不锈钢精密零件冷镦成形研究

张成浩

（成都宏明双新科技股份有限公司，四川 成都 610091）

0 引言

冷镦是精密塑性体积成形的一种，在压力和模具共同束缚下控制金属流动促使金属体积转移，获得所需形状、尺寸及具有一定力学性能的零件。冷镦技术是高精、高效、优质低耗的先进生产工艺，一般应用于中小型冷镦件规模化生产。随着电子产品、家用电器等行业对技术要求的不断提高，冷镦工艺己成为中小零件精细化生产的发展方向之一。

图1所示为电子产品零件结构，材料为不锈钢SUS304-I，零件呈台阶结构。零件技术要求：①硬度要求平均在330 HV以上；②外观面需全光亮带，按A级面管控，不允许存在任何色泽的差异；③冲孔冲切面光亮带大于85%，无塌角；④不允许存在起皱、拉伤及撕裂等外观缺陷；⑤外形尺寸公差为±0.02 mm，平面度公差为0.05 mm。

图1 零件结构

1 零件材料特性

不锈钢SUS304-I应用较为广泛，具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和力学特性，冲压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象，力学性能如表1所示。

表1 不锈钢SUS304-I力学性能

2 零件工艺分析

零件成形工艺主要有以下2种。

2.1 金属切削加工

采用金属切削加工是传统成形方式，也是最直接的方法。CNC切削加工成形存在的问题：材料利用率低且成本高，材料浪费严重。为此需要一种节约材料且减少切削加工余量的成形工艺，选用板材通过精密冷镦方式成形，精密冷镦成形毛坯，然后进行冲裁成形所需的零件，该工艺有以下特点。

（1）材料利用率高，可选用1.6 mm厚的卷料，经过局部冷镦实现零件形状成形，最大程度提升材料利用率。

（2）生产效率高、可批量生产，冲压冷镦均适合大批量生产。

（3）冷镦采用模具成形，成形零件精度及品质稳定可靠。

（4）无需CNC加工。

（5）成形零件硬度可提高到330 HV以上，能满足零件强度要求。

（6）采用流动控制成形技术控制材料流动过程，经研磨电镀后表面色泽一致，外观达到客户要求。

2.2 冷镦成形工艺

冷镦时，一次镦压成形所容许的变形程度，称为许用变形程度。不同材料有不同的许用变形程度，工艺上，每道冷镦工序的变形程度应小于许用值。不锈钢材料在冷镦镦粗过程中，其高度会发生变化，以高度变化量反映镦压量，镦压量与高度变化关系为：

式中：H——冷镦前高度，1.5 mm；h——冷镦后高度，0.9 mm；ε——镦压量，经计算ε=40%，小于不锈钢自由镦压量50%～60%的变形量。

经过冷镦塑性变形，金属的力学性能、物理性能及化学性能发生改变，随着变形程度的增加，强度指标硬度有所提高即冷变形硬化。不锈钢SUS304-I为亚稳态奥氏体不锈钢的代表，应变后开始马氏体转变，其应力-应变曲线上加工硬化率显著提高，如图2所示。SUS304-I材料硬度最大为200 HV，经过变形量40%的冷镦后可以达到零件要求的硬度。

图2 SUS304-I镦压变形量ε与硬度曲线关系

成形工艺可采取以下2种方案。

（1）方案一：正向镦压成形。冲头考虑为刚体，坯料划分为约30 000个单元，计算过程中采用网格自适应，分析的坯料模型如图3（a）所示，直接用平冲头镦压坯料，1为冲头运动方向，2为约束Z向自由度，3为2个端面全约束，坯料厚度由1.5 mm镦压到0.9 mm，有限元边界条件如图3（b）所示。

图3 正向镦压模型

镦压有限元分析如图4所示。从图4可以看出，对于SUS304-I坯料，厚度由1.5 mm镦压至0.9 mm，材料压缩0.6 mm通过5个阶段实现，峰值压力为85 300 N，对于冷变形，设计的加工应变和应力有些偏高，导致模具安全性不高，0.9 mm的尺寸很难保证。

