拉深件設(shè)計中提高鋅基合金模壽命的探討
關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機(jī)罩；拉深件；模具壽命；均勻塑性流動
鋅基合金模具拉深，適合小批量生產(chǎn)。利用合金材料自潤滑性，拉深的工件表面質(zhì)量高。另外，合金材料較軟，在拉深過程中由于坯料的壓力會產(chǎn)生微量的塑性變形，從而凸、凹模獲得最佳間隙值，但模具壽命較低。本文以典型汽車外覆蓋件發(fā)動機(jī)罩為例，說明為提高模具壽命，在拉深件設(shè)計中應(yīng)注意的問題。
一、產(chǎn)品與成形工藝
某廠生產(chǎn)的汽車發(fā)動機(jī)罩(圖1)為典型的汽車外覆蓋件。產(chǎn)品材料：08Z，料厚：1.0±0.07。
圖1發(fā)動機(jī)罩
產(chǎn)品要求表面質(zhì)量好，不允許有波紋、拉痕、擦傷等缺陷，剛性好，棱線清晰，保證內(nèi)型尺寸。
因小批量生產(chǎn)，故其成形工藝除產(chǎn)品主體形狀用模具在液壓機(jī)上拉深成形外，其它修邊、翻邊等工序均由人工加工。
二、鋅基合金模具壽命分析
為降低產(chǎn)品成本，獲得較好的表面質(zhì)量，采用鋅基合金模具拉深，模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。但是鋅基合金材料較軟，僅表面有一層較硬層(硬度為 HB100～115)，故模具壽命較低。據(jù)該廠情況看，拉深不復(fù)雜的沖件，坯料為08鋼、料厚為1.0mm，凹模圓角半徑Rd＝5mm，其模具壽命僅 600件。如何提高鋅基合金拉深模的壽命，在拉深件設(shè)計時應(yīng)采取什么具體措施，是本課題研究的內(nèi)容之一。
圖2拉深模
1.凹模2.凸模3.壓邊圈4.導(dǎo)板
調(diào)查分析本廠生產(chǎn)情況可見，鋅基合金拉深模壽命較低的主要原因是模具的工作表面(凸模表面，壓邊面和凹模圓角部分)產(chǎn)生磨損和拉傷所致。
1.模具磨損
模具工作表面的磨損主要產(chǎn)生于兩種情況：
(1)坯料成形時產(chǎn)生必要的塑性流動對模具工作表面的磨損。
為實(shí)現(xiàn)拉深成形，坯料產(chǎn)生必要的塑性流動，沿壓邊面經(jīng)過凹模圓角處流入凹模。由于坯料的塑性流動，坯料和壓邊面之間以及坯料和凹模圓角之間產(chǎn)生摩擦而引起模具磨損。這種磨損是不可避免的，但應(yīng)設(shè)法減小?？赏ㄟ^以下兩個方面減少磨損：
1)在拉深件設(shè)計時，采取措施減小坯料向凹模內(nèi)塑性流動的阻力
a.選用較大凹模圓角半徑。例如拉深08鋼，料厚t＝1.0mm時，凹模圓角半徑Rd＝10t。
b.壓邊面采用正向傾斜的型式(圖3)，這有利壓邊面材料向凹模內(nèi)流動。
圖3
1.凸模2.壓邊圈3.凹模
c.拉深件側(cè)壁部設(shè)計成傾斜的型式(圖4)，這使凸模和凹模之間的間隙在拉深開始時較大，逐漸減小，直到拉深終結(jié)時才形成。這才有利于壓邊面材料向凹模內(nèi)流動。
圖4
1.凸模2.壓邊圈3.凹模
d.減小拉深深度，亦可使壓邊面材料容易向凹模內(nèi)流動。
2)保證坯料壓邊面沿凹模周邊各處材料向凹模內(nèi)流動盡量均勻。
在拉深過程中，壓邊面相鄰區(qū)坯料向凹模內(nèi)流動應(yīng)沒有突變。不均勻的塑性流動會導(dǎo)致凹模圓角部分局部磨損過大而減少整個凹模的壽命。生產(chǎn)中拉深圓筒件的凹模壽命比拉深盒形件(非軸對稱件)的凹模壽命高，就是因為拉深非軸對稱件時，材料向凹模圓角內(nèi)流動不均勻，導(dǎo)致局部磨損過大。為保證壓邊面材料向凹模內(nèi)流動的均勻性，可采取以下措施：
a.改變凹模圓角半徑。覆蓋件拉深，其整個凹模的圓角半徑各處是不同的，應(yīng)根據(jù)拉深件的形狀作合理設(shè)計。在壓邊面坯料容易流入凹模處的凹模圓角半徑應(yīng)小于壓邊面坯料難于流入凹模處的凹模圓角半徑。不同的凹模圓角半徑也可以通過模具試沖時得到。
b.壓邊面上布置拉深筋。布置和調(diào)整拉深筋是最有效的控制壓邊面坯料向凹模內(nèi)流動的方法。可沿拉深件周邊布置一圈整筋。在直邊處和內(nèi)凹曲邊處布置短筋，使這部分壓邊面材料向凹模內(nèi)流動減慢。
(2)拉深過程中坯料沿凸模表面產(chǎn)生相對竄動，而使凸模表面磨損。
