1、模具工业 2021年第47卷第11期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）摘要： 介绍了SUS304-I冷镦件的成形工艺， 针对成形零件结构， 利用理论分析与试验验证， 从分步冷镦技术、 精修精冲、 模具零件材料、 模具润滑等方面给出合理的设计方法， 达到了成形零件形状、 表面质量、 硬度的技术要求， 取得良好的效果。关键词： 冷镦； 精冲； 不锈钢； 有限元分析； 正向镦压中图分类号： TG316.11文献标识码： B文章编号： 1001-2168 （2021） 11-0069-05DOI： 10.16787/ki.1001-2168.dmi
2、.2021.11.015Research on cold heading forming ofprecision stainless steel partsZHANG Cheng-hao(Chengdu Honmin Technology Co., Ltd., Chengdu, Sichuan 610091, China)Abstract: The forming process of SUS304-I cold heading parts was introduced, aiming at formingparts structure, by means of theoretical ana
3、lysis and experimental verification, reasonable designmethods were given from cold heading technology, fine trimming and fine blanking, die parts material, die lubrication, which realized the technical requirements of forming parts shape, surface quality and hardness.Key words: cold heading; fine bl
4、anking. stainless steel; finite element analysis; positive heading0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： 硬度要求平均在330 HV 以上； 外观面需全光
5、亮带， 按A级面管控， 不允许存在任何色泽的差异； 冲孔冲切面光亮带大于85%， 无塌角； 不允许存在起皱、拉伤及撕裂等外观缺陷； 外形尺寸公差为0.02mm， 平面度公差为0.05 mm。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。2零件工艺分析零件成形工艺主要有以下2种。图1零件结构表1不锈钢SUS304-I力学性能材料不锈钢SUS304-I抗拉强度/MPa520 min屈服极限/MPa205 min伸长率/%40 min硬度/HV200 max弹性模量/GPa
6、201收稿日期： 2021-05-13。作者简介： 张成浩 （1971-） ， 男 （汉族） ， 河北石家庄人， 高级工程师， 主要从事材料成型工艺与模具技术工作。69模具工业 2021年第47卷第11期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
7、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：=H - hH100%式中：
8、H冷镦前高度， 1.5 mm； h冷镦后高度， 0.9 mm； 镦压量， 经计算=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。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
9、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。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 0.9mm， 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。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
10、峰值， 基于此制定第二个成形方案。（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2SUS304-I镦压变形量与硬度曲线关系（a） 坯料模型（b） 有限元边界条件图3正向镦压模型70模具工业 2021年第47卷第11期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
11、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。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
12、为1.90 mm， 精修量保留0.150.3 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。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。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、（a） 等效应力分布（b） 等效应变分布（c） 负荷预测图4镦压有限元分析图5镦压
13、力分布（a） V形镦压模型（b） 平镦模型（c） 有限元边界条件图6优化后的有限元模型及边界条件71模具工业 2021年第47卷第11期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（
14、a） 等效应力分布（c） V形冲头预测载荷（b） 等效应变分布（d） 平冲头预测载荷图7优化后的镦压有限元分析表2SUS304-I精修参数mm项目数据尺寸0.9修边量0.150.3冲裁间隙0.01（a） 预冲孔（b） 精镦（c） 精修图8精修冲孔及工序72模具工业 2021年第47卷第11期求高外， 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1
15、1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1.75mm， 冲裁间隙为 0.01 mm， 然后裁切零件外形并保有 0.150.3 mm 余量， 最后落料， 冲裁间隙为 0.01mm。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
16、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。参考文献：1 蒋鹏,贺小毛,杨勇,等.国内精密塑性成形技术的发展及其在工业生产中的应用J.模具工业,2020,46(12):11-16.2 吴顺达 .我国锻造行业模具与润滑现状及其发展方向J.模具工业,2011,37(5):5-11.3 王帅,薛河,崔英浩,等.冷加工塑性硬化对304不锈钢力学参数的影响J. 西安科技大学学报,2019,39(4):681-687.4 卢曰杨,王雷刚,黄瑶.奥氏体不锈钢管坯镦挤法兰工艺J.锻压技术,2008(3):4-7.5 洪慎章.不锈钢壳体闭式挤锻工艺J.热加工工艺,1996(4):30-31.6 万俊,王祖华,郭银芳,等.钢棘爪精冲模设计及优化J.模具工业,2016,42(10):32-35.7 张成浩.3FA继电器用AgSnO_2复合触点铆接失效分析及对策研究J.电器与能效管理技术,2018(24):47-52,90.8 李合琴,石松礼,冯旭强.冷作模具材料及其热处理J.模具工业,2020,46(12):22-28.（a） 修边（b） 落料图9精修落料图10断面质量验证图11排样设计73