图4 镦压有限元分析

根据图5镦压泰勒展开式材料分流原理，如果有效控制材料流动会降低模具压应力的峰值，基于此制定第二个成形方案。

图5 镦压力分布

（2）方案二:先V形镦压再正向镦压成形。考虑冲头为刚体，坯料划分为约30 000个单元，计算过程中采用网格自适应，先用V形冲头镦压坯料，压下量为0.6 mm，再用平冲头镦压到0.9 mm，优化后的有限元模型及边界条件如图6所示。

图6 优化后的有限元模型及边界条件

优化后的镦压有限元分析如图7所示。从图7可以看出，预先采用V形冲头镦压，再用平冲镦压所需要的载荷比直接用平冲头镦压小，而对于等效应变则相反，说明两步成形使坯料更容易变形。最大承载力减小，相应的模具安全性得到提高，易保证成形0.9 mm的尺寸。

图7 优化后的镦压有限元分析

3 零件冲切面工艺分析

3.1 零件冲孔

成形中间2个孔（见图1）以普通冲裁方式达不到冲切断面光亮带＞85%的要求，需要精冲、精修等冲压方式。精冲靠V形齿限制材料流动的前提下，以极小间隙冲裁，模具零件常会因磨损剧烈而失效，模具加工成本高，且要使用专用机床冲剪，同时卸料板压力较大。冲孔外围材料为零件面，采用V形齿圈强压的方式会破坏成形零件表面状态，V形齿圈精冲不合适，需采用精修的方式成形。

第一次预冲孔留一定余量，第二次冲孔采用精修，不锈钢SUS304-I精修参数如表2所示，预冲孔在最后一次精镦之前，预冲孔宽度为1.90 mm，精修量保留0.15～0.3 mm，然后采用精修修整预冲孔塌角与孔的侧壁，达到成形零件对于冲孔光亮带的要求，精修参数与工序设计如图8所示。

图8 精修冲孔及工序

3.2 零件外形冲切

零件外形要求光亮且不允许有接刀段差，冷镦后零件飞边余量较少同时材料硬化，不适合V形齿精冲，采用切边后精密整体落料方式进行处理，如图9所示。精密落料间隙选用表2所示参数，前期试验验证结果显示成形零件侧切面符合要求，如图10所示。

图9 精修落料

图10 断面质量验证

表2 SUS304-I精修参数 mm

4 模具零件材料

冷镦模在高压、高摩擦力的环境下工作，因此要求模具钢在工作温度下具有较高的硬度、强度、冲击韧性和热疲劳性能。根据被镦压金属的种类、温度、镦压力等条件，选用合适的工艺与优质的模具零件材料尤为重要。冷镦模零件材料要求：高硬度、高强度、高韧性、高耐压能力、高耐磨性、良好的工艺性能。冲孔冲头与刃口采用ASP23材料，镦压冲头与凹模选用钨钢KG7。

5 模具润滑

润滑对冷镦有重要影响，不仅影响金属的变形和冷镦件的成形质量，还影响冷镦单位压力的大小、模具零件的强度和使用寿命等。为尽量减小摩擦的不利因素影响，除模具零件工作表面粗糙度要求高外，还要采用良好而可靠的润滑方法，常用液态、固态2种润滑剂。采用的润滑方式是通过在冷镦过程中添加镦压油实现，选用S950A冷镦润滑油，给滑动的负荷提供润滑的油膜，利用极压原理，避免金属与金属表面直接接触；同时降低镦压负荷，促进金属在模具中的流动，减少模具零件磨损。

6 排样设计

排样设计如图11所示，材料选用SUS304-I，厚度为1.6 mm，料带先冲定位孔、切边，再进行第一次V形冲镦压，镦压量为0.6 mm，第二次平锻，锻压到1.0 mm，后进行修边冲定位孔、粗冲零件孔，再进行镦压精整形到零件厚度0.9 mm。同时对前面冲孔塌角进行镦压整形，整形后精修零件孔到宽度1.75 mm，冲裁间隙为0.01 mm，然后裁切零件外形并保有0.15～0.3 mm余量，最后落料，冲裁间隙为0.01 mm。

图11 排样设计

7 结束语

通过对SUS304-I冷镦零件的结构分析，给出了具体的工艺解决方案与结构设计，通过模具开发与试模生产，最终达到成形零件形状、尺寸、冲孔与外形切断面的光亮带＞85%的要求，且成形零件硬度达到382 HV，满足大批量生产的要求。