坯料沿凸模表面產(chǎn)生相對凸模的竄動是拉深成形不需要的，應(yīng)避免產(chǎn)生。拉深過程中，坯料應(yīng)緊貼在凸模表面隨凸模一同運(yùn)動。產(chǎn)生這種竄動的原因是坯料壓邊面相對部分向凹模內(nèi)進(jìn)料速度不一致。拉深件設(shè)計時，可采取以下措施來避免坯料相對凸模竄動：
1)壓邊面設(shè)計應(yīng)使拉深凸模頂部與坯料大面積接觸，為此拉深件壓邊面設(shè)計應(yīng)平行拉深件的底部(圖5)。
圖5
1.壓邊面2.修邊線
2)壓邊面設(shè)計應(yīng)使拉深凸模與坯料接觸面在坯料中間(圖6)。
圖6
1.凹模2.凸模3.壓邊圈
3)采用拉深筋調(diào)整壓邊面相對部分的進(jìn)料速度。在拉深件淺的一邊或拉深件底部圓角大的一邊布置短拉深筋(圖7)。
圖7
4)拉深件淺的一邊，其凹模圓角半徑取小值，以增大拉深阻力，減小相應(yīng)部分壓邊面坯料向凹模內(nèi)流動速度。
5)拉深件設(shè)計應(yīng)各處拉深深度一致。拉深深度差異愈大，拉深時坯料竄動的可能性愈大。
2.模具拉傷
鋅基合金模具工作面容易拉傷產(chǎn)生拉痕，這是因為合金材料僅表面有一層硬層，一旦表面某部分硬層磨損內(nèi)部較軟材料暴露出來，磨損將加劇形成拉痕。這種情況產(chǎn)生在拉深過程中壓邊面坯料起皺的地方。因此，鋅基合金模具拉深防皺是很重要的。在拉深件設(shè)計時，可采取以下措施防止模具工作面拉傷：
(1)壓邊面設(shè)計應(yīng)平滑。覆蓋件拉深其壓邊面多數(shù)為曲面形狀，壓邊面由壓邊圈壓緊在凹模壓邊面上不應(yīng)形成皺紋和折痕，各部分應(yīng)平滑過渡。
(2)減小拉深深度。壓邊面設(shè)計應(yīng)使拉深深度減小。拉深深度愈淺，所需毛坯尺寸愈小，拉深時不容易產(chǎn)生起皺現(xiàn)象。
(3)布置拉深筋。在凹模口部壓邊面處布置拉深筋，雖不能防止壓邊面坯料起皺，但是壓邊面上產(chǎn)生的活皺在通過拉深筋時可被拉深筋軋平，防止凹模圓角處拉傷。
三、拉深件設(shè)計
拉深件的設(shè)計是拉深工序的關(guān)鍵，對模具的壽命有一定的影響。綜上所述，為提高模具壽命，拉深件設(shè)計應(yīng)采取一些措施。以汽車發(fā)動機(jī)罩拉深件(圖8)設(shè)計為例說明其設(shè)計要點(diǎn)。
圖8拉深件
1.沖壓方向
拉深件以在汽車上所處的位置進(jìn)行沖壓，這樣便于以后用實(shí)際零件來改制樣件翻制凸模。
2.壓邊面
汽車發(fā)動機(jī)罩拉深件的壓邊面的形狀(如圖9所示)，為空間曲面。
圖9壓邊面
壓邊面的中線dd′與發(fā)動機(jī)罩頂部凸筋棱線平行，保證拉深凸模上4條凸筋頂線均與坯料接觸，減小坯料相對凸模竄動。
壓邊面abb′a′和fgg′f′部分為傾斜面，與水平方向夾角α等于15°。以減少壓邊面坯料向凹模內(nèi)塑性流動阻力，減小凹模圓角處的磨損。同時壓邊面傾斜則凹模圓角部分面增大，也不容易磨損。
壓邊面cdee′d′c′部分為曲面，向凹模方向凸起。則拉深深度減小，而且使拉深件各處拉深深度接近。圖10所示為發(fā)動機(jī)罩大頭端壓邊面與凸模之間關(guān)系。壓邊面為a′b′d′減小了拉深深度，拉深凸模與壓邊面大面積接觸。
圖10發(fā)動機(jī)罩大頭端壓邊面與凸模的關(guān)系
1.2.凸模3.工件4.壓邊面
3.工藝補(bǔ)充部分
如圖8所示，拉深件大頭端(主視圖右邊)由工藝補(bǔ)充材料形成拉深件側(cè)壁，取側(cè)壁與垂直方向夾角為5°。使拉深件大頭端凸模與凹模在拉深結(jié)束時才形成間隙。拉深過程中間隙較大，有利大頭端壓邊面坯料流入凹模。
4.拉深筋
如圖8所示，沿拉深件周邊布置一圈拉深筋，以增大拉深成形時的脹形變形。拉深件直邊部分布置短拉深筋，調(diào)整壓邊面材料向凹模內(nèi)進(jìn)料速度。
5.凹模圓角半徑Rd
為了制造樣件方便，各處圓角半徑均取Rd＝10mm，待以后模具調(diào)試中修整為最佳值。
四、結(jié)論
(1)鋅基合金模具壽命低的主要原因是模具工作面磨損和拉傷。
(2)模具的磨損由坯料成形產(chǎn)生的塑性流動和坯料沿凸模竄動而引起。
(3)模具拉傷產(chǎn)生拉痕是由坯料起皺而導(dǎo)致。
(4)
理設(shè)計拉深件，使其在拉深過程中壓邊面坯料不起皺、壓邊面各處坯料均勻流入凹模、坯料緊貼凸模不產(chǎn)生竄動，這樣能有效提高鋅基合金模壽命。