小直徑耐熱鋼深筒件深拉成形工藝改進

張利軍，朱鵬超，李明生，薛祥義，董志強，楊關鎖

拉深成形工藝作為金屬材料塑性加工的主要方法廣泛應用于汽車、家電、航空、航天、兵器、艦船、軌道車輛等制造工業領域，特別適用于薄壁深筒類零件的成形加工。某成套設備在設計時需要一種Ni基耐熱鋼制造的小直徑深筒件，結構尺寸如圖1所示。由于該零件要求具有良好的疲勞性能與耐蝕性，所以該件必須使用耐熱鋼板整體成形，不允許采用分體焊接等工藝制造。

依據零件形狀規格分析可以看出，該零件直徑小、內腔深，是一個典型的深筒件，此類型產品只能采用冷旋壓成形或冷拉深成形，由于零件直徑尺寸太小，旋壓成形難度較大，工藝設計采用多道次拉深成形，拉深成形原理示意如圖2所示。

1. 首次拉深工藝分析設計與試制

耐熱鋼固溶處理后的抗拉強度為615MPa，伸長率為42%，該牌號耐熱鋼固溶處理后具有較好室溫塑性，可滿足冷拉深成形工藝要求。該零件各處壁厚要求均勻一致，平均壁厚為2.35mm，為了保證最終產品厚度，初步選取4mm厚度板材，工藝設計計劃采用等壁厚拉深法與變壁厚拉深法相結合的工藝。

毛料直徑的確定：通過對零件體積計算及綜合在成形過程中板材需要經過多次拉深、固溶、吹砂清理、清洗及齊口平端面等機械加工產生的消耗，最終確定毛坯的規格為φ56mm×4mm。

沖裁力是確定模具選材與設備選型的主要依據，沖裁力

F=K L sτ=1.3×56×3.14×4 × 0.8×615=449869（N）

式中F―沖裁力（N）；

L—沖裁周邊長度（mm）；

s—坯料厚度（mm）；

K—系數，一般為1.3；

τ — 材 料 剪 切 強 度（MPa），一般按0.80σb。

依據計算的沖裁力我們選定1000kN壓力機進行坯料落料。

拉深次數確定：拉深系數m是拉深成形工藝的主要工藝參數，拉深件直徑與坯料直徑比值稱為拉深系數，是衡量拉深變形程度的指標，拉深系數越小，表示拉深件直徑越小，變形程度越大，坯料被拉入凹模越困難，因此也越容易出現拉裂廢品，一般情況下單次拉深系數不小于0.5～0.8，坯料塑性差取上限，塑性好取下限。減薄系數ψ是拉深件壁厚與坯料件壁厚的比值，減薄系數越小，表示減薄變形量越大，成形越困難（道次越多）。該零件m總=15.4/56=0.275，非常小，需要采用多次拉深成形； ψ總=2.35/4=0.5875，為適中，一般需要2次減薄就可以。具體計算為

圖1 深筒件零件

圖2 拉深成形原理示意

深拉成形示意如圖3所示，每次拉深成形后需要進行一次真空固溶處理，以回復合金的冷加工塑性，選定630k N壓力機進行拉深成形。

按照以上工藝設計加工模具后進行了產品試制，試制過程中每道次產品解剖件如圖4所示，可以看出1～5道次產品的壁厚不均勻，越靠近口部越厚，越靠近底部越薄，且筒壁與底部的過渡圓角部位明顯要薄與其他部位厚度，特別是4道次拉深件與5道次拉深件的過渡圓角更甚，造成最終產品該處壁薄不能滿足最終產品設計和使用要求。

圖3 首次設計拉深成形示意

2. 拉深工藝改進與試制

該零件在拉深成形時其凸凹模間隙一般等于或稍大于板料厚度，拉深時板料被拉入凸凹模之間的間隙形成圓筒的直壁，拉深件底部一般不變形，只起到傳遞拉力的作用，在成形過程中直壁下部由于受到拉力作用，厚度會有所減薄，直壁與底之間的過渡圓角一般被拉薄的最嚴重，直壁上部（法蘭）由于受壓應力作用，壁厚會有所增加，較下端壁厚要厚。

由于該耐熱鋼較常規拉深成形用的碳鋼或低合金鋼、銅等金屬材料強度要高出很多，塑性又相對較低，加工硬化明顯，其拉深成形過程中上側壁的變形抗力非常大，致使底部受到非常大的拉力，最終凸模將過渡圓角處及下側壁拉薄（明顯薄于工藝設計的4mm），在進行后續道次拉深變形時，由于變薄的部位與模具不貼合（模具設計間隙4mm），不受壓應力屬于自由狀態進一步拉深減薄，導致最終產品報廢。

為有效解決該問題，我們首先計劃減小大部分凸模的過渡圓角，以增加拉深成形時坯料底部受力面積；其次，計劃采用減徑與減薄交替的工藝進行拉深成形（首次工藝采用是先減徑后減壁厚的工藝），保證在拉深成形過程中坯料的側壁始終受到壓應力作用，增加坯料內側壁與凸模的摩擦力分擔底部的拉應力

改進工藝的道次拉深系數與減薄系數計算

改進后的深拉成形示意如圖5所示，按照改進后的工藝設計加工模具后進行了產品試制，試制過程中的每道次產品解剖件如圖6所示，可以看出每道次拉深成形產品的壁厚均勻，尺寸符合產品設計要求，達到了工藝改進的目的，試制零件能夠滿足最終產品設計和使用要求。

圖4 首次試制產品解剖件

圖5 改進后拉深成形示意

圖6 改進后拉深成形工藝試制產品解剖件

3. 結語

針對該耐熱鋼材料特性對其拉深成形工藝及模具設計進行改進，試制結果表明，改進后拉深成形工藝參數與模具設計合理，解決了前期筒壁與底部過渡圓角減薄的技術難題，在保證產品質量的同時大幅提高了產品的成品率與生產效率，該拉深成形工藝與模具設計思路對加工耐熱鋼等強度較高、塑性較差的金屬材料具有一定的參考作用。