偏心手輪是某產(chǎn)品的重要零件,幾何尺寸要求高,生產(chǎn)批量大,采用1.5mm厚的08f材料制造,零件表面不允許有劃傷、裂紋或料厚變薄等缺陷。
    1　工藝分析
    該偏心手輪為正反階梯形復合件,拉伸長度不大,有利于成型。
    128mm處(以下簡稱外筒)及60mm處(以下簡稱內筒)的偏心距要求高,采用2次拉伸分別定位成型內、外筒的工藝方法難以達到工藝要求。考慮到零件材料的拉伸工藝性較好,生產(chǎn)批量大,決定采用正反拉伸復合模1次拉伸成型。
    2　工藝計算正反階梯形拉伸復合模沒有現(xiàn)成的資料借鑒,但生產(chǎn)實踐中正拉伸和反拉伸的經(jīng)驗數(shù)據(jù)比較豐富；所以,只能根據(jù)正拉伸和反拉伸資料分別進行分析,同時參照階梯形拉伸件進行綜合判斷。根據(jù)拉伸毛坯的計算公式得：D ＝ Σ(4π槡f)式中,f 為零件各單元的表面積。選取合適的修邊余量,計算得到毛坯的展開尺寸為166mm。
    依照階梯形拉伸件的克里諾維奇經(jīng)驗公式,可大概判定該零件的拉伸系數(shù)為：m＝ (h1D1h2D ＋D2D)/(h1h2＋1)式中,h1和h2為外筒和內筒的拉伸高度；D1和D2為拉伸件外筒和內筒的直徑；D 為毛坯直徑。代入相關的數(shù)值,得到該零件的拉伸系數(shù)m為0.61,毛坯相對厚度為100ｔ/D＝0.904(其中ｔ為材料厚度)。
    根據(jù)上述得到的數(shù)據(jù),查閱相應的極限拉伸系數(shù)得m極＝0.50～0.56。顯然m＞m極,故可1次拉伸成型。根據(jù)正反拉伸的有關沖壓資料可知,m反＝(90％～85％)m正,由于第2階段內筒拉伸采用的是反拉伸,故經(jīng)綜合判定可知,正反復合拉伸的拉伸系數(shù)應比純粹正拉伸的階梯拉伸系數(shù)要小,這樣更有利于成型。
    3　模具結構設計
    根據(jù)上述分析,設計了如圖2所示的模具結構。
    模具的工作過程為將展開料放置于凹模定位環(huán)中,使壓邊圈夾緊坯料,凸模拉伸坯料,一方面從外部利用凹模正拉伸外筒；另一方面從內部利用卸件器把坯料反拉伸到凸模的模腔中,形成內筒。
    4　模具改進
    4.1　存在的問題模具制造出來后,在試壓模具時發(fā)現(xiàn),零件的幾何尺寸都符合要求,但在如圖3所示的聚氨酯橡膠處,料厚變薄,圓角處出現(xiàn)輕微裂紋,外筒筒臂有拉傷,零件無法使用。
    4.2　原因分析
    4.2.1　料厚變薄原因分析針對料厚變薄問題,經(jīng)材料理化分析,在排除拉伸材料不合格的前提下,對零件進行了受力、應力及金屬流動性分析。零件外筒底部既是形成內筒型腔的大變形區(qū),受徑向拉應力δ1和切向壓應力δ3的綜合作用,又是正拉伸外筒的筒底,起傳遞拉力的作用。由于外筒比內筒大許多,故外筒筒底材料向內筒側壁轉移的阻力大,金屬不易流動,而外筒筒底是內筒成型的料源。內筒側壁主要用來傳遞拉伸力,拉伸時其處于凸凹模間,需要轉移的材料本來就少,變形的程度小,冷作硬化程度低,當材料來料不暢時,在較大的徑向拉應力δ1作用下,材料承受的徑向拉應力接近δb,內筒的成型只能依靠料厚減薄來換取高度的增加。由于內筒的聚氨酯橡膠處偏心,與外筒距離大,造成材料流動阻力更大,外筒底部材料流動更困難,故該處材料變薄最嚴重。
    4.2.2　產(chǎn)生裂紋原因分析
