不銹鋼封頭成形探究及模具設(shè)計(jì)
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封頭尺寸如圖1所示，此封頭用于某鐵路貨車(chē)儲(chǔ)風(fēng)缸，材質(zhì)為T(mén)4003不銹鋼，厚度為6mm，封頭與缸體進(jìn)行組焊，要求成形后直徑差小于1mm。隨著對(duì)工藝質(zhì)量的精益求精，尤其是在不銹鋼成形方面，在保證應(yīng)有的工藝尺寸條件下，對(duì)表面質(zhì)量提出了更高的要求，不銹鋼加工后表面不能出現(xiàn)劃傷、壓痕、拉毛等質(zhì)量問(wèn)題，所以在模具設(shè)計(jì)、鑲塊材質(zhì)選擇、加工精度等方面需要認(rèn)真分析確認(rèn)。
一、封頭工藝分析
封頭為無(wú)凸緣結(jié)構(gòu)，底部為球面，側(cè)壁為筒形，采用圓角過(guò)渡，其加工工序?yàn)椋洪_(kāi)卷裁料→剪切條料→模具落料→模具壓型→掃邊→修磨去毛刺。除壓型工序外，其余工序均為生產(chǎn)車(chē)間成熟工序，壓型工序需要重新設(shè)計(jì)模具。此封頭與一般儲(chǔ)風(fēng)缸封頭相比，材質(zhì)由Q235鋼改為不銹鋼，材料變厚，表面質(zhì)量要求更高。封頭毛坯形狀為圓形，成形方式為拉深，在拉深過(guò)程中，材料很大部分在凸模下方，極易導(dǎo)致封頭圓形直壁部分在成形過(guò)程中起皺，而且起皺后很難消除。其次，封頭在成形過(guò)程中，板料變形使材料流動(dòng)阻力增大，工件與模具之間產(chǎn)生較大的摩擦力。而此封頭材質(zhì)為不銹鋼，有較強(qiáng)的粘滯性，成形后硬度顯著提高，材料與模具表面極易在某些點(diǎn)上由于壓力而粘連在一起。隨著成形的進(jìn)行，加劇了模具磨損，工件表面也產(chǎn)生劃傷，從而影響模具壽命和工件表面質(zhì)量。最后，考慮生產(chǎn)制造成本，模具結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單、小巧、使用方便、操作簡(jiǎn)單。
二、沖壓工藝方案計(jì)算分析
之前生產(chǎn)過(guò)的類(lèi)似封頭為4mm厚的Q235鋼，采用帶有壓邊結(jié)構(gòu)的模具，并且由于拉深深度較大，模具設(shè)計(jì)的比較大，采用拉深凹模底邊與工件拉深后回彈量配合完成卸料。此次由于板料厚度、尺寸和材料調(diào)整，為了保證工件能夠順利成形以及模具設(shè)計(jì)，對(duì)工件進(jìn)行必要的工藝計(jì)算和分析。
1工藝計(jì)算
⑴成形力計(jì)算：P=K×π×d×δ×σb≈148噸，根據(jù)計(jì)算及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇315噸油壓機(jī)。⑵是否采用壓邊圈：采用現(xiàn)有落料模具落料此工件。落料工件展開(kāi)尺寸D=φ311mm，成形后直徑d=φ248.5mm，相對(duì)厚度為(δ/D)×100≈1.93，在首次拉深中，當(dāng)相對(duì)厚度在1.5～2時(shí)，壓邊圈可用可不用，一般在1.7以上可不用壓邊圈。根據(jù)工藝計(jì)算，計(jì)劃設(shè)計(jì)采用無(wú)壓邊結(jié)構(gòu)模具，但是為了更加可靠及防止后續(xù)模具結(jié)構(gòu)更改造成制造周期延長(zhǎng)及成本浪費(fèi)，對(duì)此封頭成形進(jìn)行仿真分析。
2仿真分析
在實(shí)際生產(chǎn)中，我們經(jīng)常利用有限元軟件JSTAMP-NV進(jìn)行沖壓成形仿真分析，以此來(lái)模擬分析工件在成形過(guò)程中的成形趨勢(shì)、減薄率、板厚分布、破裂、回彈、翹曲等常見(jiàn)的沖壓數(shù)據(jù)及問(wèn)題，分析結(jié)果直觀、準(zhǔn)確，也能夠使模具結(jié)構(gòu)、形狀得以在生產(chǎn)前進(jìn)行優(yōu)化，減少模具制造成本及調(diào)試周期。為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確，在仿真分析前需要做一些基本的準(zhǔn)備工作，如建立CAD模型、板料機(jī)械性能檢測(cè)。利用Pro/E三維軟件對(duì)所需拉深凸模、拉深凹模進(jìn)行模型建立。