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不锈钢板成形分析及防止拉深缺陷的对策
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 邓明 李庆点击:
不锈钢的延展率小、弹性模量Ｅ较大，硬化指数较高，厚向异性指数ｒ值很小(不锈钢为0.9～0.11，软钢为1.3～2.0)。不锈钢材料由屈服到破裂的塑性变形阶段短，特别是它的塑性应变比的加权值Ｒ较大。不锈钢板拉深开裂有时发生在拉深变形之后，有时是在当拉深件由凹模内退出时立即发生；有时是在拉深变形后受撞击或振动时发生；也有时在拉深变形后经过一段时间的存放或在使用过程中才发生。本文针对不锈钢板拉深时产生缺陷的原因进行了分析，并提出解决措施。
不锈钢拉深过程中常见问题分析
1开裂形成的原因
奥氏体不锈钢的冷作硬化指数高(不锈钢为0.34)。奥氏体不锈钢为亚稳定型，在变形时会发生相变，诱发马氏体相。马氏体相较脆，因此容易发生开裂。
在塑性变形时，随着变形量的增大，诱发的马氏体含量也将随着变形量的增大而增高，残余应力也越大(图1)。
2表面划痕形成的原因
不锈钢拉深件表面出现划痕主要是由于工件和表面存在相对移动，在一定压力的作用下，致使坯料与模具局部表面直接产生摩擦，加之坯料的变形热使坯料及金属屑熔敷在模具表面上，使工件表面擦伤产生划痕。
不锈钢常见成形缺陷的预防措施
1选择合适的不锈钢材质
在奥氏体不锈钢中常用材料是1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ和0Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ，力学性能如表1所示。
2合理选择模具材料
不锈钢在深拉深过程中硬化显著，产生许多硬金属点，造成粘附，使工件和模具表面容易划伤、磨损，因此不能采用一般模具用工具钢。
实践证明：选择铜基合金模具能消除不锈钢件表面划痕、划伤，降低破损率。另一种材料为高铝铜基合金模具材料(含铝13Ｗｔ%～16Ｗｔ%)，这种材料与ＳＵＳ304不锈钢互溶性小，拉深件和模具之间不粘着，拉深件表面不易产生划痕划伤，产品抛光成本低，在不锈钢拉深成形领域已经获得成功应用。但是由于这种模具硬度偏低(40ＨＲＣ～45ＨＲＣ)，常用于生产相对厚度ｔ/Ｄ较小的产品。一般拉深1500件～2000件以后在凹模表面容易产生始于圆角Ｒ处呈放射状拉深棱。氮化硅陶瓷(Ｓｉ3Ｎ4)已成为重要的工程材料，尤其是反应烧结氮化硅陶瓷，具有良好的高低温力学性能、耐热冲击性和化学稳定性，而且可以非常方便地制成形状复杂的零件。可利用陶瓷材料的高硬度、高耐磨性以及高化学稳定性，用反应烧结氮化硅材料模具代替金属模具拉深ＳＵＳ304不锈钢。
3选择合理的凸、凹模圆角
凹模圆角与应力大小和分布有很大的关系。圆角半径大，压边圈压料面积不足，容易产生失稳起皱；而如果圆角太小，材料在变形过程中进入凹模的阻力就会增加，材料不易向内流动和转移，从而增加了传力区的最大拉应力，可能导致拉裂。因此，选择合理的凸、凹模圆角半径是至关重要的。
以前的探讨者通过试验也证明了采用带变薄的拉深可大幅度降低拉深件的切向残余应力最大值，可有效地防止纵向开裂发生。根据不同的变形程度和原始板料厚度，选择适当的变薄系数Ψｎ(一般为0.9ｔ～0.95ｔ)，如果Ψｎ取值过小会使变形应力急剧增加，从而导致拉深件底部破裂。
5在拉深工艺中加入中间退火工序
