不锈钢制品拉深工艺的控制方法及存在问题分析
2002-01-14 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
编者按：该篇文章摘自《五金科技》杂志，文章分析了我国不锈钢制品的拉深工艺及设备的现状，指出了现行拉深工艺和设备存在的问题。文章对比了大型覆盖件与不锈钢制品对于拉深工艺的不同要求，并就拉深成形的变压边力调控进行了阐述，最后提出了一种变压边力液压拉深机的控制方案，对不锈钢制品行业很有借鉴作用。
随着我国国民经济的不断发展，尤其是80年代以来经济的高速增长，不锈钢需求量日趋增大。近10年年均以15%以上的速度递增，增长速度是世界平均水平的2.3倍。中国大陆已成为国际上重要的不锈钢制品加工出口基地。其中主要的不锈钢制品就是各类日用器皿及宾馆、饭店的不锈钢厨房设备。液压拉深机是不锈钢制品压制、拉深的主要成形设备。由于长期以来，在金属板料成形的工艺及设备的研究中，往往只重视大型覆盖件（如汽车覆盖件）的研究，而忽视民用器皿类金属成形的研究，所以我国在此方面的工艺现状还是比较落后和传统的，拉深设备的水平也比较低下，生产效率及制品质量都有待提高。近年来，国内外对不锈钢制品的质量要求不断提高，企业在激烈的市场竞争中迫切需要提高生产效率和产品档次，本文针对这一需要，指出了传统拉深工艺及设备所存在的问题，并就变压边力拉深成形工艺在四柱液压机上的应用进行了探讨。
不锈钢制品拉深工艺的现状
利用拉深模将平板毛坯或开口空心毛坯冲压成容器状零件的冲压过程称为拉深。拉深是主要的冲压工艺之一，应用也是十分广泛，象日常生活中的各类器皿、五金制品、 家电的外壳内胆、汽车和摩托车的一些罩件、覆盖件等都是应用拉深工艺成形的，液压机是最主要的拉深设备，借助模具可生活各种不同形状的制品。
现行的拉深工艺一般均遵循现有冲压手册上的经验公式或图表。拉深工艺的制定过程一般按以下步骤进行：首先根据制品的形状来计算坯料的直径；然后计算该工件的总拉深系数，并确定该拉深件是否可以一次拉深完毕，还是需经多次拉深才能制成；在定下拉深次数，及每道工序的拉深系数之后，就可以确定出各工序的中间制品的形状，从而完成拉深工艺的制定。在制定拉深工艺时，工艺人员最常使用各类冲压手册，并依据手册上提供的公式、图表进行计算。
如计算拉深系数一般用公式m总=dn/d0
m总=m1m2???mn其中dn为拉深件最终的直径，d0为坯料的直径，m1,m2,mn为各次拉深的系数。
各次拉深系数的选取也是按表选取的，如不锈钢 （0Cr18Ni9Ti）第一次拉深系数最低为0.52-0.55，以后各次拉深系数最低为0.78-0.81。
而计算各道工序的拉深高度，可依据不同形状选用不同计算公式。
随着拉深工艺的发展，采用一些新的拉深工艺和设备，例如采用压边力拉深，是有可能进一步降低拉深系数的。
不锈钢制品拉深设备的现状
目前，不锈钢制品的拉深主要使用液压机。液压机按其结构可分为四柱式液压机、框架式液压机、单柱液压机（C型机）。一般在制品的拉深工艺中大多数企业还是使用四柱式液压机，四柱式液压机在控制水平上主要有三个层次：一是以继电器为主控制元件的传统型液压机；一是采用可编程控制器的液压机；最先进的是应用工业控制计算机的高性能液压机。就目前国内的控制水平来说仍以继电器控制和简单的PLC控制为主。
四柱式液压机的特点是工作空间宽敞，装拆模具方便，整体结构简单。缺点是刚性和承受偏载能力较差，立柱既是主要受力部件，又是滑块导向部件，立柱磨损后不能补偿，精度会降低。所以，目前国外基本不生产四柱式液压机，而倾向于采用机身为框架式带八面导轨导向的液压机，这种液压机整体刚性好，导轨磨损后可调整补偿恢复精度。大型覆盖件通常为非轴对称结构，曲面较复杂，拉深过程中在各个方向上产生的力是不同的，会出现偏载现象，所以通常使用刚性好的框架式导轨导向的液压机，而在制品拉深领域（不锈钢或铝制品），工件通常为轴对称结构如筒形件、盒形件等，只要模具安装得当，一般在拉深时产生的偏载是有限的，所以在制品拉深行业，各种各样的四柱式液压机仍然占据主导地位。但随着制品档次、质量的不断提高，在制品拉深领域发展框架式导轨导向液压机将是发展的趋势，而且随着控制技术的发展，在制品拉深液压机上应用计算机控制技术、电液比例控制技术、工艺数据库或专家控制系统将会是发展方向。
