無錫不銹鋼板廠家無錫漢能不銹鋼2020年6月7日訊 不銹鋼制件具有良好的抗高溫氧化性、抗腐蝕性，在五金、餐飲、醫(yī)療及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，需求也不斷增加，對該類制件的表面質(zhì)量要求越來越高。相比于其他鋼材，不銹鋼具有屈服強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比小、均勻延伸率大、硬化指數(shù)高的特點(diǎn)，正是由于這些特點(diǎn)，不銹鋼板料拉深成形性能良好，但是容易出現(xiàn)制件起皺、開裂和模具零件粘結(jié)瘤等缺陷。通過調(diào)整模具結(jié)構(gòu)和成形工藝參數(shù)，制件起皺與開裂能有效避免，但模具零件粘結(jié)瘤的形成機(jī)理比較復(fù)雜，目前沒有較好的解決方案，這是不銹鋼制件在拉深成形過程中的難題。從宏觀角度觀察，板料表面與模具零件表面無縫貼合，載荷作用于接觸面上。從微觀角度觀察，板料表面與模具零件表面均凹凸不平，二者實(shí)際工作狀態(tài)為非連續(xù)接觸，載荷實(shí)際作用于局部凸起部位，如圖1所示。
圖1 板料與模具零件接觸面微觀狀態(tài)
（b）制件表面劃傷
圖2 模具零件的粘結(jié)瘤與制件表面劃傷
由于不銹鋼材料的特性，成形時需要較大的壓邊力，實(shí)際工作狀態(tài)下，潤滑油承受高溫、高壓及運(yùn)動剪切力，局部潤滑油膜易變薄、破裂，出現(xiàn)干摩擦區(qū)域，摩擦力瞬間增大。板料表面局部凸起與模具零件表面凸起均受到與運(yùn)動方向相反的剪切力，最終板料凸起部位被刮掉。在高溫、高壓的環(huán)境下，板料材質(zhì)與模具零件材料親和力較好，碎片將軟化、熔化、枯焊在模具零件表面上，碎片隨拉深的進(jìn)行不斷粘附在模具零件表面上，最終形成粘結(jié)瘤，成形的制件表面被劃傷，如圖2所示。由粘結(jié)瘤的形成過程可知，其產(chǎn)生與高溫、高壓、摩擦、材料親和力有較大的關(guān)系。由于高壓與制件材料性質(zhì)有關(guān)，不可更改，防粘結(jié)瘤方案的選擇只能從高溫、摩擦、材料親和力3個方面考慮。
圖3 不銹鋼制件
圖4 制件1拉深工序
試驗(yàn)所成形的不銹鋼制件如圖3所示，均由圓筒形、球形組成的復(fù)合形式階梯型制件，材料均為1Cr18Ni9Ti，料厚均為1mm，其中，制件1的坯料直徑為?107mm，3次拉深成形工序件的尺寸，如圖4所示。拉深模工作部分零件材料選擇T8A或Cr12MoV等，粘結(jié)瘤問題較嚴(yán)重。模具零件表面與成形制件表面均出現(xiàn)嚴(yán)重劃傷，模具返修率較高。針對粘結(jié)瘤形成機(jī)理，不銹鋼拉深模防粘結(jié)瘤方案擬采用以下2種方式。
研究發(fā)現(xiàn)，銅合金作為模具零件材料具有導(dǎo)熱性能好、耐磨性好、無需表面處理、與不銹鋼親和力較弱等優(yōu)點(diǎn)。鋁青銅TS4作為銅基合金中的一種，具備上述優(yōu)點(diǎn)。鋁青銅TS4的性能參數(shù)與Cr12MoV對比如表1所示，鋁青銅TS4作為不銹鋼拉深模零件材料，成形過程中能快速散熱、避免粘結(jié)，有效避免粘結(jié)瘤的產(chǎn)生。
| TD表面超硬化處理技術(shù)的應(yīng)用TD處理即熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理（thermal diffusion carbide coating process），是通過高溫?cái)U(kuò)散作用于模具零件表面形成一層數(shù)微米至數(shù)十微米的金屬碳化物覆層的表面處理技術(shù)。該覆層具有較高的硬度，熱處理硬度可達(dá)3600HV左右。由于TD處理溫度高達(dá)1000℃，材料受限，多適用于含碳量高于0.3%的各類鋼材。研究發(fā)現(xiàn)，對Cr12MoV冷作模具鋼進(jìn)行TD處理，表面VC涂層與不同摩擦副配對，發(fā)現(xiàn)與鋼柱配對時摩擦因數(shù)最小，磨損率最低。經(jīng)過TD處理的零件工作部分耐磨性增高、摩擦系數(shù)降低、抗咬合性能增強(qiáng)，同時該部分表面粗糙度等級高，提高了材料的抗粘合性。TD處理與傳統(tǒng)工藝的主要參數(shù)及性能對比如表2所示。
