跳動(dòng)超差也是受零件彈性變形的影響。由于為了保證零件的輪廓度和跳動(dòng)，零件車去底后，進(jìn)行采用夾具進(jìn)行熱定型后時(shí)效處理并增加脹形工序，保證了零件的內(nèi)徑尺寸精度要求。脹形模具采用的是漲瓣結(jié)構(gòu)的漲型簡(jiǎn)易模具，下模是一個(gè)分為四瓣的的漲塊，上模一個(gè)錐形凸模，將導(dǎo)流罩套在漲瓣上面，逐次調(diào)整模具形成，直至零件的內(nèi)孔尺寸為139.3mm，然后將零件在模具上面沿周向旋轉(zhuǎn)4次，保證零件內(nèi)孔的圓度，最終保證零件的內(nèi)孔尺寸。

4.結(jié)論：

在導(dǎo)流罩成形工藝過程的分析和實(shí)際生產(chǎn)中存在的質(zhì)量缺陷進(jìn)行研究，在高溫合金材料環(huán)形體零件拉深的成形過程中，首先要掌握金屬變形規(guī)律，有效控制金屬的流動(dòng)，清楚的認(rèn)識(shí)各種基本成形工序的變形特點(diǎn)是制定成形路線的關(guān)鍵;正確的分析成形件的工藝性對(duì)制定沖壓工藝方案，進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，提高制件質(zhì)量很重要，首先要識(shí)別主導(dǎo)地位的工序性質(zhì)。其次是要判斷決定制件加工極限的工序類別，控制破裂和起皺極限;合理制定毛坯形狀和模具結(jié)構(gòu)，零件毛料形狀、模具壓延筋的布置以及沖壓過程的壓邊力的大小，使零件拉深過程中出現(xiàn)破裂、起皺等現(xiàn)象的決定性因素;合理使用壓延筋可以控制材料的流動(dòng)趨勢(shì)，使材料的成形厚度均勻，防止局部起皺，但壓制力過大會(huì)使材料過度變薄而破裂;壓邊力的大小主要是為防止起皺，同樣存在力值過大會(huì)使材料過度變薄而破裂的問題。毛料尺寸和形狀也是零件成形關(guān)鍵。