某不銹鋼雙壁管零件成形工藝

史東浩

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003）

0 引言

我公司產(chǎn)品中用到某不銹鋼雙壁管，其作用是利用金屬塑性變形來吸收碰撞動(dòng)能。主要特點(diǎn)是雙壁管零件受到?jīng)_擊載荷時(shí)，經(jīng)過特定的連接方式使其沿軸向發(fā)生連續(xù)的塑性變形，通過延伸變形還原成單壁管，在此期間，將沖擊動(dòng)能轉(zhuǎn)化為塑性變形能和熱能；在合理連接結(jié)構(gòu)控制下，還可以在沖擊回彈時(shí)，由單壁管通過壓縮變形再次回復(fù)成雙壁管，從而繼續(xù)吸收沖擊回彈能量，能起到多次連續(xù)吸收沖擊及回彈能量的作用，是目前各類吸能元件中吸能效果最好的元件。其在要求耐受墜撞沖擊的領(lǐng)域，作為保護(hù)人員的安全裝置方面，取得非?？煽康男Ч?。裝備此類裝置的產(chǎn)品在我單位年度經(jīng)營(yíng)指標(biāo)中長(zhǎng)期占據(jù)40%左右的份額，占據(jù)核心產(chǎn)品的地位，該元件屬于核心零件。但該零件的生產(chǎn)一直存在合格率很低的現(xiàn)象，長(zhǎng)期為30%左右。為滿足交付需求，往往采用提高投產(chǎn)數(shù)量的方式組織生產(chǎn)，有時(shí)投產(chǎn)量達(dá)到需求量的5倍左右，導(dǎo)致產(chǎn)出100件左右的合格零件，需要超過4個(gè)月的生產(chǎn)周期，相應(yīng)的成本居高不下。近年來隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈及產(chǎn)品升級(jí)換代的需要，降本增效提上日程，需要對(duì)該零件的生產(chǎn)過程進(jìn)行全面提升，根據(jù)對(duì)相關(guān)資料的研究，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，改善實(shí)際生產(chǎn)工藝中的部分環(huán)節(jié)，取得明顯的效果。

該零件材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，其形狀尺寸如圖1所示。

圖1 雙壁管零件圖

1 工藝分析

此類雙壁管零件的成形工藝，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，從傳統(tǒng)的沖壓擴(kuò)口、縮口、翻邊等工藝發(fā)展起來的特種成形技術(shù)，它通過對(duì)金屬薄壁圓管施加軸向壓力并借助模具使管端材料逐步產(chǎn)生卷曲變形，得到雙層管狀工件[1]。

零件材質(zhì)1Cr18Ni9Ti的伸長(zhǎng)率δ5≥40%，具有很好的塑性，適宜進(jìn)行變形工藝的操作。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，這類零件屬于大深度薄壁雙層管件，不能使用自由翻卷方式，較好的工藝方式是拉伸翻卷成形，翻管工藝過程為：管坯→預(yù)成形加工管端法蘭→預(yù)成形管坯的退火→拉伸翻管→雙壁管件[2]。

工藝方案是將管坯一端制成內(nèi)縮形式，另一端制成外擴(kuò)的樣式，再通過專用拉伸翻卷模具，固定管坯的兩端，通過導(dǎo)向芯軸，施加一定的壓力，進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使管坯從擴(kuò)口端向外通過模具圓角發(fā)生連續(xù)變形卷曲，經(jīng)過一定的行程后，即可得到雙壁管結(jié)構(gòu)。

根據(jù)工藝過程和有關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)專用拉伸翻卷模具，主要由上、下模組成，中間穿過導(dǎo)向芯軸，導(dǎo)向芯軸上端用來固定管坯的內(nèi)縮端，上下模之間用來壓緊管坯的外擴(kuò)端，管坯的外擴(kuò)端制成法蘭形狀，便于壓緊。當(dāng)管坯在模具上安裝好后，從導(dǎo)向芯軸上端施加壓力，管坯與導(dǎo)向芯軸一起下降，制成雙壁管。

