錐形環成型工藝研究

摘 要：高溫合金是在高溫下有較高的力學性能，抗氧化性和抗腐蝕性能的合金，在航空、航天等高溫工作的構件的上面廣泛運用，在航空工業中，高溫合金主要用于制造發動機高溫工作的構件，如燃燒室、導向葉片以及機匣等，其中多數板材零件采用鈑金成形工藝制造，高溫合金材料的鈑金成形工藝研究及其推廣有著重要的意義。

關鍵詞：錐形環；成型工藝；起皺；破裂

1 零件的工藝性分析

如圖1所示錐形環屬于旋轉體成型，兩種錐度的錐形體組合而成，而且零件的圖樣允許有一條縱向焊縫，該類零件可以采用板材卷成圓筒采用聚氨酯橡膠漲型成型或者是用錐形件拉深去底加工成型。零件的錐度分別為50°和3.5度，h=57，零件的變形程度較大，而且在成型過程中，有很大一部分毛坯處于懸空狀態，零件容易出現起皺現象。采用漲型工藝由于零件的小徑為138.7mm，大徑為191mm，直徑差52.7，單邊變形量為26mm，由于聚氨酯橡膠的敦粗變形程度地影響，很難將零件漲型到位。故根據零件的形狀特點選用拉深工藝來進行錐形環的成型。

2 確定零件的成型工藝方案

2.1 確定零件的拉深次數及成形方案

根據階梯型零件的拉深系數的計算方法：

方案一：首次拉深出大圓角圓筒形零件，然后采用二次拉深成型零件的最終形狀。

方案二：首次拉深出錐度為50°的錐形體，然后二次拉深形成零件的最終形狀。

將上述兩種工藝方案進行比較發現：方案一由于先將零件拉深成圓筒形，在二次拉深的過程中由于凸模側壁呈錐形，圓筒形的壁在成型過程中存在無約束部分并且處于懸空狀態，由于切向壓應力的作用，材料發生縱向彎曲折皺。容易出現筒壁折皺現象，零件側壁的成型質量不好。而第二種零件是先成型出50°錐體與零件的最終形狀一致，不會出現起皺現象，故選擇第二種工藝方案。

2.2 確定零件的成型過程

由于采點主要用的是先拉深出50°錐形體，然后在深拉深達到零件的最終形狀的成型方案，成型的難在第二道拉深，為了保證零件二次拉深能夠準確定位，避免出現裂紋和褶皺等現象，確定零件的成型過程如圖2：

3 加工過程中出現的質量問題及解決方案

3.1 拉深過程起皺的解決方案

零件在首次拉深時，在零件的凸緣部分以及錐體部分出現了褶皺。

錐形體的首次拉深的成型過程如圖3：

圖a）為錐形體的毛坯，在凸凹模的作用下，開始進行拉拉深。圖b為隨著凹模的下壓，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，凹模圓角以及未拉入凹模的凸緣五個區域。圖c為凸模繼續下壓，凸緣部分的材料繼續被拉入凹模轉變為筒壁，直至凸凹模的型面完全貼合位置，拉深過程全部結束形成錐形體的首次拉深形狀。

由此可見，拉深變形主要集中在凸緣部分的材料上，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，將壓力傳遞到凸緣部分使之變形，將其逐漸收縮。在凸緣部分取出一個扇形單元體，進行其在拉深過程中的受力分析，見圖4：

由此可見凸緣部分在成過程中受到切向壓應力σ3的作用，而在徑向上受到拉應力σ1的作用，即材料在成型過程中在切向受壓縮的同時被拉著向凹模方向流動，形成筒壁。

由上述錐形體的形成過程可以發現，零件凸緣起皺的主要原因主要有以下兩個方面：一是凸緣部分起皺主要由于零件在成型過程中的壓邊力過小，無法抵制過大的切向壓應力造成的切向變形，失去穩定，形成皺紋；二是材料為GH4169高溫合金，抗拉強度為1270MPa是普通結構鋼的3倍，而伸長率只有12%，比普通結構鋼低50-60%多，零件的變形抗力大，需要增加壓邊力來增加材料的拉應力，通過增加毛料的尺寸和在壓邊圈上面設置壓延筋，有效的控制了零件凸緣起皺現象。

錐形體的成型過程錐體部分出現皺紋的主要原因：一是零件在剛開始成型的過程中，零件的筒壁處于懸空狀態，這時材料受到的拉應力減小，而在徑向壓應力的作用下，材料失去穩定而起皺；二是壓邊力過小，凹模圓角半徑太大在成型過程中R部位產生的折皺，一面寬度變窄，一面向垂直壁轉移，發生壁折皺；或潤滑油過多，使徑向拉應力小，材料在切向壓應力的作用下，失去穩定而起皺。三是錐形體的材料為高溫合金，由于高溫合金的強度大、塑性低，在零件的成型過程中，材料的抗力大，在模具的閉合過程中，流入到凹模中的材料在拉應力的作用下沒有來得及發生塑性變形，造成材料堆積，在壓應力的作用下產生褶皺。

綜上所述，對材料進行了固溶處理，提高其塑性，使材料在零件成型過程中的抗力小，將工藝路線調整為固溶--首次拉深--二次拉深。同時將凹模的圓角半徑由原來的R9改為R7，零件的毛坯尺寸為310mm，進行拉深試驗。零件的起皺現象消失，成功的完成了零件的首次拉深工藝。零件首次拉深的最終成型質量如圖20：

3.2 錐底裂紋的解決方案

錐形體在二次拉深時出現的主要質量問題是零件的底部破裂，零件二次拉深的成型過程如圖5：

圖a為錐形體的首次拉深毛坯，在凸凹模的作用下，開始進行二次拉深。圖b為隨著凹模的下壓，在凸模的作用下，45°的錐形體的底部發生塑性變形，帶著筒壁的材料拉入凹模，形成了3.5°錐形體的筒底，筒壁，兩椎體之間的轉接圓角R19以及未拉入凹模的40°錐形體四個部分。圖c為凹模繼續下壓，錐體部分的材料繼續被拉入凹模轉變3.5°為筒壁，直至凸凹模的型面完全貼合位置，拉深過程全部結束形成錐形體的最終拉深形狀。由此可見，拉深變形主要集中在錐形體筒壁部分的材料上，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，將壓力傳遞到錐形體筒壁部分使之變形，將其逐漸收縮。

綜上所述：消除錐形體的破裂要從下面幾個方面入手： ① 降低壓邊力過大； ② 改善潤滑條件；③ 修正毛坯形狀；④消除材料的應力。

4 結論

在上述錐形環成型工藝過程的分析和實際生產中存在的質量缺陷進行研究，得出了關于不同角度的階梯錐形體零件成形經驗以及高溫合金材料的成型難點，為今后類似形狀零件的拉深成型工藝及處理其生產過程中存在的缺陷奠定了良好的理論基礎和實踐經驗。