目前防止產(chǎn)生粘結(jié)瘤的研究大多數(shù)集中于鋁青銅TS4等模具零件材料與潤滑油的研究，而將TD處理運(yùn)用于不銹鋼制件多次拉深模上，特別是將TD處理與鋁青銅TS4組合運(yùn)用，該類研究還未見報(bào)道。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（a）凹模（壓合式）
（b）壓邊圈（螺釘連接式）
圖5 鑲拼結(jié)構(gòu)
（1）鑲拼結(jié)構(gòu)。由于鋁青銅脆性大、可加工性能差、價格高。試驗(yàn)中需使用鋁青銅TS4材料的模具零件部分均采用鑲拼結(jié)構(gòu)，內(nèi)置鑲件采用鋁青銅，外緣采用45#鋼。根據(jù)使用鋁青銅的模具零件部位不同，鑲拼結(jié)構(gòu)又分為壓合式（鑲件帶有錐度）與螺釘連接（鑲件無錐度）2種方式。試驗(yàn)中凹模均采用壓合式，壓邊圈采用螺釘連接方式，鑲拼結(jié)構(gòu)如圖5所示。
（a）拉深模三維模型
（b）實(shí)際模具
圖6 拉深模三維模型及實(shí)際模具
（2）導(dǎo)柱導(dǎo)套。無導(dǎo)向裝置的拉深模在機(jī)床上安裝合模時，需要反復(fù)調(diào)試。初始拉深成形的若干件制件均會報(bào)廢，浪費(fèi)時間和浪費(fèi)材料，為了解決上述問題，試驗(yàn)中拉深模上下模導(dǎo)向裝置采用導(dǎo)柱導(dǎo)套（左右兩導(dǎo)柱直徑不同），如圖6所示。拉深模主要工作部分包括凹模、凸模、壓邊圈等。由于凹模及壓邊圈與不銹鋼板料之間存在相對滑動且承受較大的載荷，粘結(jié)瘤現(xiàn)象嚴(yán)重。凹模與壓邊圈需要進(jìn)行防粘結(jié)瘤設(shè)計(jì)：工作部分選擇鋁青銅TS4材料（無熱處理）或含碳量大于0.3%的普通鋼材并進(jìn)行TD超硬化表面處理；凸模與不銹鋼板料之間無相對滑動，無粘結(jié)瘤的產(chǎn)生，凸模選擇一般材料及熱處理方式即可（試驗(yàn)選擇Cr12MoV材料，熱處理硬度56~60HRC）。
試驗(yàn)所選用研究對象均需多次拉深的階梯型不銹鋼制件，除工序1外的其他所有工序，壓邊圈處均存在薄壁部分（中空結(jié)構(gòu)），最薄壁厚處僅約0.7mm（見圖6）。由于鋁青銅硬度38~45HRC，脆性大，拉深過程中容易發(fā)生脆裂，具有薄壁特征的壓邊圈不宜采用鋁青銅TS4，應(yīng)選用TD處理技術(shù)，成形所用的8副拉深模零件材料及其表面處理方式如表3所示。一般為了減少或防止粘結(jié)瘤的產(chǎn)生，不銹鋼拉深模需使用特殊研制的潤滑劑，如2#潤滑油、納米銅潤滑劑、丙烯酸清漆等。由于模具零件工作部分使用鋁青銅TS4與TD超硬化表面處理技術(shù)，潤滑劑選擇普通種類即可，試驗(yàn)所用潤滑劑為聚氯乙烯。運(yùn)用三維建模軟件CATIA，完成拉深模的三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)。經(jīng)檢測，試驗(yàn)中經(jīng)過TD處理的模具零件表面呈現(xiàn)鏡面，硬度約3100HV左右，滲層厚度達(dá)15μm，拉深模三維模型及實(shí)物見圖6。
（a）制件1
（b）制件2
（c）制件3
圖7 拉深成形不銹鋼制件
在1000kN機(jī)床上進(jìn)行拉深模試模，每副拉深模試制成形7件不銹鋼制件，完成8副拉深模（總計(jì)56個制件）試模僅用1天（8h），拉深成形不銹鋼制件實(shí)物如圖7所示。
▍原文作者：李欣芮1,2，王曉康1,2，何萬飛1,2
▍作者單位：1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司技術(shù)裝備公司；2.四川省航空智能制造裝備工程技術(shù)研究中心