现行拉深设备及工艺控制方法存在的问题
在制品拉深中，有两个重要的控制参数，一个是压边力，一个是拉深速度，任何拉伸过程均是在一定的拉深速度下，以一定的压边力来进行拉深的。其中压边力是板料成形中最重要的工艺控制参数之一，也是板料成形中的重要控制手段。成形过程中起皱、拉裂等主要缺陷均可通过压边力的调整来消除和减少。对于拉深工艺来说，压边力必须适当，如果压边力太大，则会使工件的底部或凸缘部分开裂；压边力太小，则工件易起皱和扭曲。所以通常的办法是，在试拉深时，总是不断地调整压边力直至可拉出合格产品，而压边力又不太大为止。由于受设备的限制，在目前所采用的拉深工艺中，拉深过程中的压边力是不随拉深行程而变化的，也就是说在整个拉深段压边力是恒定的。
随着对板料拉深工艺及金属塑性变形规律的深入研究，尤其是通过对大型汽车覆盖件拉深工艺的研究，现在我们已经认识到至少存在两个方面的问题。
（1）对于复杂形状的拉深件（如汽车覆盖件），其压边力是在各个方向应是不同的，在不同方向施加不同的压边力，有利于金属的流动和成形。这方面已有成功的例子，如80年代末，德国Schüler公司开发的变压边力装置，拉深时四角的压边力可以分别进行调控。
（2）随着拉深行程的不同，采用变压边力控制，可以提高制品质量，减小缺陷。根据对拉深过程中金属变形规律的研究表明，在成形过程中金属材料的流动在各个位置（行程）是不同的，这说明采用变压边力拉深更符合金属塑性变形的规律，现在人们已经在开展通过变压边力拉深方法来提高产品表面质量，甚至降低极限拉深系数等方面的研究。
以上两个方面代表两种不同的变压边力控制思路，第一个属于“水平方向”，第二个属于“纵深方向”。对于大型汽车覆盖件的拉深，更注重于“水平方向”的变压边力控制；而对于不锈钢制品的拉深，更应注重于“纵深方向”的变压边力控制。目前，国内在这两个方面均有人进行研究工作，前者以上海交通大学为主，后者有广东佛山康思达液压机械有限公司。
变压边力拉深液压机研制
在国外，自90年代以来，压边力调控技术发展比较快，国内相对比较落后。一方面工艺研究滞后，另一方面受制于拉伸设备的现状。国内的液压机大部分是恒速、恒压边力的，可变压边力的拉深机仍处于研制和试用阶段，没有在生产实践中普及开。根据这一需要，国内有关部门组成课题组正着手研制一种可变压边力的液压机，这种拉深机具有在拉深过程中拉深速度无级可调，压边力无级可调等一系列特定功能。
该机为三梁四柱型，主油缸安装在上梁，压边缸（液压垫）安装在下梁。工作时主油缸带动滑块先快速下行，接近模具则转为拉深速度并开始进入拉深过程，拉深过程中依据位移的不同，由工控机向比例溢流阀发出控制信号，压边缸的压力就按给定信号实时变化。拉深完毕后，快速回程，完成一个工作循环。此外，该机速度变化靠比例变量泵实现，实时控制信号也来自工控机。由于接入压力传感器和位移传感器的反馈信号，可以实现压力、速度的闭环控制。有了这种可实时变速、变压边力的液压拉深机平台，就可以对板料拉深的工艺进行较深入的研究，对于常用的拉深板料，找出压边力变化趋势曲线，从而实现降低极限拉深系数，实现高频率、高质量拉深的目的。
结束语