生產(chǎn)設(shè)備使用上海申聯(lián)出產(chǎn)的微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)WDW-50M，進(jìn)行相關(guān)成形操作，使用該設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是不用考慮翻卷時(shí)的啟動(dòng)載荷，可以直接連續(xù)加載，直到管坯開始變形，還可以直接觀察變形過程中載荷變化情況，并自動(dòng)以圖表形式記錄，有利于問題分析及工藝措施改進(jìn)。

2 實(shí)施情況

2.1工藝過程

制定的翻管工藝過程直接參考相關(guān)文獻(xiàn)，無需進(jìn)行原則性調(diào)整，實(shí)際生產(chǎn)工藝為：管坯→管坯收縮端加工及線切割開槽→預(yù)成形管端法蘭→預(yù)成形后退火處理→翻卷成形→雙壁管件→調(diào)整加工。具體生產(chǎn)過程步驟介紹如下：

1）管坯準(zhǔn)備。1Cr18Ni9Ti-G20×0.74（精密管），長(zhǎng)度L=390 mm。

2）管坯加工。一端壓制半球頭，半球頭端就是屬于管坯收縮端，實(shí)際采用的旋壓成形模，下頂上壓的方式，在旋鉚機(jī)上完成，中間留有直徑φ12 mm的導(dǎo)向孔，半球頭成形后該孔保留下來，因?qū)罄m(xù)生產(chǎn)不造成影響，不再進(jìn)行加工。另一端線切割制開口槽，采用六槽均布方式，槽寬3 mm，根部為避免拉伸時(shí)應(yīng)力集中，直接加工成圓角。

3）管坯預(yù)成形。將開槽部分?jǐn)U張制成法蘭端，此端用于在模具上壓緊固定，翻卷時(shí)起到提供牽引的作用。

4）去應(yīng)力退火。將卷邊端頭20 mm區(qū)域內(nèi)進(jìn)行去應(yīng)力退火。用氧乙炔焰燒至1000℃，外觀顏色呈暗紅色，空冷即可。

5）翻卷成形。模具成形時(shí)，采用上壓下拉將薄壁管翻轉(zhuǎn)180°使其成為雙壁管。將加工好的薄壁管毛坯穿過導(dǎo)向芯軸，固定在成形模具內(nèi)，上模和下模將毛坯壓緊，再放到拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓制，由于下模對(duì)導(dǎo)向芯軸和管坯底部無支撐，沖頭向下的正壓力在管坯法蘭端壓緊處變成拉力，即形成上壓下拉態(tài)勢(shì)，達(dá)到管坯的塑性變形力后，管坯開始翻卷，成為雙壁管。

6）后續(xù)加工。從模具上卸下雙壁管材，對(duì)管材進(jìn)行簡(jiǎn)單的校調(diào)，使同軸度不大于φ0.5 mm，然后用線切割切除法蘭盤端，再用車工除毛刺。

2.2 生產(chǎn)過程存在的問題

圖2 管坯示意圖

圖3 預(yù)制槽端示意圖

圖4 法蘭端示意圖

圖5 退火后圖

圖6 翻卷成形零件圖

不銹鋼雙壁管生產(chǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)是翻卷成形，薄壁管材在載荷的作用下，沿導(dǎo)向芯軸運(yùn)動(dòng)，在擴(kuò)口端被凹模圓角約束，一邊向外擴(kuò)大從圓角邊緣滑出，不斷發(fā)生翻卷變化。在整個(gè)變形過程中，管坯的擴(kuò)口邊界部分不斷與凹模圓角處脫離接觸，同時(shí)管坯管壁的材料不斷填補(bǔ)進(jìn)去，形成一個(gè)連續(xù)的變化過程。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程穩(wěn)定均勻，就可以得到符合要求的不銹鋼雙壁管。從成形過程中，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)的關(guān)聯(lián)因素比較多，當(dāng)某些因素出現(xiàn)問題時(shí)，如管坯壁厚不均勻、材料缺陷、管坯彎曲、模具設(shè)計(jì)參數(shù)、模具使用方式等，在翻卷成形過程中拉伸試驗(yàn)機(jī)出現(xiàn)拉伸載荷數(shù)據(jù)大幅變化的現(xiàn)象，直至零件破壞。分析主要問題如下：

