不锈钢封头成形探究及模具设计

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封头尺寸如图1所示，此封头用于某铁路货车储风缸，材质为T4003不锈钢，厚度为6mm，封头与缸体进行组焊，要求成形后直径差小于1mm。随着对工艺质量的精益求精，尤其是在不锈钢成形方面，在保证应有的工艺尺寸条件下，对表面质量提出了更高的要求，不锈钢加工后表面不能出现划伤、压痕、拉毛等质量问题，所以在模具设计、镶块材质选择、加工精度等方面需要认真分析确认。

一、封头工艺分析

封头为无凸缘结构，底部为球面，侧壁为筒形，采用圆角过渡，其加工工序为：开卷裁料→剪切条料→模具落料→模具压型→扫边→修磨去毛刺。除压型工序外，其余工序均为生产车间成熟工序，压型工序需要重新设计模具。此封头与一般储风缸封头相比，材质由Q235钢改为不锈钢，材料变厚，表面质量要求更高。封头毛坯形状为圆形，成形方式为拉深，在拉深过程中，材料很大部分在凸模下方，极易导致封头圆形直壁部分在成形过程中起皱，而且起皱后很难消除。其次，封头在成形过程中，板料变形使材料流动阻力增大，工件与模具之间产生较大的摩擦力。而此封头材质为不锈钢，有较强的粘滞性，成形后硬度显著提高，材料与模具表面极易在某些点上由于压力而粘连在一起。随着成形的进行，加剧了模具磨损，工件表面也产生划伤，从而影响模具寿命和工件表面质量。最后，考虑生产制造成本，模具结构应尽可能简单、小巧、使用方便、操作简单。

二、冲压工艺方案计算分析

之前生产过的类似封头为4mm厚的Q235钢，采用带有压边结构的模具，并且由于拉深深度较大，模具设计的比较大，采用拉深凹模底边与工件拉深后回弹量配合完成卸料。此次由于板料厚度、尺寸和材料调整，为了保证工件能够顺利成形以及模具设计，对工件进行必要的工艺计算和分析。

1工艺计算

⑴成形力计算：P=K×π×d×δ×σb≈148吨，根据计算及生产现场实际情况选择315吨油压机。⑵是否采用压边圈：采用现有落料模具落料此工件。落料工件展开尺寸D=φ311mm，成形后直径d=φ248.5mm，相对厚度为(δ/D)×100≈1.93，在首次拉深中，当相对厚度在1.5～2时，压边圈可用可不用，一般在1.7以上可不用压边圈。根据工艺计算，计划设计采用无压边结构模具，但是为了更加可靠及防止后续模具结构更改造成制造周期延长及成本浪费，对此封头成形进行仿真分析。

2仿真分析

在实际生产中，我们经常利用有限元软件JSTAMP-NV进行冲压成形仿真分析，以此来模拟分析工件在成形过程中的成形趋势、减薄率、板厚分布、破裂、回弹、翘曲等常见的冲压数据及问题，分析结果直观、准确，也能够使模具结构、形状得以在生产前进行优化，减少模具制造成本及调试周期。为保证分析结果的准确，在仿真分析前需要做一些基本的准备工作，如建立CAD模型、板料机械性能检测。利用Pro/E三维软件对所需拉深凸模、拉深凹模进行模型建立。拉深凹模成形部位尺寸与工件外圆直径相同，凹模圆角选择3δ，即R18mm。拉深凹模与拉深凸模配合设计，根据一次拉深的单边间隙Z=(1～1.1)δ，在实际生产中，通常板料厚度都小于名义尺寸，所以模具设计凸凹模单边间隙直接取板料厚度6mm，设计拉深凸模。根据实测T4003材料参数(表1)建立材料模型。在JSTAMP-NV中设置好拉深凸模、拉深凹模与板料的位置关系，模具与板料的摩擦属钢-钢，由于不锈钢材质具有粘滞性，摩擦因数在无润滑情况下μ=0.2，板料网格尺寸不大于0.7δ为好，此次取2.8mm。应用JSTAMP-NV对建立的有限元模型进行数值分析。本次有限元分析主要目的是分析封头在无压边圈情况下成形后边缘是否起皱。图2为有限元分析起皱分布云图，从图中可以看出，工件成形圆度较好，完全满足尺寸要求，所以本次模具设计采用无压边圈结构。

三、模具设计

1模具主要镶块材质选择

为保证工件表面成形质量及寿命，拉深凸模应选择硬度较高、具有良好耐磨性的材质，模具凸模选用Cr12MoV，热处理硬度控制在58～60HRC。拉深凹模表面是板料成形过程中受力最大、接触最多、位移最大的部位，是成形尺寸和质量的关键，是最容易引起划伤的地方。综上，拉深凹模选择铜合金材质，硬度控制在42～48HRC，因为在此条件下，铜合金具有良好的散热性、耐磨性和较低的摩擦系数，能够消除工件外表面划伤，同时能够减少板料成形过程中的流动阻力。

2卸料方式设计

之前用凹模卸料的方式，在使用一段时间后，会发生不卸料将工件带上来的情况，需要多次压型动作才能完成卸料，有时会将工件压变形而产生废品，所以此次设计三处伸缩式刚性卸料销，在压型完成后，待设备回程时，利用回程力和卸料销配合完成工件卸料。根据分析结果和分析采用的有限元模型尺寸设计模具凸凹模，最终完成模具设计，见图3。

四、生产验证

封头模具制造完成后进行生产验证，见图4、图5。工件外边面未发现破裂、缩颈、划伤等问题，我们所重点关注的起皱问题也没有产生，最后进行重要尺寸测量，均符合工艺要求，其中φ248.5mm的最大直径为φ248.7mm，最小直径为φ248.2mm，完全符合工艺要求。试验完成后，模具投入批量生产验证，进行尺寸及表面质量监测，通过表2可知，模具生产尺寸比较稳定，外表面未产生划伤，成形无褶皱，并且在封头组焊过程中非常顺利，并未因为封头成形质量产生废品，生产过程中无异常，可以持续生产。

五、结束语

在生产中，有限元分析已经变得不可或缺，可以让理论计算中的模棱两可变成显而易见，并且合理的模具材料可以改善工件的成形质量和模具寿命，合理的模具结构更加能够节约模具的制造成本。通过对封头成形的计算和分析，选择了合适的、经济的、稳定的无压边模具结构，得到了理想的产品。

作者:安秋博 单位:中车齐齐哈尔车辆有限公司