在不锈钢制品的拉深工艺中，压边力、拉深速度是两个主要参数，尤其是压边力参数就更为重要，它直接关系到制品质量的提高、拉深系数的降低等重要方面，研制可变压边力的拉深液压机仅迈开了研究工作的第一步，更重要的是通过深入的理论研究，更大量的实验研究，找出最优的变压边力控制曲线趋势。这项工作涉及到金属塑性加工，电液比例控制技术，计算机控制技术等跨学科领域，是一个较为复杂的问题，这无疑会给工作带来困难，但同时更多的是机会和挑战。
随着我国国民经济的不断发展，尤其是80年代以来经济的高速增长，不锈钢需求量日趋增大。近10年年均以15%以上的速度递增，增长速度是世界平均水平的2.3倍。中国大陆已成为国际上重要的不锈钢制品加工出口基地。其中主要的不锈钢制品就是各类日用器皿及宾馆、饭店的不锈钢厨房设备。液压拉深机是不锈钢制品压制、拉深的主要成形设备。由于长期以来，在金属板料成形的工艺及设备的研究中，往往只重视大型覆盖件（如汽车覆盖件）的研究，而忽视民用器皿类金属成形的研究，所以我国在此方面的工艺现状还是比较落后和传统的，拉深设备的水平也比较低下，生产效率及制品质量都有待提高。近年来，国内外对不锈钢制品的质量要求不断提高，企业在激烈的市场竞争中迫切需要提高生产效率和产品档次，本文针对这一需要，指出了传统拉深工艺及设备所存在的问题，并就变压边力拉深成形工艺在四柱液压机上的应用进行了探讨。
不锈钢制品拉深工艺的现状
利用拉深模将平板毛坯或开口空心毛坯冲压成容器状零件的冲压过程称为拉深。拉深是主要的冲压工艺之一，应用也是十分广泛，象日常生活中的各类器皿、五金制品、 家电的外壳内胆、汽车和摩托车的一些罩件、覆盖件等都是应用拉深工艺成形的，液压机是最主要的拉深设备，借助模具可生活各种不同形状的制品。
现行的拉深工艺一般均遵循现有冲压手册上的经验公式或图表。拉深工艺的制定过程一般按以下步骤进行：首先根据制品的形状来计算坯料的直径；然后计算该工件的总拉深系数，并确定该拉深件是否可以一次拉深完毕，还是需经多次拉深才能制成；在定下拉深次数，及每道工序的拉深系数之后，就可以确定出各工序的中间制品的形状，从而完成拉深工艺的制定。在制定拉深工艺时，工艺人员最常使用各类冲压手册，并依据手册上提供的公式、图表进行计算。
如计算拉深系数一般用公式m总=dn/d0
m总=m1m2???mn其中dn为拉深件最终的直径，d0为坯料的直径，m1,m2,mn为各次拉深的系数。
各次拉深系数的选取也是按表选取的，如不锈钢 （0Cr18Ni9Ti）第一次拉深系数最低为0.52-0.55，以后各次拉深系数最低为0.78-0.81。
而计算各道工序的拉深高度，可依据不同形状选用不同计算公式。
随着拉深工艺的发展，采用一些新的拉深工艺和设备，例如采用压边力拉深，是有可能进一步降低拉深系数的。
不锈钢制品拉深设备的现状
目前，不锈钢制品的拉深主要使用液压机。液压机按其结构可分为四柱式液压机、框架式液压机、单柱液压机（C型机）。一般在制品的拉深工艺中大多数企业还是使用四柱式液压机，四柱式液压机在控制水平上主要有三个层次：一是以继电器为主控制元件的传统型液压机；一是采用可编程控制器的液压机；最先进的是应用工业控制计算机的高性能液压机。就目前国内的控制水平来说仍以继电器控制和简单的PLC控制为主。
四柱式液压机的特点是工作空间宽敞，装拆模具方便，整体结构简单。缺点是刚性和承受偏载能力较差，立柱既是主要受力部件，又是滑块导向部件，立柱磨损后不能补偿，精度会降低。所以，目前国外基本不生产四柱式液压机，而倾向于采用机身为框架式带八面导轨导向的液压机，这种液压机整体刚性好，导轨磨损后可调整补偿恢复精度。大型覆盖件通常为非轴对称结构，曲面较复杂，拉深过程中在各个方向上产生的力是不同的，会出现偏载现象，所以通常使用刚性好的框架式导轨导向的液压机，而在制品拉深领域（不锈钢或铝制品），工件通常为轴对称结构如筒形件、盒形件等，只要模具安装得当，一般在拉深时产生的偏载是有限的，所以在制品拉深行业，各种各样的四柱式液压机仍然占据主导地位。但随着制品档次、质量的不断提高，在制品拉深领域发展框架式导轨导向液压机将是发展的趋势，而且随着控制技术的发展，在制品拉深液压机上应用计算机控制技术、电液比例控制技术、工艺数据库或专家控制系统将会是发展方向。