1）雙壁管管坯去應(yīng)力退火不均勻或材質(zhì)內(nèi)部缺陷，在模具中拉伸過程中容易產(chǎn)生裂紋，造成當(dāng)管坯的這個(gè)區(qū)域進(jìn)入變形區(qū)時(shí)，由于局部缺陷使管壁區(qū)材料抗拉應(yīng)力嚴(yán)重下降，所受的應(yīng)力超過管材抗拉應(yīng)力，直接出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象，無法形成翻卷，造成工件報(bào)廢，這種破裂只產(chǎn)生在變形區(qū)，被稱為變形區(qū)破裂故障，故障件如圖7所示。

圖7 變形區(qū)破裂故障件

2）翻卷模具上提供活動(dòng)翻卷元件的導(dǎo)向芯軸導(dǎo)向部分過短，成形過程中管坯中心軸線偏離模具定位中軸線，造成零件拉伸過程中出現(xiàn)軸對(duì)稱失穩(wěn)，造成零件破裂報(bào)廢。軸對(duì)稱失穩(wěn)拉伸力曲線變化如圖8所示，軸對(duì)稱失穩(wěn)故障件如圖9所示。

圖8 軸對(duì)稱失穩(wěn)拉伸力曲線變化圖

圖9 軸對(duì)稱失穩(wěn)故障件

3）管坯零件的加工制造誤差（圓度、直線度及壁厚等），會(huì)造成管坯局部位置材質(zhì)結(jié)構(gòu)差異大，拉伸過程中局部不翻卷而產(chǎn)生折疊，產(chǎn)生被稱為金剛石失穩(wěn)現(xiàn)象，造成翻卷失敗。

4）翻卷成形時(shí)管坯兩端的載荷不同軸，產(chǎn)生原因有模具上下模不同心，試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)面歪斜、管坯彎曲等，也會(huì)造成拉伸時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)移現(xiàn)象，產(chǎn)生歪斜管，得不到合格的工件。

5）管坯零件與拉伸模具芯軸之間在接觸過程中會(huì)出現(xiàn)材料黏著，影響拉伸翻卷效果，降低工件合格率。

6）管坯與上模的接觸區(qū)（含圓角部位）之間的相互摩擦力對(duì)翻卷也有很大的影響，摩擦力一旦增大接近或達(dá)到管坯材料塑性變形的范圍，翻卷過程就會(huì)被中斷，根據(jù)程度不同，會(huì)出現(xiàn)上述的各類故障。

根據(jù)以上工件故障分析，影響翻卷成形成功的主要因素有以下幾方面：a.零件加工精度控制；b.翻卷模具設(shè)計(jì)的合理性；c.操作時(shí)的注意事項(xiàng)。

3 解決措施

3.1 零件加工精度控制

雙壁管管坯零件初始加工尺寸精度為IT12級(jí)，在生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)按該尺寸精度加工出的雙壁管零件在翻卷過程中載荷波動(dòng)過大。通過數(shù)十件樣件的工藝試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)件壁厚測(cè)量及載荷力統(tǒng)計(jì)分析得出，壁厚是影響翻卷載荷力的主要原因之一，分析圖如圖10所示。