在多次拉深后应进行一次中间退火工序，可以彻底消除残余应力，并恢复奥氏体不锈钢的组织。对于高硬度的不锈钢，一般在1～2次拉深工序后，需要进行中间退火。如1Ｃｒｌ8Ｎｉ9Ｔｉ，通常加热温度为1150℃～1170℃，加热时间为30ｍｉｎ，并在气流中或水中冷却。并且，无论是工序间热处理，还是最后成品热处理，应尽可能在拉深后立即进行，以免由于长期存放，工件由于内应力作用产生变形或龟裂。但退火以及退火后的的清洗会导致生产周期的增加，且影响表面品质。
6采用适当的润滑剂
采用适当的润滑剂对不锈钢的拉深有明显的效果。润滑剂能够在凸、凹模之间形成一层有一定韧性和延伸率的薄膜，因而有利于不锈钢的拉深成形。
对于拉深变形程度大、成形困难的不锈钢拉深件，在实际生产中可以使用聚氟乙烯薄膜来充当润滑剂。聚氟乙烯薄膜具有极好的抗撕裂强度、一定的韧性和延伸率且容易清洗。涂复干膜后，在拉深过程中干膜能随坯料一起变形，可以始终将坯料与模具隔开，加之薄膜本身具有一定孔隙度和大量纤维裂纹，故也可存放一定的润滑油，所以该薄膜相当于一层干膜润滑剂。这种润滑方式可以有效地将变形不锈钢板与模具表面隔离开，润滑效果良好，有利于提高模具使用寿命和产品的合格率。
7其他预防措施
在不锈钢的拉深中还可以采取下列预防措施：
(1) 由于白口铸铁的存油性能好，容易形成润滑油膜，压边圈的材料可以使用白口铸铁；
(2) 采用锥形压边圈；
(3) 边缘加工光滑，不能有微裂缺口。
汽车消声器壳体拉深缺陷解决方案
某公司为“福特”汽车公司生产的汽车消声器外壳(材料为不锈钢)，在预拉深工序和拉深成形工序中均出现开裂现象(开裂部位如图4所示)。工厂在实际生产时，拉深开裂出现几率在5%～8%左右。为此他们在预拉深工序和成形拉深工序之间增加了退火和酸洗处理，但其效果不明显。
由于该工件的拉深深度大(预拉深时拉深深度为94ｍｍ～95ｍｍ)、头部截面又较小、壁薄等原因， 使零件拉深成形困难。该工件的开裂部位出现在凸模的圆角和凹模的圆角处。经分析，认为引起工件拉深开裂的原因有：
(1) 在凸模圆角处(该处变薄最厉害)产生开裂的原因是拉应力超过了材料的强度极限而引起的；
(2) 凸缘面积不合理，导致材料变形阻力增大，容易形成开裂；
(3) 如前所述凹模的圆角半径与应力的分布有很大的关系，该零件由于其凹模圆角小，增大了材料变形时的阻力和传力区的最大拉应力，导致变形区应力过大，从而引起零件在凹模圆角处开裂；
(4) 只采取了常规的润滑措施，材料在变形时同凹模表面产生摩擦也增大了变形阻力，相应地也增大了最大拉应力，阻碍了材料在变形时的流动。
2采取的改进措施
根据上述开裂形成原因的分析，采用以下改进措施，使得该零件在拉深时开裂的比率大幅下降。
(1)在凹模表面涂干膜润滑剂(主要成份为：硝化棉，油性醇酸树脂和增塑剂，极压剂等添加剂)，以减小材料在变形过程中与模具表面的摩擦阻力，使材料更容易由变形区向传力区流动。干膜润滑剂的干膜能将模具与坯料隔开，防止零件表面划伤和模具粘结，从而可以提高零件表面质量和成品率，同时干膜本身也具有一定的韧性，有利于材料的拉深成形；
(2)优化凸缘直径，降低最大拉应力，减小变形阻力。增大了第一次拉深的模具横向尺寸，并且加大了第一次拉深的凹模圆角；
(3)经过综合分析后，决定在预拉深工序结束后增加一道切边工序，尽量切除多余材料，减小材料成形阻力，有效的防止材料在进一步变形过程中产生开裂；
(4)合并了原工序中的最终两道工序(即成形拉深、翻边工序)，将其整合成一道工序(成形和翻边)，使该零件的加工步骤没有增加，从而也就有效的控制了加工成本。通过上述一系列的改进措施，很好的解决了该零件在预拉深和最终拉深过程中出现的开裂现象。
结论
