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不銹鋼拉深過程中常見問題分析

來源:原創 日期:2014-10-31 15:44:49 人氣:

不銹鋼的延展率小、彈性模量E較大,硬化指數較高,厚向異性指數r值很小(不銹鋼為0.9~0.11,軟鋼為1.3~2.0)。不銹鋼材料由屈服到破裂的塑性變形階段短,特別是它的塑性應變比的加權值R較大。不銹鋼板拉深開裂有時發生在拉深變形之后,有時是在當拉深件由凹模內退出時立即發生;有時是在拉深變形后受撞擊或振動時發生;也有時在拉深變形后經過一段時間的存放或在使用過程中才發生。本文針對不銹鋼板拉深時產生缺陷的原因進行了分析,并提出解決措施。

    不銹鋼拉深過程中常見問題分析

    1 開裂形成的原因

    奧氏體不銹鋼的冷作硬化指數高(不銹鋼為0.34)。奧氏體不銹鋼為亞穩定型,在變形時會發生相變,誘發馬氏體相。馬氏體相較脆,因此容易發生開裂。

    在塑性變形時,隨著變形量的增大,誘發的馬氏體含量也將隨著變形量的增大而增高,殘余應力也越大(圖1)。

   
    圖1 殘余應力與馬氏體含量的關系

    誘發的馬氏體相含量越高,引起的殘余應力也越大,在加工過程中也就越易開裂。

    2 表面劃痕形成的原因

    不銹鋼拉深件表面出現劃痕主要是由于工件和模具表面存在相對移動,在一定壓力的作用下,致使坯料與模具局部表面直接產生摩擦,加之坯料的變形熱使坯料及金屬屑熔敷在模具表面上,使工件表面擦傷產生劃痕。

    不銹鋼常見成形缺陷的預防措施

    1 選擇合適的不銹鋼材質

    在奧氏體不銹鋼中常用材料是1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni9Ti,力學性能如表1所示。

    表1 奧氏體不銹鋼的力學性能
    在拉深過程中1Cr18Ni9Ti比0Cr18Ni9Ti穩定,抗開裂性好。因此應盡可能選擇1Cr18Ni9Ti材料。

    2 合理選擇模具材料

    不銹鋼在深拉深過程中硬化顯著,產生許多硬金屬點,造成粘附,使工件和模具表面容易劃傷、磨損,因此不能采用一般模具用工具鋼。

    實踐證明:選擇銅基合金模具能消除不銹鋼件表面劃痕、劃傷,降低破損率。另一種材料為高鋁銅基合金模具材料(含鋁13Wt%~16Wt%),這種材料與SUS304不銹鋼互溶性小,拉深件和模具之間不粘著,拉深件表面不易產生劃痕劃傷,產品拋光成本低,在不銹鋼拉深成形領域已經獲得成功應用。但是由于這種模具硬度偏低(40HRC~45HRC),常用于生產相對厚度t/D較小的產品。一般拉深1500件~2000件以后在凹模表面容易產生始于圓角R處呈放射狀拉深棱。氮化硅陶瓷(Si3N4)已成為重要的工程材料,尤其是反應燒結氮化硅陶瓷,具有良好的高低溫力學性能、耐熱沖擊性和化學穩定性,而且可以非常方便地制成形狀復雜的零件。可利用陶瓷材料的高硬度、高耐磨性以及高化學穩定性,用反應燒結氮化硅材料模具代替金屬模具拉深SUS304不銹鋼。

    3 選擇合理的凸、凹模圓角

    凹模圓角與應力大小和分布有很大的關系。圓角半徑大,壓邊圈壓料面積不足,容易產生失穩起皺;而如果圓角太小,材料在變形過程中進入凹模的阻力就會增加,材料不易向內流動和轉移,從而增加了傳力區的最大拉應力,可能導致拉裂。因此,選擇合理的凸、凹模圓角半徑是至關重要的。

    凸模相對圓角半徑rp/t與極限拉深力f的關系如圖2所示,凹模相對圓角半徑rd/t與筒形件拉深系數m之間的關系如圖3所示。從圖2中可以看出,凸模相對圓角半徑rp/t約等于4時,最有利于防止開裂。從圖3中可以看出,凹模和凸模相對圓角半徑增加,其極變形程度會增加,凹模相對圓角半徑取5mm~8mm時有利于防止開裂。

   
    圖2 凸模相對圓角半徑rp/t與極限拉深力f的關系

   
    圖3 凹模相對圓角半徑rd/t與極限系數m的關系

    4 采用帶變薄的拉深

    以前的探討者通過試驗也證明了采用帶變薄的拉深可大幅度降低拉深件的切向殘余應力最大值,可有效地防止縱向開裂發生。根據不同的變形程度和原始板料厚度,選擇適當的變薄系數Ψn(一般為0.9t~0.95t),如果Ψn取值過小會使變形應力急劇增加,從而導致拉深件底部破裂。

