不銹鋼薄板的成形工藝和其他金屬薄板成形工藝一樣,包括沖壓(沖裁、彎曲、拉深等)、脹形、翻邊、擴孔、局部成形、旋壓、旋薄和冷彎成形等基本成形工藝。沖壓成形是板材成形最基本的工藝過程。
1. 沖壓成形
沖壓成形是把平板凸緣拉入凹模孔內而形成直壁的加工方法。
凸緣的流入,隨著凹模孔輪廓形狀的變形狀態不同,可分為壓縮凸緣流入、平行凸緣流入、伸長凸緣流入三類,見圖5-6。
由于拉深零件的形狀尺寸不同,毛坯在變形過程中的應力應變分布也不一樣。
在沖壓過程中,金屬薄板的邊部由壓邊圈夾持,由凸模和凹模的共同作用,使薄板板料向凹模移動產生塑性變形,將平板加工成所需形狀的零件。金屬板料向凹模的移動量由壓邊圈之間的壓力大小所控制。
實際零件的沖壓過程就其成形方式而言可能是多種方式的組合。為此,可以將復雜零件的壓過程按不同區域的成形方式進行分解。基本的加工方式可以分為以下幾點。
a. 沖裁(剪切過程)
將薄板切成毛料或零件。
對沖裁件質量的影響因素有:沖剪方向;下料方式;毛料形狀設計和切刃狀態等。
b. 彎曲
彎曲的要點包括:變形區域性-彎曲軸線;邊部彎轉-空間;彎曲區應變沿厚度方向不均勻分布(應變梯度);和彎曲方向(沿軋向“弱線”),通常變曲軸垂直軋制方向。
影響彎曲應變量的主要因素有彎曲半徑與板厚之比值及彎曲件彎曲成形時,外區受拉而內區受壓,卸載后這些應力導致回彈。
彎曲-變直過程中最終變形為0,但實際應變為加倍,即先拉后壓。
c. 拉深
拉深是使板料或者半成品在拉深模具內,將其成形為中空工件的工序。
①. 拉深過程
坯料在拉深模凸模的作用下,逐漸被壓入凹模內,在此過程中坯料發生很大的塑性變形,而形成中空的拉深件。拉深件的底部一般不變形,只起傳遞拉力的作用,厚度基本不變。拉深件的直壁主要受拉力作用,厚度減小。而直壁與底之間的過渡圓角處被拉薄的程度最為嚴重。拉深件的法蘭部位切向受壓應力作用,厚度有所增大。
②. 拉深過程的工藝要點
在拉深過程中,拉深件起皺和拉裂是最常見的質量問題。為了防止拉深件出現起皺,在拉深過程中需用壓環施加以適當的壓力將坯料壓住,見圖5-7。為了防止拉深件被拉裂,除了將拉深模的邊緣作成圓角和采用合理的模具間隙值外,還要根據材料的塑性來選用合理的拉深系數。拉深系數是指拉深件直徑與坯料直徑之比,該系數值總是小于1。拉深系數值越小,變形程度越大,可拉深的次數越少,反之則需經過多次拉深方能完成。拉深系數的大小,一般為0.5~0.8。在多次拉深過程中,拉深件往往需要進行中間退火(再經晶退火)以消除前幾次拉深變形中所產生的冷加工硬化,為隨后的拉深過程的順利進行做準備。
2. 脹形
脹形又稱拉脹是利用模具使板料拉伸變薄局部表面積增大以獲得零件的加工方法。常用的有圓柱形(或管形)毛坯的脹形及平板毛坯的拉張成形等。
脹形可采用不同的方法來實現,如剛模脹形、橡皮脹形和液壓脹形等。
圓柱形空心坯料的脹形是依靠材料的拉伸,將直徑較小的空心零件或管毛坯,在半徑方向上向外擴張的方法。脹形一般要用可分式凹模,其凸模形式有:橡皮(或聚氨酯)凸模(圖5-8);分塊式凸模,由楔狀心塊將其分開(圖5-9);用液體作為凸模(圖5-10),這種方法有的可以直接將液體倒入毛坯內,但此法操作不便且生產率低,有的可用裝在凸模上充滿液體的橡皮囊上。
3. 旋壓
旋壓是一種歷史悠久的工藝方法,我國在10世紀就有了這種成形方法,以后于14世紀才傳入歐洲。旋壓成形方法可制造各種不同形狀的旋轉面零件,如發動機罩、螺旋槳槳帽等(圖5-11)。
a. 旋壓工藝原理
旋壓用的機床類似于車床或由車床改裝而成,但最新發展有數控旋壓床。旋壓床的工作原理如圖5-12所示。用機床尾頂座工通過頂塊3將平板毛坯1壓緊于旋壓模4上,毛坯連同模具一起旋轉,操作者用手操作旋壓棒,將毛坯順次壓向旋壓模,這時毛坯發生周向收縮,徑向延伸變形。
b. 旋壓注意事項
旋壓過程主要問題是起皺和局部變薄以及拉裂。如圖5-12所示的旋壓壓延過程,凸緣周邊起皺決定于收縮變形程度(即零件直徑和毛坯直徑之比值),毛坯的穩定性,如to/D。。數值(坯料厚度/坯料直徑),毛壞轉速以及操作者的經驗。提高毛坯的轉速會增加毛坯凸緣的穩定性,但由手工操作不能保證均勻的縱向送進,會造成局部過度碾薄,一般工廠所用的轉速多在200~600r/min的范圍內。為了防止起皺和旋壓模圓角處材料變薄或拉裂,操作應按如下順序進行:首次操作時將凸模圓角處材料趕形貼模形成帽形件;第二步操作時將帽形件凸緣趕形成圓錐面以增加這部分材料的剛度,起防皺作用;第三步操作是旋壓棒從毛坯周邊向凸模圓角處趕并使毛坯向凸模靠攏。以后的操作是重復上述二、三步驟。逐步地將材料旋壓貼模為止,最后再加以修整趕形和零件切邊。因為旋壓過程變形情況極其復雜,多半又是手工操作,故成形之成敗與操作者的經驗很有關系。
旋壓還可用于進行縮口、卷邊、擴口等項工作。
c. 旋壓的優缺點
旋壓的缺點是零件變薄量較大,勞動強度較大,要求技術水平較高而勞動生產率低等。旋壓工作雖有這些缺點,但是由于旋壓模具簡單,特別能適應于加工某些比較復雜的旋轉面零件,所以至今還是航空工業中不可缺少的工藝方法。旋壓設備的改進和旋壓過程的自動化能夠克服上述的主要缺點并且使旋壓工藝得到新的發展。
d. 旋壓模
旋壓模一般用鑄鐵、鋼和銅合金制造。有時在試制時,也可用硬木制造。旋壓模按反切內樣板加工,零件按反切外樣板檢驗。
對于變形程度較大零件可用一套模具經多次成形并經中間退火工序,有時還可增加模具套數,即采用中間過渡模等方法解決。
4. 翻邊與翻孔
翻邊與翻孔是彎曲的變種,它沿彎曲線方向應變不相等。沿曲線為壓應變時稱收縮翻邊;沿彎曲線為拉應變時稱拉伸翻邊。彎曲線為圓周的拉伸翻邊即變為擴孔。
5. 局部成形
局部成形包括壓花與壓印等。壓花產生于局部區域,包括筋紋,鼓包、裝飾牌照等。其特點是只產生金屬移動。壓印則產生厚度變化而拼成圖案(如制幣)。