压缩机壳体拉深凸耳和缺料的影响因素及控制_胡开广.pdf

第 48 卷 第 6 期Vol.48 No.6FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 6 月Jun.2023压缩机壳体拉深凸耳和缺料的影响因素及控制胡开广1,杨 业2,黄 旭1,武巧玲2,郑学斌1,郑春海2(1.首钢集团有限公司技术研究院,北京 100043;2.首钢股份公司迁安钢铁公司,河北 唐山 064400)摘要:针对压缩机壳体用酸洗板 SPHC 低碳铝镇静钢在冲压过程中的拉深凸耳及其导致的缺料问题,首先,根据仿真建模和拉深凸耳的产生原因,分析了压边力、摩擦因数、坯料形状、模具间隙、板料厚度和各向异性因素对凸耳的影响,结果显示,坯料形状和各向异性是造成压缩机壳体拉深凸耳的主要因素。然后,通过变换不同的 r0、r45和 r90值,发现当 drmax0.45 时,即在板料横向、纵向以及 45图 10 修边工序的法兰部分(a)drmax 0.45(b)drmax 0.45Fig.10 Flange part in trimming process方向的 r 值存在较大差异,由于在缺料位置的 r 值较小,导致拉深过程中板料厚度方向变化较小,流入量较大,此处出现凸耳波谷,经过修边工序后该位置余料不足造成缺料现象,如图 10a 所示。由于材料各向异性的差异,对 drmax进行了不同参数下缺料尺寸的仿真分析,如图 11 所示,结果显示,随着 drmax的增大,缺料尺寸呈增大趋势。图 11 drmax与缺料尺寸的关系曲线Fig.11 Relationship curve between drmax and size of material shortage4 轧制工艺优化由于材料在优化前卷料边部的横向与纵向性能存在差异,一般卷料板宽方向的中部性能优于边部,卷料边部的头、中、尾性能也存在性能差异,造成整卷材料性能一致性较差,即检测位置 r 值波动较大,导致 drmax较大。图 12 为卷料的 r0值分布图。27锻压技术 第 48 卷图 12 材料优化前 r0值分布Fig.12 Distribution of r0 value before material optimization由图 12 可知,r0值主要集中在 1.2 附近,卷料边部的 r0值较低,接近于 0.3,与卷料板宽中部的 r0值1.2 相差 0.9,由此造成筒形件拉深凸耳现象。缩小 drmax值的直接途径为提高卷料宽度上的组织均匀性。针对低碳铝镇静钢组织均匀性提出了以下技术方案。4.1 轧制温度控制提高终轧温度,由此避免进入两相区轧制造成混晶。使用板卷箱来提升精轧入口温度,以及改善温度均匀性、提高产品组织性能一致性。另外,投入边部加热器,以实现边部补温,避免边部温度过低而落入两相区。4.2 温度均匀性控制在终轧温度控制方式上,采用板卷箱工艺配合使用动态机架间水控制模式,并对动态机架间水控制逻辑进行优化,减小后部机架反馈控制流量,以改善后部机架表层过冷造成的表层混晶问题。对工作辊冷却水喷嘴进行边部小流量、中心大阶梯流量控制,以改善边部过冷。4.3 轧制变形控制减薄中间坯,将酸洗板 SPHC 的中间坯厚度由3844 mm 减薄为 3238 mm,并采取小凸度控制,目标凸度为 30 m,需提升同板差控制水平。通过以上措施使板料厚度方向、卷料宽度方向的混晶问题得到了有效改善,优化前后的晶粒尺寸见图 13。如图 14、图 15 所示,卷料边部的硬化指数 n 值较优化前提高约 21%,r 值较优化前整体均匀性明显提升。图 13 酸洗板的微观组织和晶粒尺寸分布(a)优化前的金相组织(b)优化后的金相组织(c)优化前的晶粒尺寸分布(d)优化后的晶粒尺寸分布Fig.13 Microstructures and grain size distribution of pickling plate(a)Metallographic structure before optimization(b)Metallographic structure after optimization(c)Grain size distribution before optimization(d)Grain size distribution after optimization 优化后,在卷料边部、中部和尾部等区域采集样本参数,3 个方向的 r 值如表 2 所示。可以得出,优化后 drmax值均控制在 0.45 以下,通过冲压实验验证得到,在此范围内冲压均未出现由于拉深凸耳致使后序局部缺料的问题,如图 16、图 17 所示。