拉深凹模成形部位尺寸與工件外圓直徑相同，凹模圓角選擇3δ，即R18mm。拉深凹模與拉深凸模配合設(shè)計(jì)，根據(jù)一次拉深的單邊間隙Z=(1～1.1)δ，在實(shí)際生產(chǎn)中，通常板料厚度都小于名義尺寸，所以模具設(shè)計(jì)凸凹模單邊間隙直接取板料厚度6mm，設(shè)計(jì)拉深凸模。根據(jù)實(shí)測(cè)T4003材料參數(shù)(表1)建立材料模型。在JSTAMP-NV中設(shè)置好拉深凸模、拉深凹模與板料的位置關(guān)系，模具與板料的摩擦屬鋼-鋼，由于不銹鋼材質(zhì)具有粘滯性，摩擦因數(shù)在無(wú)潤(rùn)滑情況下μ=0.2，板料網(wǎng)格尺寸不大于0.7δ為好，此次取2.8mm。應(yīng)用JSTAMP-NV對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。本次有限元分析主要目的是分析封頭在無(wú)壓邊圈情況下成形后邊緣是否起皺。圖2為有限元分析起皺分布云圖，從圖中可以看出，工件成形圓度較好，完全滿(mǎn)足尺寸要求，所以本次模具設(shè)計(jì)采用無(wú)壓邊圈結(jié)構(gòu)。
三、模具設(shè)計(jì)
1模具主要鑲塊材質(zhì)選擇
為保證工件表面成形質(zhì)量及壽命，拉深凸模應(yīng)選擇硬度較高、具有良好耐磨性的材質(zhì)，模具凸模選用Cr12MoV，熱處理硬度控制在58～60HRC。拉深凹模表面是板料成形過(guò)程中受力最大、接觸最多、位移最大的部位，是成形尺寸和質(zhì)量的關(guān)鍵，是最容易引起劃傷的地方。綜上，拉深凹模選擇銅合金材質(zhì)，硬度控制在42～48HRC，因?yàn)樵诖藯l件下，銅合金具有良好的散熱性、耐磨性和較低的摩擦系數(shù)，能夠消除工件外表面劃傷，同時(shí)能夠減少板料成形過(guò)程中的流動(dòng)阻力。
2卸料方式設(shè)計(jì)
之前用凹模卸料的方式，在使用一段時(shí)間后，會(huì)發(fā)生不卸料將工件帶上來(lái)的情況，需要多次壓型動(dòng)作才能完成卸料，有時(shí)會(huì)將工件壓變形而產(chǎn)生廢品，所以此次設(shè)計(jì)三處伸縮式剛性卸料銷(xiāo)，在壓型完成后，待設(shè)備回程時(shí)，利用回程力和卸料銷(xiāo)配合完成工件卸料。根據(jù)分析結(jié)果和分析采用的有限元模型尺寸設(shè)計(jì)模具凸凹模，最終完成模具設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。
四、生產(chǎn)驗(yàn)證
封頭模具制造完成后進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證，見(jiàn)圖4、圖5。工件外邊面未發(fā)現(xiàn)破裂、縮頸、劃傷等問(wèn)題，我們所重點(diǎn)關(guān)注的起皺問(wèn)題也沒(méi)有產(chǎn)生，最后進(jìn)行重要尺寸測(cè)量，均符合工藝要求，其中φ248.5mm的最大直徑為φ248.7mm，最小直徑為φ248.2mm，完全符合工藝要求。試驗(yàn)完成后，模具投入批量生產(chǎn)驗(yàn)證，進(jìn)行尺寸及表面質(zhì)量監(jiān)測(cè)，通過(guò)表2可知，模具生產(chǎn)尺寸比較穩(wěn)定，外表面未產(chǎn)生劃傷，成形無(wú)褶皺，并且在封頭組焊過(guò)程中非常順利，并未因?yàn)榉忸^成形質(zhì)量產(chǎn)生廢品，生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)異常，可以持續(xù)生產(chǎn)。
五、結(jié)束語(yǔ)
在生產(chǎn)中，有限元分析已經(jīng)變得不可或缺，可以讓理論計(jì)算中的模棱兩可變成顯而易見(jiàn)，并且合理的模具材料可以改善工件的成形質(zhì)量和模具壽命，合理的模具結(jié)構(gòu)更加能夠節(jié)約模具的制造成本。通過(guò)對(duì)封頭成形的計(jì)算和分析，選擇了合適的、經(jīng)濟(jì)的、穩(wěn)定的無(wú)壓邊模具結(jié)構(gòu)，得到了理想的產(chǎn)品。
作者:安秋博 單位:中車(chē)齊齊哈爾車(chē)輛有限公司