不銹鋼精密零件冷鐓成形研究

張成浩

（成都宏明雙新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引言

冷鐓是精密塑性體積成形的一種，在壓力和模具共同束縛下控制金屬流動促使金屬體積轉(zhuǎn)移，獲得所需形狀、尺寸及具有一定力學(xué)性能的零件。冷鐓技術(shù)是高精、高效、優(yōu)質(zhì)低耗的先進生產(chǎn)工藝，一般應(yīng)用于中小型冷鐓件規(guī)?；a(chǎn)。隨著電子產(chǎn)品、家用電器等行業(yè)對技術(shù)要求的不斷提高，冷鐓工藝己成為中小零件精細化生產(chǎn)的發(fā)展方向之一。

圖1所示為電子產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)，材料為不銹鋼SUS304-I，零件呈臺階結(jié)構(gòu)。零件技術(shù)要求：①硬度要求平均在330 HV以上；②外觀面需全光亮帶，按A級面管控，不允許存在任何色澤的差異；③沖孔沖切面光亮帶大于85%，無塌角；④不允許存在起皺、拉傷及撕裂等外觀缺陷；⑤外形尺寸公差為±0.02 mm，平面度公差為0.05 mm。

圖1 零件結(jié)構(gòu)

1 零件材料特性

不銹鋼SUS304-I應(yīng)用較為廣泛，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和力學(xué)特性，沖壓、彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，力學(xué)性能如表1所示。

表1 不銹鋼SUS304-I力學(xué)性能

2 零件工藝分析

零件成形工藝主要有以下2種。

2.1 金屬切削加工

采用金屬切削加工是傳統(tǒng)成形方式，也是最直接的方法。CNC切削加工成形存在的問題：材料利用率低且成本高，材料浪費嚴重。為此需要一種節(jié)約材料且減少切削加工余量的成形工藝，選用板材通過精密冷鐓方式成形，精密冷鐓成形毛坯，然后進行沖裁成形所需的零件，該工藝有以下特點。

（1）材料利用率高，可選用1.6 mm厚的卷料，經(jīng)過局部冷鐓實現(xiàn)零件形狀成形，最大程度提升材料利用率。

（2）生產(chǎn)效率高、可批量生產(chǎn)，沖壓冷鐓均適合大批量生產(chǎn)。

（3）冷鐓采用模具成形，成形零件精度及品質(zhì)穩(wěn)定可靠。

（4）無需CNC加工。

（5）成形零件硬度可提高到330 HV以上，能滿足零件強度要求。

（6）采用流動控制成形技術(shù)控制材料流動過程，經(jīng)研磨電鍍后表面色澤一致，外觀達到客戶要求。

2.2 冷鐓成形工藝

冷鐓時，一次鐓壓成形所容許的變形程度，稱為許用變形程度。不同材料有不同的許用變形程度，工藝上，每道冷鐓工序的變形程度應(yīng)小于許用值。不銹鋼材料在冷鐓鐓粗過程中，其高度會發(fā)生變化，以高度變化量反映鐓壓量，鐓壓量與高度變化關(guān)系為：

式中：H——冷鐓前高度，1.5 mm；h——冷鐓后高度，0.9 mm；ε——鐓壓量，經(jīng)計算ε=40%，小于不銹鋼自由鐓壓量50%～60%的變形量。

經(jīng)過冷鐓塑性變形，金屬的力學(xué)性能、物理性能及化學(xué)性能發(fā)生改變，隨著變形程度的增加，強度指標硬度有所提高即冷變形硬化。不銹鋼SUS304-I為亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼的代表，應(yīng)變后開始馬氏體轉(zhuǎn)變，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線上加工硬化率顯著提高，如圖2所示。SUS304-I材料硬度最大為200 HV，經(jīng)過變形量40%的冷鐓后可以達到零件要求的硬度。

圖2 SUS304-I鐓壓變形量ε與硬度曲線關(guān)系

成形工藝可采取以下2種方案。

（1）方案一：正向鐓壓成形。沖頭考慮為剛體，坯料劃分為約30 000個單元，計算過程中采用網(wǎng)格自適應(yīng)，分析的坯料模型如圖3（a）所示，直接用平?jīng)_頭鐓壓坯料，1為沖頭運動方向，2為約束Z向自由度，3為2個端面全約束，坯料厚度由1.5 mm鐓壓到0.9 mm，有限元邊界條件如圖3（b）所示。

圖3 正向鐓壓模型

鐓壓有限元分析如圖4所示。從圖4可以看出，對于SUS304-I坯料，厚度由1.5 mm鐓壓至0.9 mm，材料壓縮0.6 mm通過5個階段實現(xiàn)，峰值壓力為85 300 N，對于冷變形，設(shè)計的加工應(yīng)變和應(yīng)力有些偏高，導(dǎo)致模具安全性不高，0.9 mm的尺寸很難保證。

