不锈钢制件拉深成形防粘结瘤的研究

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模具制造技术

不锈钢制件拉深成形防粘结瘤的研究

李欣芮w，王晓康u，何万飞以

(1.成都飞机工业（集团）有限责任公司技术装备公司，四川成都610091;

2.四川省航空智能制造装备工程技术研究中心，四川成都610091)

摘要:通过对不锈钢制件多次拉深成形时模具零件上产生粘结瘤的研究,论述了多次拉深模防粘结瘤 方案的选择以及具体的模具结构设计。试验结果表明，对于不锈钢制件多次拉深成形，拉深模采用铝

青铜TS4材料或进行TD表面处理，对防止粘结瘤的产生具有显著效果。关键词：粘结瘤；不锈钢；多次拉深;TD表面处理;铝青铜中图分类号:TG76;TG386.32

文献标识码:B

文章编号：1001-2168(2020)05-0061-05

D01：10.16787/j.cnki.l001-2168.dmi.2020.05.015

Study on avoiding seizing tumor on die parts in drawing

process of stainless steel parts

LI Xin-rui1,2, WANG Xiao-kang1,2, HE Wan-fei1,2

(l.Technical Equipment Company, Chengdu Aircraft Industrial (Group) Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610091, China; 2.Engineering Technology Research Center of Sichuan Aviation

Intelligent Manufacturing Equipment, Chengdu, Sichuan 610091, China)

Abstract: By studying the die parts to prevent seizing tumourin the drawing process of stainless steel with several times, the scheme selection and die design were discussed. Ac­cording to the experiment, it was effective for avoiding seizing tumours by using alumini­um bronze TS4 and thermal diffusion carbide coating process.Key words: seizing tumour; stainless steel; drawing several times; TD surface treatment; alu­minium bronze〇引言

构和成形工艺参数，制件起皱与开裂能有效避免， 不锈钢制件具有良好的抗高温氧化性、抗腐蚀 但模具零件粘结瘤的形成机理比较复杂，目前没有 性，在五金、餐饮、医疗及航空航天等领域应用广 较好的解决方案，这是不锈钢制件在拉深成形过程 泛，需求也不断增加，对该类制件的表面质量要求 中的难题。越来越高。徐洪民等[11利用德国SCHENCKTREB-

EL RM250电子万能试验机对不锈钢薄板（/=0.5 1

粘结瘤形成机理

mm)的硬化指数、极限强度、屈服强度、均匀延伸率 从宏观角度观察，板料表面与模具零件表面无 等力学性能进行了研究。结果表明：相比于其他钢 缝贴合，载荷作用于接触面上。从微观角度观察， 材，不锈钢具有屈服强度高、屈强比小、均勻延伸率 板料表面与模具零件表面均凹凸不平，二者实际工 大、硬化指数高的特点，正是由于这些特点，不锈钢 作状态为非连续接触,载荷实际作用于局部凸起部 板料拉深成形性能良好，但是容易出现制件起皱、 位，如图1所示。由于不锈钢材料的特性，成形时需 开裂和模具零件粘结瘤等缺陷。通过调整模具结

要较大的压边力，实际工作状态下，润滑油承受高 温、高压及运动剪切力，局部润滑油膜易变薄、破

收稿日期：2019-12-10-裂，出现干摩擦区域，摩擦力瞬间增大。板料表面 作者简介:李欣芮（1990-),女(汉族)，四川南充人,工程师，主要

局部凸起与模具零件表面凸起均受到与运动方向

研究方向为钣金模具设计。

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模具工业2020年第46卷第5期

相反的剪切力，最终板料凸起部位被刮掉。在高 2

方案制定及试验结果

温、高压的环境下，板料材质与模具零件材料亲和 2.1工序件尺寸参数确定

力较好，碎片将软化、熔化、枯焊在模具零件表面 试验所成形的不锈钢制件如图3所示,均由圆 上，碎片随拉深的进行不断粘附在模具零件表面 筒形、球形组成的复合形式阶梯型制件，材料均为