圖10 雙壁管管坯壁厚與載荷力關(guān)系圖

按工藝試驗(yàn)的結(jié)果，采用逐步提高雙壁管管坯零件尺寸加工精度的方式，對(duì)加工工藝做了相應(yīng)調(diào)整，增加精密磨外圓工序，不僅提高管坯尺寸精度、圓度和直線度，而且對(duì)零件材料表面微裂紋等缺陷也起到很好的控制作用。經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐，當(dāng)零件壁厚尺寸公差控制在±0.01 mm范圍內(nèi)，圓度和直線度均控制在0.1 mm范圍內(nèi)，翻卷時(shí)載荷力變化比較穩(wěn)定。

3.2 翻卷成形模的設(shè)計(jì)

翻卷成形模（如圖11）由上下模組成，上下模的合模精度非常重要，在模具設(shè)計(jì)上，在上模增加定位套，并用鋼珠使定位套與上模相配，形成自調(diào)式壓緊機(jī)構(gòu)，同時(shí)保證不銹鋼管坯、上下模同心，避免在翻卷過程中因合模產(chǎn)生的間隙引起偏心擺動(dòng)而造成失穩(wěn)。

圖11 模具結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)翻卷模具控制到以下條件時(shí)取得非常好的翻卷效果：下模提供活動(dòng)翻卷元件的導(dǎo)向芯軸初始導(dǎo)向部分達(dá)到翻卷行程的30%，配合間隙在0.1 mm以內(nèi)；導(dǎo)向芯軸與管坯之間間隙控制在0.1 mm以內(nèi)；導(dǎo)向芯軸（含管坯零件）與上模之間導(dǎo)向孔間隙控制在0.4～0.6 mm范圍內(nèi)。

不銹鋼毛坯材料為1Cr18Ni9Ti薄壁管，在翻卷過程中會(huì)與模具導(dǎo)向芯軸之間產(chǎn)生擠壓和摩擦，造成材料粘連，影響翻卷成形效果。因此將導(dǎo)向芯軸的材料使用2A12—T4硬鋁制造，表面做硬質(zhì)陽(yáng)極化，重鉻酸鹽封閉處理，鍍層厚度為40～60 μm，這樣模具表面硬度能達(dá)到σb=（1190±100）MPa,既能滿足耐磨要求，同時(shí)配合黃油或二硫化鉬進(jìn)行潤(rùn)滑處理，有效避免材料粘連情況發(fā)生。

3.3 操作時(shí)的注意事項(xiàng)

模具在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面安裝時(shí)，注意清潔設(shè)備臺(tái)面，調(diào)整工作臺(tái)面水平度，保證模具安裝垂直、可靠。

管坯件與上模接觸配合區(qū)，每次新裝工件時(shí)，用黃油或豬油進(jìn)行潤(rùn)滑處理，在降低摩擦力方面取得非常好的效果。

經(jīng)過歷時(shí)2年多摸索和生產(chǎn)驗(yàn)證，上述的工藝方案取得了明顯的效果，這類不銹鋼壁管工件的生產(chǎn)合格率超過96%，生產(chǎn)周期縮短一半，近期生產(chǎn)成本核算，該工件的生產(chǎn)成本不到往年的1/10。

4 技術(shù)總結(jié)

1）不銹鋼雙壁管的翻卷成型要求必須保證管坯零件加工精度，包括尺寸、圓度和直線度等必須加以控制，才能保證翻卷質(zhì)量。

2）翻卷成形工藝，模具設(shè)計(jì)是核心，保證細(xì)長(zhǎng)管坯在翻卷過程中的穩(wěn)定性，芯軸和下模導(dǎo)向必須足夠長(zhǎng)。同時(shí)采用自調(diào)式壓緊機(jī)構(gòu)，上下模合模具備自定心效果，是一種合理有效的設(shè)計(jì)。

3）生產(chǎn)操作是產(chǎn)品質(zhì)量保障的重要環(huán)節(jié)，合理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞑襟E及要求對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量保證起到很大的作用。