無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)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(duì)該類制件的表面質(zhì)量要求越來(lái)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(guò)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(guò)程中的難題。從宏觀角度觀察，板料表面與模具零件表面無(wú)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(shí)需要較大的壓邊力，實(shí)際工作狀態(tài)下，潤(rùn)滑油承受高溫、高壓及運(yùn)動(dòng)剪切力，局部潤(rùn)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(dòng)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(guò)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(gè)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(wèn)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(duì)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(wú)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)，發(fā)現(xiàn)與鋼柱配對(duì)時(shí)摩擦因數(shù)最小，磨損率最低。經(jīng)過(guò)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(shí)該部分表面粗糙度等級(jí)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(duì)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(rùn)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(jià)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(wú)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(wú)導(dǎo)向裝置的拉深模在機(jī)床上安裝合模時(shí)，需要反復(fù)調(diào)試。初始拉深成形的若干件制件均會(huì)報(bào)廢，浪費(fèi)時(shí)間和浪費(fèi)材料，為了解決上述問(wèn)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(duì)滑動(dòng)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(wú)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(wú)相對(duì)滑動(dòng)，無(wú)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(duì)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(guò)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(rùn)滑劑，如2#潤(rùn)滑油、納米銅潤(rùn)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(rùn)滑劑選擇普通種類即可，試驗(yàn)所用潤(rùn)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(cè)，試驗(yàn)中經(jīng)過(guò)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(gè)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(wàn)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
