浅析铝合金罩形件的冲压成形工艺

文/顾建刚·常州兰翔机械有限责任公司

通过理论计算与试制摸索对XX.002 罩的成形工艺参数及工艺路线进行优化，并且对模具结构进行完善，制定出工艺与工装结合较为合理的成形方案，为后续类似外形的钢件及铝合金件的冲压成形提供成熟的解决方案。

XX.002 罩为风扇转子组件的组成单件，其材料为厚度1.5mm 的铝合金2A12（LY12），外形整体为拉深件，底部带有反向翻边孔。2A12 为硬铝，其塑性与优质碳素结构钢及不锈钢相比较差，相应也会导致拉深成形较为困难，危险断面易裂开，为后续成形带来较大不便。在试制前期需仔细计算工艺参数，制定合理的工艺路线且同时需考虑与工序相配套的拉深、翻边模具结构设计的合理、有效性。本文通过在工艺计算，将试制期间暴露的问题进行调整优化，并归纳总结出较为合理化的工艺、工装实施方案。

零件工艺性分析

材料

XX.002 罩材料为 2A12（LY12），2A12 是可热处理强化铝合金，经固溶处理、自然时效或人工时效后具有较高的强度，它是航空工业中使用较为广泛的铝合金。其塑性与日常使用较为广泛的优质碳素结构钢及不锈钢相比较差，伸长率为12%，而20钢为25%，1Cr18Ni9Ti 达到了40%，具体对比如表1 所示。

由此可看出，2A12 此种材料塑性相对普通钢种较差，同时综合考虑此零件的拉深系数，所以其拉深成形难度较大。

表1 机械性能对比表

工艺计算及工艺路线拟定

工艺计算

XX.002 罩最后零件为去除余量件，中间工序需进行增加工艺余料辅助成形。为方便成形及模具设计，现将零件中间拉深结构设计成图1 所示。

图1 辅助工艺结构图

经查阅公式，法兰边与直线段之间R 角（凹模圆角半径）原则上设计为5 ～10 倍料厚，若R 角过小则板料不易流动，增加了筒壁传力区的拉应力，不利于拉深；若R 角过大则会减小有效压边面积，容易使板料失稳起皱。零件板料厚度为1.5mm，R角范围为R7.5 ～15mm，因此在零件取中间范围值R10mm（利于后续修模）；直线段13.5mm 增大0.2mm余量至13.7mm 便于端面车加工。SR80mm 与底面直边之间应设计为大圆角R 过渡，此R 角选择需考虑储备足够余料方便后续翻边成形，根据反向推导计算且遵循表面积不变原则，图1 所示的SR80mm 后接大R 角弧长与底部直线段长度之和与零件SR80mm后续翻边R 角（实际值为R6.7mm）展开后的直线段长度相同，经在AutoCAD 软件上标注计算后取整R20mm。经上述计算外形尺寸已可绘出，其高度达到80.2mm。

通过对零件中性层进行展开计算即可得出板料下料尺寸，示意图如图2 所示。

图2 展开料计算示意图

毛坯板材展开长度（半边）可分为R10 圆弧段弧长L1，13.7 直线段长度L2，SR80 球面圆弧段弧长L3，R20 圆弧段弧长L4及直线L 段长度L5共五部分，在这里板料皆取中性层的线性长度。

故L=L1+L2+L3+L4+L5=16.89+13.7+49.37+18.25+47.38=145.59mm，下圆料直径φ=145.59×2=291.18mm，因此取近似圆φ291.5mm。

工艺路线编排

经计算此零件的高径比h/d=80.2÷154.3=0.52，经查阅2A12 圆筒件一次拉深的极限相对高度h/d 约为0.6，现零件参数已接近极限参数，若进行一次拉深到位则比较危险，危险断面破裂的可能性较高且侧壁会明显变薄。为保证拉深质量，在安排工艺路线时在首次拉深中仅拉深到一半高度，再进行退火消除应力恢复其塑性，接着进行后续拉深到位，在此过程中仅用一套拉深模即可，示意图如图3 所示。

按图3 所示进行分步拉深到位后则需为后续翻边去除余料开底孔。利用自制夹具进行车削加工去除法兰边，同时对底部进行开孔，经展开料核算（见计算）底部开孔定为φ88mm。示意图如图4 所示。计算公式为K=d0/D。

图3 拉深工序示意图

图4 车削加工示意图

其中：K—翻边系数；K 值愈小，变形程度愈大；

d0—翻边前毛坯上孔的直径；

D—翻边后工件的孔径（中径）。

经查阅硬铝合金的极限翻边系数Kmin=0.80，则d0=0.8×106.5=85.2mm。因此开孔直径取略大于极限值为φ=88mm。

车削完毕后即可进行辅助去毛刺、倒角工序，下一步骤即可按产品示意进行反向翻边。翻边工艺主要依靠于模具结构的合理性。翻边成形示意图如图5 所示。

翻边完毕后整个结构尺寸都已成形，后续只需进行相应辅助工序。如车端面保证高度尺寸、去毛刺、热处理消应力、对尺寸公差及轮廓度校形等工序，零件即加工完成。

图5 翻边成形示意图

工艺路线拟定及工装配备

经以上计算及策划分析，具体工艺路线拟为：5 下料→ 10 钳工→ 15 冲工→ 20 热处理→ 25 冲工→3 0热处理→3 5冲工→4 0车工→4 5钳工→5 0冲工→55 车工→60 钳工→65 热处理→70 冲工→75检验。

15、25、35冲工皆为拉深工序，共用一套拉深模；20、30 热处理工序皆为退火消应力、恢复塑性，方便后续拉深；50 冲工为翻边工序，需一套翻边模；65 热处理工序为固溶时效得到硬度HB ≥105；70 冲工工序为校形需一套校形模。

结束语

通过精确数值计算，拟定合理有效的冲压工艺，配备结构完善的工装模具能较为经济且高效地完成XX.002 罩的拉深、反向翻孔等工艺，从而实现零件的批量生产。板材冲压成形的特性决定了前期试制工艺工作的繁琐，在零件试制及试模过程中应注意及时获得现场问题并反馈，通过与理论知识相结合，总结归纳平衡各方面因素，找到合适的切入点解决问题。