上，最终形成粘结瘤，成形的制件表面被划伤，如图 lCrl8Ni9Ti,料厚均为1 mm，其中，制件1的坯料直 2所示。

径为007 mm, 3次拉深成形工序件的尺寸，如图4板料

所示。

2.2防粘结瘤方案选择

拉深模工作部分零件材料选择T8A或

Crl2MoV等，粘结瘤问题较严重。模具零件表面与 成形制件表面均出现严重划伤，模具返修率较高。 针对粘结瘤形成机理,不锈钢拉深模防粘结瘤方案 拟采用以下2种方式。

图1板料与模具零件接触面微观状态

(1)铝青铜TS4材料的应用。李文生等121对挤 压不锈钢用铝青铜合金模具材料研究中表明，铜合 金作为模具零件材料具有导热性能好、耐磨性好、 无需表面处理、与不锈钢亲和力较弱等优点。铝青 铜TS4作为铜基合金中的一种，具备上述优点。铝 青铜TS4的性能参数与Crl2MoV对比如表1所示， 铝青铜TS4作为不锈钢拉深模零件材料，成形过程 中能快速散热、避免粘结，有效避免粘结瘤的产生。

表1铝青铜TS4与Crl2MoV性能参数对比

材料

主要成分

热导率/

硬度

Wm'K1

/HRC

与不锈钢亲和力

(b)制件表面划伤

铝青铜

Cu：80%50

3845

较弱

图2

模具零件的粘结瘤与制件表面划伤

TS4Crl2MoV

Cr：11.0%~12.5%生与高温、高 C：1.45%~1.70%

7.12可达到60较强

由粘结瘤的形成过程可知，其产压、摩擦、材料亲和力有较大的关系。由于高压与 制件材料性质有关，不可更改，防粘结瘤方案的选 (2)TD表面超硬化处理技术的应用。TD处理 择只能从高温、摩擦、材料亲和力3个方面考虑。

即热扩散法碳化物覆层处理(thermal diffiisioncar-

(a)制件1(b)制件2

(c)制件3

图3

不锈钢制件

模具工业2020年第46卷第5期

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■

必5:>.36

.

.

姻

s〇

62.6彡 52:;;

(a)工序1

(b)工序2(c)工序3

图4

制件1拉深工序

bide coating process),是通过高温扩散作用于模具 与螺钉连接(镶件无锥度)2种方式。试验中凹模均 零件表面形成一层数微米至数十微米的金属碳化 采用压合式，压边圈采用螺钉连接方式，镶拼结构 物覆层的表面处理技术。该覆层具有较高的硬度，

如图5所示。

热处理硬度可达3 600 HV左右。由于TD处理温度 高达1 000 T，材料受限，多适用于含碳量高于0.3% 的各类钢材。研究发现，对Crl2M〇V冷作模具钢进 行TD处理，表面VC涂层与不同摩擦副配对，发现 与钢柱配对时摩擦因数最小，磨损率最低[3]。经过

TD处理的零件工作部分耐磨性增高、摩擦系数降 低、抗咬合性能增强，同时该部分表面粗糙度等级 高，提高了材料的抗粘合性。TD处理与传统工艺 的主要参数及性能对比如表2所示'

目前防止产生粘结瘤的研究大多数集中于铝 青铜TS4等模具零件材料与润滑油的研究，而将TD 处理运用于不锈钢制件多次拉深模上，特别是将

TD处理与铝青铜TS4组合运用，该类研究还未见报 道。

2.3防粘结瘤拉深模设计 2.3.1模具结构设计

(1)镶拼结构。由于铝青铜脆性大、可加工性 (b)压边圈(螺钉连接式)

能差、价格高。试验中需使用铝青铜TS4材料的模 图5

镶拼结构

具零件部分均采用镶拼结构，内置镶件采用铝青 铜，外缘采用45#钢。根据使用铝青铜的模具零件 (2)导柱导套。无导向装置的拉深模在机床上 部位不同，镶拼结构又分为压合式(镶件带有锥度）

安装合模时，需要反复调试。初始拉深成形的若干

表2 TD处理与传统工艺主要参数及性能对比

强化方法TD

QPQ

渗硼CVD

PVD

硬质合金表面硬度/HV2 600-3 600

700-1 1001 200-1 8002 000-3 100

2 000-3 200

1 500-1 800

硬化层厚/Min&-\\5

10-2050-5005〜152〜5整体耐磨性能★ ★★★★★★★★★★★★★★ ★★★★★★★★硬化层均匀性★ ★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★抗剥离性