    5 在拉深工藝中加入中間退火工序

    在多次拉深后應進行一次中間退火工序,可以徹底消除殘余應力,并恢復奧氏體不銹鋼的組織。對于高硬度的不銹鋼,一般在1~2次拉深工序后,需要進行中間退火。如1Crl8Ni9Ti,通常加熱溫度為1150℃~1170℃,加熱時間為30min,并在氣流中或水中冷卻。并且,無論是工序間熱處理,還是最后成品熱處理,應盡可能在拉深后立即進行,以免由于長期存放,工件由于內應力作用產生變形或龜裂。但退火以及退火后的的清洗會導致生產周期的增加,且影響表面品質。

    6 采用適當的潤滑劑

    采用適當的潤滑劑對不銹鋼的拉深有明顯的效果。潤滑劑能夠在凸、凹模之間形成一層有一定韌性和延伸率的薄膜,因而有利于不銹鋼的拉深成形。

    對于拉深變形程度大、成形困難的不銹鋼拉深件,在實際生產中可以使用聚氟乙烯薄膜來充當潤滑劑。聚氟乙烯薄膜具有極好的抗撕裂強度、一定的韌性和延伸率且容易清洗。涂復干膜后,在拉深過程中干膜能隨坯料一起變形,可以始終將坯料與模具隔開,加之薄膜本身具有一定孔隙度和大量纖維裂紋,故也可存放一定的潤滑油,所以該薄膜相當于一層干膜潤滑劑。這種潤滑方式可以有效地將變形不銹鋼板與模具表面隔離開,潤滑效果良好,有利于提高模具使用壽命和產品的合格率。

    7 其他預防措施

    在不銹鋼的拉深中還可以采取下列預防措施:

    (1) 由于白口鑄鐵的存油性能好,容易形成潤滑油膜,壓邊圈的材料可以使用白口鑄鐵;
    (2) 采用錐形壓邊圈;
    (3) 邊緣加工光滑,不能有微裂缺口。

    汽車消聲器殼體拉深缺陷解決方案

    某公司為“福特”汽車公司生產的汽車消聲器外殼(材料為不銹鋼),在預拉深工序和拉深成形工序中均出現開裂現象(開裂部位如圖4所示)。工廠在實際生產時,拉深開裂出現幾率在5%~8%左右。為此他們在預拉深工序和成形拉深工序之間增加了退火和酸洗處理,但其效果不明顯。

   
    圖4 工件及預拉深時開裂的部位

    1 零件開裂原因分析

    由于該工件的拉深深度大(預拉深時拉深深度為94mm~95mm)、頭部截面又較小、壁薄等原因, 使零件拉深成形困難。該工件的開裂部位出現在凸模的圓角和凹模的圓角處。經分析,認為引起工件拉深    開裂的原因有:

    (1) 在凸模圓角處(該處變薄最厲害)產生開裂的原因是拉應力超過了材料的強度極限而引起的;
    (2) 凸緣面積不合理,導致材料變形阻力增大,容易形成開裂;
    (3) 如前所述凹模的圓角半徑與應力的分布有很大的關系,該零件由于其凹模圓角小,增大了材料變形時的阻力和傳力區的最大拉應力,導致變形區應力過大,從而引起零件在凹模圓角處開裂;
    (4) 只采取了常規的潤滑措施,材料在變形時同凹模表面產生摩擦也增大了變形阻力,相應地也增大了最大拉應力,阻礙了材料在變形時的流動。

    2 采取的改進措施

    根據上述開裂形成原因的分析,采用以下改進措施,使得該零件在拉深時開裂的比率大幅下降。

    (1)在凹模表面涂干膜潤滑劑(主要成份為:硝化棉,油性醇酸樹脂和增塑劑,極壓劑等添加劑),以減小材料在變形過程中與模具表面的摩擦阻力,使材料更容易由變形區向傳力區流動。干膜潤滑劑的干膜能將模具與坯料隔開,防止零件表面劃傷和模具粘結,從而可以提高零件表面質量和成品率,同時干膜本身也具有一定的韌性,有利于材料的拉深成形;
    (2)優化凸緣直徑,降低最大拉應力,減小變形阻力。增大了第一次拉深的模具橫向尺寸,并且加大了第一次拉深的凹模圓角;
    (3)經過綜合分析后,決定在預拉深工序結束后增加一道切邊工序,盡量切除多余材料,減小材料成形阻力,有效的防止材料在進一步變形過程中產生開裂;
    (4)合并了原工序中的最終兩道工序(即成形拉深、翻邊工序),將其整合成一道工序(成形和翻邊),使該零件的加工步驟沒有增加,從而也就有效的控制了加工成本。通過上述一系列的改進措施,很好的解決了該零件在預拉深和最終拉深過程中出現的開裂現象。

    結論

    雖然不銹鋼在拉深時常出現開裂、起皺和表面劃傷等缺陷,但通過選擇成形性能好的不銹鋼材料、合理的凸、凹模圓角、增加適當熱處理工序和在凹模表面涂潤滑劑等合理的預防措施,就可以提高不銹鋼拉深成形的成功率,拉深出高質量不銹鋼產品。同時應用本研究成果,可成功地解決汽車消聲器外殼在預拉深工序和拉深成形工序中均出現開裂的問題,得到了工廠的好評,取得了良好的經濟效益和社會效益。 的對策
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