现行拉深设备及工艺控制方法存在的问题
在制品拉深中，有两个重要的控制参数，一个是压边力，一个是拉深速度，任何拉伸过程均是在一定的拉深速度下，以一定的压边力来进行拉深的。其中压边力是板料成形中最重要的工艺控制参数之一，也是板料成形中的重要控制手段。成形过程中起皱、拉裂等主要缺陷均可通过压边力的调整来消除和减少。对于拉深工艺来说，压边力必须适当，如果压边力太大，则会使工件的底部或凸缘部分开裂；压边力太小，则工件易起皱和扭曲。所以通常的办法是，在试拉深时，总是不断地调整压边力直至可拉出合格产品，而压边力又不太大为止。由于受设备的限制，在目前所采用的拉深工艺中，拉深过程中的压边力是不随拉深行程而变化的，也就是说在整个拉深段压边力是恒定的。
随着对板料拉深工艺及金属塑性变形规律的深入研究，尤其是通过对大型汽车覆盖件拉深工艺的研究，现在我们已经认识到至少存在两个方面的问题。
（1）对于复杂形状的拉深件（如汽车覆盖件），其压边力是在各个方向应是不同的，在不同方向施加不同的压边力，有利于金属的流动和成形。这方面已有成功的例子，如80年代末，德国Schüler公司开发的变压边力装置，拉深时四角的压边力可以分别进行调控。
（2）随着拉深行程的不同，采用变压边力控制，可以提高制品质量，减小缺陷。根据对拉深过程中金属变形规律的研究表明，在成形过程中金属材料的流动在各个位置（行程）是不同的，这说明采用变压边力拉深更符合金属塑性变形的规律，现在人们已经在开展通过变压边力拉深方法来提高产品表面质量，甚至降低极限拉深系数等方面的研究。
以上两个方面代表两种不同的变压边力控制思路，第一个属于“水平方向”，第二个属于“纵深方向”。对于大型汽车覆盖件的拉深，更注重于“水平方向”的变压边力控制；而对于不锈钢制品的拉深，更应注重于“纵深方向”的变压边力控制。目前，国内在这两个方面均有人进行研究工作，前者以上海交通大学为主，后者有广东佛山康思达液压机械有限公司。
变压边力拉深液压机研制
在国外，自90年代以来，压边力调控技术发展比较快，国内相对比较落后。一方面工艺研究滞后，另一方面受制于拉伸设备的现状。国内的液压机大部分是恒速、恒压边力的，可变压边力的拉深机仍处于研制和试用阶段，没有在生产实践中普及开。根据这一需要，国内有关部门组成课题组正着手研制一种可变压边力的液压机，这种拉深机具有在拉深过程中拉深速度无级可调，压边力无级可调等一系列特定功能。
该机为三梁四柱型，主油缸安装在上梁，压边缸（液压垫）安装在下梁。工作时主油缸带动滑块先快速下行，接近模具则转为拉深速度并开始进入拉深过程，拉深过程中依据位移的不同，由工控机向比例溢流阀发出控制信号，压边缸的压力就按给定信号实时变化。拉深完毕后，快速回程，完成一个工作循环。此外，该机速度变化靠比例变量泵实现，实时控制信号也来自工控机。由于接入压力传感器和位移传感器的反馈信号，可以实现压力、速度的闭环控制。有了这种可实时变速、变压边力的液压拉深机平台，就可以对板料拉深的工艺进行较深入的研究，对于常用的拉深板料，找出压边力变化趋势曲线，从而实现降低极限拉深系数，实现高频率、高质量拉深的目的。
结束语
在不锈钢制品的拉深工艺中，压边力、拉深速度是两个主要参数，尤其是压边力参数就更为重要，它直接关系到制品质量的提高、拉深系数的降低等重要方面，研制可变压边力的拉深液压机仅迈开了研究工作的第一步，更重要的是通过深入的理论研究，更大量的实验研究，找出最优的变压边力控制曲线趋势。这项工作涉及到金属塑性加工，电液比例控制技术，计算机控制技术等跨学科领域，是一个较为复杂的问题，这无疑会给工作带来困难，但同时更多的是机会和挑战。