37第 6 期胡开广等:压缩机壳体拉深凸耳和缺料的影响因素及控制 图 14 优化前后卷料头部和尾部的硬化指数 n 值Fig.14 Hardening index n values of head and tail for coil material before and after optimization图 15 优化前后卷料头部和尾部的 r 值Fig.15 r values of head and tail for coil material before and after optimization表 2 材料优化后三向 r 值Table 2 r values in three directions after material optimization编号r0r45r90drmax10.861.060.920.2021.181.041.080.1031.090.990.980.1040.981.051.030.0750.951.001.280.3361.011.090.890.2071.121.210.920.29图 16 drmax0.45 时的由拉深凸耳导致的缺料情况Fig.16 Material shortage caused by deep drawing lug when drmax 0.45 5 坯料改进方案由于坯料的形状对拉深成形质量的结果存在较大影响,在拉深工艺中控制坯料形状可以改善由于图 17 drmax0.45 时卷料边部均匀Fig.17 Edge uniform of coil stock when drmax0.45金属流动不均匀导致的切边余量不足的问题,从而提高拉深成形性,消除缺料现象。由于坯料片的 r90值存在差异,原坯料片为圆形,在切边不足的部分增大料片尺寸,可以补足切边余量。以下给出两种坯料优化方案:方案 1 为面积不变原则,方案 2 为宽度不变原则,如图 18 所示。图 18 两种坯料优化方案(a)方案 1:面积不变(b)方案 2:宽度不变Fig.18 Two kinds of blank optimization schemes(a)Scheme 1 of area invariant(b)Scheme 2 of width invariant 针对两种坯料优化方案,对切边余量不足导致的缺料尺寸与坯料优化后需要的补料尺寸进行了仿真计算,最后得出两种优化方案中缺料尺寸与补料尺寸的关系,如图 19 和图 20 所示。两种优化方案在确保压缩机壳体成形良好的情况下,需进行不同程度的压边力调整,以保证在切边工序中切边余量图 19 坯料优化方案 1 中缺料尺寸与补料尺寸的关系Fig.19 Relation between material shortage size and supplement size in blank optimization shceme 147锻压技术 第 48 卷满足成形要求。以上优化方案可解决在实际生产中,由于冲压时金属流动不均匀导致的拉深凸耳,以及最终导致的修边后局部缺料的问题。图 20 坯料优化方案 2 中缺料尺寸与补料尺寸的关系Fig.20 Relation between material shortage size and supplement size in blank optimization shceme 26 结论(1)对造成拉深凸耳的压边力、摩擦因数、坯料厚度、模具间隙、坯料形状和各向异性 6 种影响因素进行了研究,结果显示,坯料形状和各向异性是影响拉深凸耳的主要因素。(2)对比了各向异性系数 r 与 drmax对拉深凸耳的评估精确度,在压缩机壳体拉深成形工艺中,drmax比 r 更能有效表明各向异性和凸耳之间的关系。(3)通过仿真建模与拉深凸耳工艺研究,得出drmax0.45 时,拉深缺料缺陷可以得到有效改善,且 drmax值越大,缺料问题越明显。(4)通过控制轧制温度、温度均匀性和轧制变形等措施,提高了卷料的组织均匀性,将 drmax控制在成形工艺合理要求的范围内。(5)针对拉深缺料的原材料提出两种坯料优化方案,并得出两种方案的缺料尺寸与补料尺寸的关系。参考文献:1 林艳丽,何祝斌,袁杭,等.金属板材拉深制耳形状与各向异性系数的解析关系模型 J.塑性工程学报,2021,28(6):19-25.Lin Y L,He Z B,Yuan H,et al.Analytical relationship model of ear profile and anisotropy coefficient of sheet metal deep drawingJ.Journal of Plasticity Engineering,2021,28(6):19-25.2 胡开广,李涛,郭子峰,等.酸洗材料对轮辐成形质量的影响 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