偏心手轮正反拉伸成因分析与改进

　　偏心手轮是某产品的重要零件,几何尺寸要求高,生产批量大,采用1.5mm厚的08f材料制造,零件表面不允许有划伤、裂纹或料厚变薄等缺陷。
    1　工艺分析
    该偏心手轮为正反阶梯形复合件,拉伸长度不大,有利于成型。
    128mm处(以下简称外筒)及60mm处(以下简称内筒)的偏心距要求高,采用2次拉伸分别定位成型内、外筒的工艺方法难以达到工艺要求。考虑到零件材料的拉伸工艺性较好,生产批量大,决定采用正反拉伸复合模1次拉伸成型。
    2　工艺计算正反阶梯形拉伸复合模没有现成的资料借鉴,但生产实践中正拉伸和反拉伸的经验数据比较丰富；所以,只能根据正拉伸和反拉伸资料分别进行分析,同时参照阶梯形拉伸件进行综合判断。根据拉伸毛坯的计算公式得：D ＝ Σ(4π槡f)式中,f 为零件各单元的表面积。选取合适的修边余量,计算得到毛坯的展开尺寸为166mm。
    依照阶梯形拉伸件的克里诺维奇经验公式,可大概判定该零件的拉伸系数为：m＝ (h1D1h2D ＋D2D)/(h1h2＋1)式中,h1和h2为外筒和内筒的拉伸高度；D1和D2为拉伸件外筒和内筒的直径；D 为毛坯直径。代入相关的数值,得到该零件的拉伸系数m为0.61,毛坯相对厚度为100ｔ/D＝0.904(其中ｔ为材料厚度)。
    根据上述得到的数据,查阅相应的极限拉伸系数得m极＝0.50～0.56。显然m＞m极,故可1次拉伸成型。根据正反拉伸的有关冲压资料可知,m反＝(90％～85％)m正,由于第2阶段内筒拉伸采用的是反拉伸,故经综合判定可知,正反复合拉伸的拉伸系数应比纯粹正拉伸的阶梯拉伸系数要小,这样更有利于成型。
    3　模具结构设计
    根据上述分析,设计了如图2所示的模具结构。
    模具的工作过程为将展开料放置于凹模定位环中,使压边圈夹紧坯料,凸模拉伸坯料,一方面从外部利用凹模正拉伸外筒；另一方面从内部利用卸件器把坯料反拉伸到凸模的模腔中,形成内筒。
    4　模具改进
    4.1　存在的问题模具制造出来后,在试压模具时发现,零件的几何尺寸都符合要求,但在如图3所示的聚氨酯橡胶处,料厚变薄,圆角处出现轻微裂纹,外筒筒臂有拉伤,零件无法使用。
    4.2　原因分析
    4.2.1　料厚变薄原因分析针对料厚变薄问题,经材料理化分析,在排除拉伸材料不合格的前提下,对零件进行了受力、应力及金属流动性分析。零件外筒底部既是形成内筒型腔的大变形区,受径向拉应力δ1和切向压应力δ3的综合作用,又是正拉伸外筒的筒底,起传递拉力的作用。由于外筒比内筒大许多,故外筒筒底材料向内筒侧壁转移的阻力大,金属不易流动,而外筒筒底是内筒成型的料源。内筒侧壁主要用来传递拉伸力,拉伸时其处于凸凹模间,需要转移的材料本来就少,变形的程度小,冷作硬化程度低,当材料来料不畅时,在较大的径向拉应力δ1作用下,材料承受的径向拉应力接近δb,内筒的成型只能依靠料厚减薄来换取高度的增加。由于内筒的聚氨酯橡胶处偏心,与外筒距离大,造成材料流动阻力更大,外筒底部材料流动更困难,故该处材料变薄最严重。
    4.2.2　产生裂纹原因分析
    由上述各拉伸区受力分析可知,在内筒成型过程中,与外筒偏心距离大的一侧金属流动阻力最大,径向拉应力δ1也最大,超过了材料的强度极限,材料变薄最为严重；所以,在圆角处出现裂纹的可能性最大。
    4.2.3　外筒侧壁拉伤原因分析
    零件侧壁拉伤是拉伸件经常出现的质量缺陷,其原因有：
    1)凹模工作面不光滑；
    2)毛坯表面不清洁；
    3)模具硬度低,有金属黏附现象；
    4)没有使用或使用的润滑剂不合适；
    5)材料不合格,料厚不均匀；
    6)模具间隙不均匀。
    根据上述可能产生外筒侧壁拉伤的原因逐项进行分析认为,其主要为模具硬度低,模具与零件金属产生黏附现象,拉伸工件时没有使用润滑剂所致。
    4.3　模具改进
    4.3.1　模具结构改进
    为保证外筒筒底材料能自由通畅地向内筒侧壁流动,完成正反复合拉伸成型,模具结构改进的要点如下。
    1)增大凹模及卸件器拉伸圆角的半径,以利于金属流动。减小所需要的拉伸力,从本质上减小产生变薄或拉裂的径向拉应力δ1。
    2)增大拉伸外筒的间隙,由单边1.58mm改为1.7mm,内筒拉伸成型间隙仍采用1.58mm,但内角聚氨酯橡胶处成型间隙比其他部分单边略大0.05～0.10mm,从而改善了由于偏心造成的材料流动阻力不一致,保持了材料流动的均衡性,保证了整个金属流动的合理分配。
    3)反拉伸内筒时,金属处于受拉状态,增加了径向拉应力δ1。根据塑性方程δ1＋δ2＝βδs可知,引起零件起皱的切向压应力δ3得到弱化,该结构不仅增大了金属的流动性,也增大了参与拉伸成型内筒的材料面积,减少了补充材料的流动量。
    4.3.2　采取的工艺措施
    1)为了减小变形阻力,改善金属的流动性,建议在生产中使用良好的润滑剂,这样可减小材料与模具之间的摩擦,防止工件与模具产生金属黏附现象,从而弱化径向拉应力δ1对料厚变薄的影响；同时也消除了外筒侧壁拉伤。
    润滑剂可改善模具与金属间的摩擦,使用良好的润滑剂可极大地改善金属的流动性,减小变形阻力。生产中使用了多种润滑剂进行工艺试验,矿物油润滑剂使用比较方便,但零件表面的油污需要专门清理；含附加料的润滑剂使用不方便。综合多种因素,最终采用0.15mm聚乙烯或聚氯乙烯塑料薄膜进行润滑,其操作方便,零件表面比较洁净,无需专门清理,效果良好。使用后,零件外筒侧壁不再出现拉伤痕迹。
    2)为了保证拉伸过程中的金属流动平稳,尽可能地在导向性好、速度慢且运行平稳的油压机上生产。
    4.4　改进后的效果
    经过上述模具结构改进和采取的工艺措施,模具修理完成后,拉制的偏心手轮全部1次合格。在如图3所示的聚氨酯橡胶处,料厚没有明显变薄,裂纹消除,外筒侧壁没有拉伤痕迹,零件完全满足产品的使用要求,并且模具的工作状态良好。
    5　结语
    正反拉伸复合件的工艺计算依照阶梯形拉伸及正反拉伸规律综合判断是可行的。只要充分判断好金属的流动状态,采用平稳的工作设备和润滑良好的模具,选取恰当的圆角半径和模具间隙等工艺参数,所设计的模具结构就能够较好地满足零件的尺寸要求,避免料厚变薄、裂纹和表面拉伤等工艺缺陷的产生。