虽然不锈钢在拉深时常出现开裂、起皱和表面划伤等缺陷，但通过选择成形性能好的不锈钢材料、合理的凸、凹模圆角、增加适当热处理工序和在凹模表面涂润滑剂等合理的预防措施，就可以提高不锈钢拉深成形的成功率，拉深出高质量不锈钢产品。同时应用本研究成果，可成功地解决汽车消声器外壳在预拉深工序和拉深成形工序中均出现开裂的问题，得到了工厂的好评，取得了良好的经济效益和社会效益。(end)
不锈钢拉深过程中常见问题分析
1开裂形成的原因
奥氏体不锈钢的冷作硬化指数高(不锈钢为0.34)。奥氏体不锈钢为亚稳定型，在变形时会发生相变，诱发马氏体相。马氏体相较脆，因此容易发生开裂。
在塑性变形时，随着变形量的增大，诱发的马氏体含量也将随着变形量的增大而增高，残余应力也越大(图1)。
图1残余应力与马氏体含量的关系
2表面划痕形成的原因
不锈钢拉深件表面出现划痕主要是由于工件和表面存在相对移动，在一定压力的作用下，致使坯料与模具局部表面直接产生摩擦，加之坯料的变形热使坯料及金属屑熔敷在模具表面上，使工件表面擦伤产生划痕。
不锈钢常见成形缺陷的预防措施
1选择合适的不锈钢材质
在奥氏体不锈钢中常用材料是1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ和0Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ，力学性能如表1所示。
表1奥氏体不锈钢的力学性能
2合理选择模具材料
不锈钢在深拉深过程中硬化显著，产生许多硬金属点，造成粘附，使工件和模具表面容易划伤、磨损，因此不能采用一般模具用工具钢。
实践证明：选择铜基合金模具能消除不锈钢件表面划痕、划伤，降低破损率。另一种材料为高铝铜基合金模具材料(含铝13Ｗｔ%～16Ｗｔ%)，这种材料与ＳＵＳ304不锈钢互溶性小，拉深件和模具之间不粘着，拉深件表面不易产生划痕划伤，产品抛光成本低，在不锈钢拉深成形领域已经获得成功应用。但是由于这种模具硬度偏低(40ＨＲＣ～45ＨＲＣ)，常用于生产相对厚度ｔ/Ｄ较小的产品。一般拉深1500件～2000件以后在凹模表面容易产生始于圆角Ｒ处呈放射状拉深棱。氮化硅陶瓷(Ｓｉ3Ｎ4)已成为重要的工程材料，尤其是反应烧结氮化硅陶瓷，具有良好的高低温力学性能、耐热冲击性和化学稳定性，而且可以非常方便地制成形状复杂的零件。可利用陶瓷材料的高硬度、高耐磨性以及高化学稳定性，用反应烧结氮化硅材料模具代替金属模具拉深ＳＵＳ304不锈钢。
3选择合理的凸、凹模圆角
凹模圆角与应力大小和分布有很大的关系。圆角半径大，压边圈压料面积不足，容易产生失稳起皱；而如果圆角太小，材料在变形过程中进入凹模的阻力就会增加，材料不易向内流动和转移，从而增加了传力区的最大拉应力，可能导致拉裂。因此，选择合理的凸、凹模圆角半径是至关重要的。
图2凸模相对圆角半径ｒｐ/ｔ与极限拉深力ｆ的关系
图3凹模相对圆角半径ｒｄ/ｔ与极限系数ｍ的关系
以前的探讨者通过试验也证明了采用带变薄的拉深可大幅度降低拉深件的切向残余应力最大值，可有效地防止纵向开裂发生。根据不同的变形程度和原始板料厚度，选择适当的变薄系数Ψｎ(一般为0.9ｔ～0.95ｔ)，如果Ψｎ取值过小会使变形应力急剧增加，从而导致拉深件底部破裂。
5在拉深工艺中加入中间退火工序
在多次拉深后应进行一次中间退火工序，可以彻底消除残余应力，并恢复奥氏体不锈钢的组织。对于高硬度的不锈钢，一般在1～2次拉深工序后，需要进行中间退火。如1Ｃｒｌ8Ｎｉ9Ｔｉ，通常加热温度为1150℃～1170℃，加热时间为30ｍｉｎ，并在气流中或水中冷却。并且，无论是工序间热处理，还是最后成品热处理，应尽可能在拉深后立即进行，以免由于长期存放，工件由于内应力作用产生变形或龟裂。但退火以及退火后的的清洗会导致生产周期的增加，且影响表面品质。
