薄壁殼體拉深工藝及模具設計

■北方華安工業集團有限公司 姜煥成，張立巖

薄壁殼體拉深工藝及模具設計

■北方華安工業集團有限公司 姜煥成，張立巖

對某薄壁殼體拉深工藝進行分析，介紹了板材毛坯拉深成形的工藝過程，經過毛坯直徑和拉深次數的計算方法，反復拉深，成形出表面質量理想的殼體零件。

我公司承擔的某產品中一關鍵件（見圖1）為典型的不等壁殼體類零件，材質選用H96黃銅。設計精度較高，局部徑向公差僅為0.1mm，且零件外觀要求嚴格，表面不允許有深度大于0.1mm的劃傷和壓痕。

1. 工藝性分析

該零件為開口空心制件，最薄壁厚僅有1.5mm，屬冷沖壓中典型的板材拉深件。由于產品各處壁厚不均，δmax=3mm，δmin=1.5mm，相差較大。為保證設計要求，選取厚度為3mm板材進行拉深成形。

板材拉深成形有兩種方法：等壁拉深法和變薄拉深法。

（1）等壁拉深法 將殼體拉深成壁厚相等的半成品，后續采用機加或旋壓工藝方式加工至最終成品。但機加工必然產生大量材料浪費，而旋壓易導致外表面撕裂，且需在不同類型設備間周轉，增大了產品外表面磕碰的幾率，為外觀質量控制增加難度。

（2）變薄拉深法 變薄拉深細分為兩種，直徑縮小的拉深和直徑不顯著縮小的拉深。第一種拉深是在極度困難的條件下進行的，制件在復雜拉應力作用下常導致拉斷。較好的方法是首先進行等壁厚拉深，再通過多次直徑變化很小的變薄拉深至最終成品。該方法不僅能保證產品質量，且生產效率較高，制造成本低，適合大批量生產要求。

通過以上分析，決定采用變薄拉深法生產。

2. 工藝設計

（1）坯料尺寸確定 毛坯尺寸通常按體積相等法、質量恒定法和表面積相等法確定。根據零件實際情況，本次計算采用體積相等法。利用CAD/CAM軟件進行三維實體設計（見圖2），經計算成品體積為80.5cm3。考慮到拉深后零件圓筒上沿是不整齊的，須經落料切邊。據文獻介紹黃銅制件必須切去高度5%～8%，加之中間退火工序火耗，故實際下料體積暫定為90cm3。D值按下列公式計算

式中 D——毛坯直徑，mm；

V——殼體下料毛坯體積，V=

90×103mm3；

t——毛坯厚度，t=3mm。

經計算確定坯料尺寸為φ195mm×3mm。

（2）拉深次數確定 等壁厚拉深次數確定。已知D=1 9 5 m m，t=3 m m，則t/ D×100 =1.5。依據設計圖樣，將不等壁拉深時產品外圓尺寸設計為φ62mm。所以∑m總=d/D=62/195=0.31。查文獻表29，取m1=0.52，m2=0.76，則m3=∑m總/m1×m2=0.78。第1次拉深直徑d1=m1D=101.4mm，實際取d1=102mm；第2次拉深直徑d2=m2d1=77.52mm，實際取d2=77.5m m；第3次拉深直徑d3=m3d2=60.45mm，實際取=62mm。

圖1 零件簡圖

圖2 零件實體設計

變薄拉深次數確定。據文獻介紹，變薄拉深極限拉深系數

式中，n為變薄拉深極限系數，tn、tn-1為相鄰道次制件厚度。代入變薄前后制件壁厚，計算n實際=1.5/3=0.5，文獻介紹黃銅極限變薄拉深系數n銅=0.55，因為n實際＜n，故需兩次拉深成形，即t1=2，t2=1.5。

（3）零件熱處理 金屬拉深時，側壁上部的晶粒被強烈粉碎、伸長。隨著內部晶格復雜畸變，產生的殘余應力阻礙位錯運動，使得材料抗外力變形能力增強，宏觀表現為基體產生明顯的冷作硬化現象，即塑性顯著降低，延展性變壞，深度拉深后底部易產生裂紋。黃銅拉深時，為恢復塑性，每次拉深后都需要進行適當的退火處理。

綜上所述，零件拉深工藝流程為：下料→一、二、三次拉深→一、二、三次拉深退火→一、二、三拉深酸洗→變薄拉深→退火→精整、翻邊→落料成形。具體工序見圖3。

3. 模具設計

依據工廠現有情況，結合類似產品加工經驗，該零件冷沖壓成形工序集中在1000kN油壓機和400kN摩擦壓力機上進行。

（1）等壁拉深模具設計 等壁拉深模具設計如圖4所示。模具設計中遵循通用化、標準化原則，盡量結合現有模具結構進行改進，以更換凸凹模、定位套及壓料器等為手段，降低整體模具制造成本，提高快速換型效率。

（2）變薄拉深模具設計 變薄拉深模具設計如圖5所示。該模具為組合模具，將變薄拉深模具和翻邊模具分別安裝在設備的不同工位上，通過順序拉深，將幾道工序結合起來完成，提高生產效率，實操如圖6、圖7所示。

圖3 零件工序

圖4 等壁拉深模具

圖5 變薄拉深、翻邊組合模

圖6 等壁拉深

圖7 變薄拉深、翻邊組合模

4. 結語

該工藝方式及模具經產品通關批、首批兩個批次試驗，完全滿足設計要求，提高了材料綜合利用率及生產效率。同時采用快速換型手段，降低模具制造成本，生產方式滿足批量生產要求。該工藝方式的成功應用，對同類開口型薄壁殼體類零件深拉深加工具有一定的借鑒意義。

20150706