拉深件設計中提高鋅基合金模壽命的探討
關鍵詞：汽車發(fā)動機罩；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)動機罩為例，說明為提高模具壽命，在拉深件設計中應注意的問題。
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，模具結構如圖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，在拉深件設計時應采取什么具體措施，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，但應設法減小。可通過以下兩個方面減少磨損：
1)在拉深件設計時，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.拉深件側壁部設計成傾斜的型式(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)流動應沒有突變。不均勻的塑性流動會導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，應根據(jù)拉深件的形狀作合理設計。在壓邊面坯料容易流入凹模處的凹模圓角半徑應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，應避免產(chǎn)生。拉深過程中，坯料應緊貼在凸模表面隨凸模一同運動。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)進料速度不一致。拉深件設計時，可采取以下措施來避免坯料相對凸模竄動：
1)壓邊面設計應使拉深凸模頂部與坯料大面積接觸，為此拉深件壓邊面設計應平行拉深件的底部(圖5)。
圖5
1.壓邊面2.修邊線
2)壓邊面設計應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，減小相應部分壓邊面坯料向凹模內(nèi)流動速度。
5)拉深件設計應各處拉深深度一致。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。在拉深件設計時，可采取以下措施防止模具工作面拉傷：
(1)壓邊面設計應平滑。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形成皺紋和折痕，各部分應平滑過渡。
(2)減小拉深深度。壓邊面設計應使拉深深度減小。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、拉深件設計
拉深件的設計是拉深工序的關鍵，對模具的壽命有一定的影響。綜上所述，為提高模具壽命，拉深件設計應采取一些措施。以汽車發(fā)動機罩拉深件(圖8)設計為例說明其設計要點。
圖8拉深件
1.沖壓方向
拉深件以在汽車上所處的位置進行沖壓，這樣便于以后用實際零件來改制樣件翻制凸模。
2.壓邊面
汽車發(fā)動機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)動機罩大頭端壓邊面與凸模之間關系。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)動機罩大頭端壓邊面與凸模的關系
1.2.凸模3.工件4.壓邊面
3.工藝補充部分
如圖8所示，拉深件大頭端(主視圖右邊)由工藝補充材料形成拉深件側壁，取側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致。
(4)
理設計拉深件，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。