偏心手輪正反拉伸成因分析與改進

　　偏心手輪是某產品的重要零件,幾何尺寸要求高,生產批量大,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?？紤]到零件材料的拉伸工藝性較好,生產批量大,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成的資料借鑒,但生產實踐中正拉伸和反拉伸的經驗數據比較豐富；所以,只能根據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驗公式,可大概判定該零件的拉伸系數為：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。代入相關的數值,得到該零件的拉伸系數m為0.61,毛坯相對厚度為100ｔ/D＝0.904(其中ｔ為材料厚度)。
    根據上述得到的數據,查閱相應的極限拉伸系數得m極＝0.50～0.56。顯然m＞m極,故可1次拉伸成型。根據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,故經綜合判定可知,正反復合拉伸的拉伸系數應比純粹正拉伸的階梯拉伸系數要小,這樣更有利于成型。
    3　模具結構設計
    根據上述分析,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,在試壓模具時發現,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,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　產生裂紋原因分析
    由上述各拉伸區受力分析可知,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常出現的質量缺陷,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。
    根據上述可能產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,模具與零件金屬產生黏附現象,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,增加了徑向拉應力δ1。根據塑性方程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,防止工件與模具產生金屬黏附現象,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拉傷痕跡。
    2)為了保證拉伸過程中的金屬流動平穩,盡可能地在導向性好、速度慢且運行平穩的油壓機上生產。
    4.4　改進后的效果
    經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,零件完全滿足產品的使用要求,并且模具的工作狀態良好。
    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律綜合判斷是可行的。只要充分判斷好金屬的流動狀態,采用平穩的工作設備和潤滑良好的模具,選取恰當的圓角半徑和模具間隙等工藝參數,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生。