    由上述各拉伸區(qū)受力分析可知,在內筒成型過程中,與外筒偏心距離大的一側金屬流動阻力最大,徑向拉應力δ1也最大,超過了材料的強度極限,材料變薄最為嚴重；所以,在圓角處出現(xiàn)裂紋的可能性最大。
    4.2.3　外筒側壁拉傷原因分析
    零件側壁拉傷是拉伸件經(jīng)常出現(xiàn)的質量缺陷,其原因有：
    1)凹模工作面不光滑；
    2)毛坯表面不清潔；
    3)模具硬度低,有金屬黏附現(xiàn)象；
    4)沒有使用或使用的潤滑劑不合適；
    5)材料不合格,料厚不均勻；
    6)模具間隙不均勻。
    根據(jù)上述可能產(chǎn)生外筒側壁拉傷的原因逐項進行分析認為,其主要為模具硬度低,模具與零件金屬產(chǎn)生黏附現(xiàn)象,拉伸工件時沒有使用潤滑劑所致。
    4.3　模具改進
    4.3.1　模具結構改進
    為保證外筒筒底材料能自由通暢地向內筒側壁流動,完成正反復合拉伸成型,模具結構改進的要點如下。
    1)增大凹模及卸件器拉伸圓角的半徑,以利于金屬流動。減小所需要的拉伸力,從本質上減小產(chǎn)生變薄或拉裂的徑向拉應力δ1。
    2)增大拉伸外筒的間隙,由單邊1.58mm改為1.7mm,內筒拉伸成型間隙仍采用1.58mm,但內角聚氨酯橡膠處成型間隙比其他部分單邊略大0.05～0.10mm,從而改善了由于偏心造成的材料流動阻力不一致,保持了材料流動的均衡性,保證了整個金屬流動的合理分配。
    3)反拉伸內筒時,金屬處于受拉狀態(tài),增加了徑向拉應力δ1。根據(jù)塑性方程δ1＋δ2＝βδs可知,引起零件起皺的切向壓應力δ3得到弱化,該結構不僅增大了金屬的流動性,也增大了參與拉伸成型內筒的材料面積,減少了補充材料的流動量。
    4.3.2　采取的工藝措施
    1)為了減小變形阻力,改善金屬的流動性,建議在生產(chǎn)中使用良好的潤滑劑,這樣可減小材料與模具之間的摩擦,防止工件與模具產(chǎn)生金屬黏附現(xiàn)象,從而弱化徑向拉應力δ1對料厚變薄的影響；同時也消除了外筒側壁拉傷。
    潤滑劑可改善模具與金屬間的摩擦,使用良好的潤滑劑可極大地改善金屬的流動性,減小變形阻力。生產(chǎn)中使用了多種潤滑劑進行工藝試驗,礦物油潤滑劑使用比較方便,但零件表面的油污需要專門清理；含附加料的潤滑劑使用不方便。綜合多種因素,最終采用0.15mm聚乙烯或聚氯乙烯塑料薄膜進行潤滑,其操作方便,零件表面比較潔凈,無需專門清理,效果良好。使用后,零件外筒側壁不再出現(xiàn)拉傷痕跡。
    2)為了保證拉伸過程中的金屬流動平穩(wěn),盡可能地在導向性好、速度慢且運行平穩(wěn)的油壓機上生產(chǎn)。
    4.4　改進后的效果
    經(jīng)過上述模具結構改進和采取的工藝措施,模具修理完成后,拉制的偏心手輪全部1次合格。在如圖3所示的聚氨酯橡膠處,料厚沒有明顯變薄,裂紋消除,外筒側壁沒有拉傷痕跡,零件完全滿足產(chǎn)品的使用要求,并且模具的工作狀態(tài)良好。
    5　結語
    正反拉伸復合件的工藝計算依照階梯形拉伸及正反拉伸規(guī)律綜合判斷是可行的。只要充分判斷好金屬的流動狀態(tài),采用平穩(wěn)的工作設備和潤滑良好的模具,選取恰當?shù)膱A角半徑和模具間隙等工藝參數(shù),所設計的模具結構就能夠較好地滿足零件的尺寸要求,避免料厚變薄、裂紋和表面拉傷等工藝缺陷的產(chǎn)生。