★★★★★

★★★

★★★

★★★★

★★★★

★★★★★

件制件均会报废，浪费时间和浪费材料，为了解决 上述问题，试验中拉深模上下模导向装置采用导柱 导套(左右两导柱直径不同），如图6所示。2.3.2工序方案设计

拉深模主要工作部分包括凹模、凸模、压边圈 等。由于凹模及压边圈与不锈钢板料之间存在相 对滑动且承受较大的载荷，粘结瘤现象严重。凹模 与压边圈需要进行防粘结瘤设计:工作部分选择铝 青铜TS4材料(无热处理）或含碳量大于0.3%的普 通钢材并进行TD超硬化表面处理；凸模与不锈钢 板料之间无相对滑动，无粘结瘤的产生，凸模选择 一般材料及热处理方式即可(试验选择Crl2M〇V材 料，热处理硬度56~60 HRC)»

试验所选用研究对象均需多次拉深的阶梯型 不锈钢制件，除工序1外的其他所有工序，压边圈处 均存在薄壁部分（中空结构），最薄壁厚处仅约0.7

2.5试验结果2.4润滑油选择

模具工业2020年第46卷第5期

大，拉深过程中容易发生脆裂，具有薄壁特征的压 边圈不宜采用铝青铜TS4,应选用TD处理技术，成 形所用的8副拉深模零件材料及其表面处理方式如 表3所示。

一般为了减少或防止粘结瘤的产生，不锈钢拉 深模需使用特殊研制的润滑剂[5],如2#润滑油'纳 米铜润滑剂m、丙烯酸清漆[8]等。由于模具零件工作 部分使用铝青铜TS4与TD超硬化表面处理技术， 润滑剂选择普通种类即可，试验所用润滑剂为聚氯

乙烯。

运用三维建模软件CATIA,完成拉深模的三维 数字模型设计。经检测，试验中经过TD处理的模 具零件表面呈现镜面，硬度约3 100 HV左右，渗层

mm(见图6)。由于铝青铜硬度38~45HRC,脆性

处约0 7mm )|

画表而TD处理，呈镜

(HV值约3100，渗层』

(a)拉深模三维模型

图6

表3

制件

工序工序1

1

工序2、3

铝青铜+45钢

56-60

凹模铝青铜+45钢

（b)实际模具

拉深模三维模型及实际模具

不锈钢制件拉深模零件材料及试验结果

压边圈铝青铜+45钢

模具零件工作区域表面状况无粘结瘤产生,无划伤

制件成形结果

合格

表面质量好，无划伤

合格

表面质量好，无划伤

合格

表面质量好，无划伤

合格

表面质量好，无划伤

凸模(Crl2MoV)/HRC

56-60

Crl2MoV

表面TD处理

无粘结瘤产生,无划伤

2工序1、2、3铝青铜+45钢56-60

Crl2MoV

表面TD处理

无粘结瘤产生,无划伤

3工序1、2

Crl2MoV

表面TD处理

56-60

Crl2MoV

表面TD处理

无粘结瘤产生,无划伤

模具工业2020年第46卷第5期

厚度达15 pm,拉深模三维模型及实物见图6。

在1 000 kN机床上进行拉深模试模，每副拉深 模试制成形7件不锈钢制件，完成8副拉深模(总计 56个制件)试模仅用1天(8 h)，拉深成形不锈钢制 件实物如图7所示。

(c)制件3

图7

拉深成形不锈钢制件

3结束语

通过上述对拉深不锈钢制件的模具零件进行

防粘结瘤试验，制件合格率较高，成形制件的表面

质量良好、无划伤，8副拉深模零件上均无粘结瘤的

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产生，返修率低，得出以下结论。

(1) 选用铝青铜TS4作为模具零件材料或进行

TD表面处理，对于防止模具零件在拉深成形不锈钢制件过程中产生粘结瘤，效果显著。

(2) 铝青铜TS4与TD处理2种方式在特殊结构的不锈钢制件拉深模上(薄壁结构）的组合运用，使拉深模既能满足成形要求，又能防止产生粘结瘤。

(3) 模具零件材料的改进与特殊表面处理技术的应用，降低了对润滑油的要求，使用普通的润滑油即可满足需求。

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