圖4 鐓壓有限元分析

根據(jù)圖5鐓壓泰勒展開式材料分流原理，如果有效控制材料流動會降低模具壓應(yīng)力的峰值，基于此制定第二個成形方案。

圖5 鐓壓力分布

（2）方案二:先V形鐓壓再正向鐓壓成形?？紤]沖頭為剛體，坯料劃分為約30 000個單元，計算過程中采用網(wǎng)格自適應(yīng)，先用V形沖頭鐓壓坯料，壓下量為0.6 mm，再用平?jīng)_頭鐓壓到0.9 mm，優(yōu)化后的有限元模型及邊界條件如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的有限元模型及邊界條件

優(yōu)化后的鐓壓有限元分析如圖7所示。從圖7可以看出，預(yù)先采用V形沖頭鐓壓，再用平?jīng)_鐓壓所需要的載荷比直接用平?jīng)_頭鐓壓小，而對于等效應(yīng)變則相反，說明兩步成形使坯料更容易變形。最大承載力減小，相應(yīng)的模具安全性得到提高，易保證成形0.9 mm的尺寸。

圖7 優(yōu)化后的鐓壓有限元分析

3 零件沖切面工藝分析

3.1 零件沖孔

成形中間2個孔（見圖1）以普通沖裁方式達不到?jīng)_切斷面光亮帶＞85%的要求，需要精沖、精修等沖壓方式。精沖靠V形齒限制材料流動的前提下，以極小間隙沖裁，模具零件常會因磨損劇烈而失效，模具加工成本高，且要使用專用機床沖剪，同時卸料板壓力較大。沖孔外圍材料為零件面，采用V形齒圈強壓的方式會破壞成形零件表面狀態(tài)，V形齒圈精沖不合適，需采用精修的方式成形。

第一次預(yù)沖孔留一定余量，第二次沖孔采用精修，不銹鋼SUS304-I精修參數(shù)如表2所示，預(yù)沖孔在最后一次精鐓之前，預(yù)沖孔寬度為1.90 mm，精修量保留0.15～0.3 mm，然后采用精修修整預(yù)沖孔塌角與孔的側(cè)壁，達到成形零件對于沖孔光亮帶的要求，精修參數(shù)與工序設(shè)計如圖8所示。

圖8 精修沖孔及工序

3.2 零件外形沖切

零件外形要求光亮且不允許有接刀段差，冷鐓后零件飛邊余量較少同時材料硬化，不適合V形齒精沖，采用切邊后精密整體落料方式進行處理，如圖9所示。精密落料間隙選用表2所示參數(shù)，前期試驗驗證結(jié)果顯示成形零件側(cè)切面符合要求，如圖10所示。

圖9 精修落料

圖10 斷面質(zhì)量驗證

表2 SUS304-I精修參數(shù) mm

4 模具零件材料

冷鐓模在高壓、高摩擦力的環(huán)境下工作，因此要求模具鋼在工作溫度下具有較高的硬度、強度、沖擊韌性和熱疲勞性能。根據(jù)被鐓壓金屬的種類、溫度、鐓壓力等條件，選用合適的工藝與優(yōu)質(zhì)的模具零件材料尤為重要。冷鐓模零件材料要求：高硬度、高強度、高韌性、高耐壓能力、高耐磨性、良好的工藝性能。沖孔沖頭與刃口采用ASP23材料，鐓壓沖頭與凹模選用鎢鋼KG7。

5 模具潤滑

潤滑對冷鐓有重要影響，不僅影響金屬的變形和冷鐓件的成形質(zhì)量，還影響冷鐓單位壓力的大小、模具零件的強度和使用壽命等。為盡量減小摩擦的不利因素影響，除模具零件工作表面粗糙度要求高外，還要采用良好而可靠的潤滑方法，常用液態(tài)、固態(tài)2種潤滑劑。采用的潤滑方式是通過在冷鐓過程中添加鐓壓油實現(xiàn)，選用S950A冷鐓潤滑油，給滑動的負荷提供潤滑的油膜，利用極壓原理，避免金屬與金屬表面直接接觸；同時降低鐓壓負荷，促進金屬在模具中的流動，減少模具零件磨損。

6 排樣設(shè)計

排樣設(shè)計如圖11所示，材料選用SUS304-I，厚度為1.6 mm，料帶先沖定位孔、切邊，再進行第一次V形沖鐓壓，鐓壓量為0.6 mm，第二次平鍛，鍛壓到1.0 mm，后進行修邊沖定位孔、粗沖零件孔，再進行鐓壓精整形到零件厚度0.9 mm。同時對前面沖孔塌角進行鐓壓整形，整形后精修零件孔到寬度1.75 mm，沖裁間隙為0.01 mm，然后裁切零件外形并保有0.15～0.3 mm余量，最后落料，沖裁間隙為0.01 mm。

圖11 排樣設(shè)計

7 結(jié)束語

通過對SUS304-I冷鐓零件的結(jié)構(gòu)分析，給出了具體的工藝解決方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過模具開發(fā)與試模生產(chǎn)，最終達到成形零件形狀、尺寸、沖孔與外形切斷面的光亮帶＞85%的要求，且成形零件硬度達到382 HV，滿足大批量生產(chǎn)的要求。