6采用适当的润滑剂
采用适当的润滑剂对不锈钢的拉深有明显的效果。润滑剂能够在凸、凹模之间形成一层有一定韧性和延伸率的薄膜，因而有利于不锈钢的拉深成形。
对于拉深变形程度大、成形困难的不锈钢拉深件，在实际生产中可以使用聚氟乙烯薄膜来充当润滑剂。聚氟乙烯薄膜具有极好的抗撕裂强度、一定的韧性和延伸率且容易清洗。涂复干膜后，在拉深过程中干膜能随坯料一起变形，可以始终将坯料与模具隔开，加之薄膜本身具有一定孔隙度和大量纤维裂纹，故也可存放一定的润滑油，所以该薄膜相当于一层干膜润滑剂。这种润滑方式可以有效地将变形不锈钢板与模具表面隔离开，润滑效果良好，有利于提高模具使用寿命和产品的合格率。
7其他预防措施
在不锈钢的拉深中还可以采取下列预防措施：
(1) 由于白口铸铁的存油性能好，容易形成润滑油膜，压边圈的材料可以使用白口铸铁；
(2) 采用锥形压边圈；
(3) 边缘加工光滑，不能有微裂缺口。
汽车消声器壳体拉深缺陷解决方案
某公司为“福特”汽车公司生产的汽车消声器外壳(材料为不锈钢)，在预拉深工序和拉深成形工序中均出现开裂现象(开裂部位如图4所示)。工厂在实际生产时，拉深开裂出现几率在5%～8%左右。为此他们在预拉深工序和成形拉深工序之间增加了退火和酸洗处理，但其效果不明显。
图4工件及预拉深时开裂的部位
由于该工件的拉深深度大(预拉深时拉深深度为94ｍｍ～95ｍｍ)、头部截面又较小、壁薄等原因， 使零件拉深成形困难。该工件的开裂部位出现在凸模的圆角和凹模的圆角处。经分析，认为引起工件拉深开裂的原因有：
(1) 在凸模圆角处(该处变薄最厉害)产生开裂的原因是拉应力超过了材料的强度极限而引起的；
(2) 凸缘面积不合理，导致材料变形阻力增大，容易形成开裂；
(3) 如前所述凹模的圆角半径与应力的分布有很大的关系，该零件由于其凹模圆角小，增大了材料变形时的阻力和传力区的最大拉应力，导致变形区应力过大，从而引起零件在凹模圆角处开裂；
(4) 只采取了常规的润滑措施，材料在变形时同凹模表面产生摩擦也增大了变形阻力，相应地也增大了最大拉应力，阻碍了材料在变形时的流动。
2采取的改进措施
根据上述开裂形成原因的分析，采用以下改进措施，使得该零件在拉深时开裂的比率大幅下降。
(1)在凹模表面涂干膜润滑剂(主要成份为：硝化棉，油性醇酸树脂和增塑剂，极压剂等添加剂)，以减小材料在变形过程中与模具表面的摩擦阻力，使材料更容易由变形区向传力区流动。干膜润滑剂的干膜能将模具与坯料隔开，防止零件表面划伤和模具粘结，从而可以提高零件表面质量和成品率，同时干膜本身也具有一定的韧性，有利于材料的拉深成形；
(2)优化凸缘直径，降低最大拉应力，减小变形阻力。增大了第一次拉深的模具横向尺寸，并且加大了第一次拉深的凹模圆角；
(3)经过综合分析后，决定在预拉深工序结束后增加一道切边工序，尽量切除多余材料，减小材料成形阻力，有效的防止材料在进一步变形过程中产生开裂；
(4)合并了原工序中的最终两道工序(即成形拉深、翻边工序)，将其整合成一道工序(成形和翻边)，使该零件的加工步骤没有增加，从而也就有效的控制了加工成本。通过上述一系列的改进措施，很好的解决了该零件在预拉深和最终拉深过程中出现的开裂现象。
结论
虽然不锈钢在拉深时常出现开裂、起皱和表面划伤等缺陷，但通过选择成形性能好的不锈钢材料、合理的凸、凹模圆角、增加适当热处理工序和在凹模表面涂润滑剂等合理的预防措施，就可以提高不锈钢拉深成形的成功率，拉深出高质量不锈钢产品。同时应用本研究成果，可成功地解决汽车消声器外壳在预拉深工序和拉深成形工序中均出现开裂的问题，得到了工厂的好评，取得了良好的经济效益和社会效益。(end)
