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摩托車液壓刹車盤成形工藝

2013-1-9 來源：作者：重慶大學　何大鈞　李楨華

摩托（tuō）車（chē）刹車盤( 圖1) 是典型的厚板衝裁及成形零件, 材料為2Cr13馬氏體耐熱不鏽鋼。在（zài）衝孔過程中, 加工硬化現象嚴重, 致使加工工藝（yì）較為特殊。

該（gāi）零件擬定加工工序為落料衝中心孔（kǒng）→衝16個交（jiāo）錯孔（kǒng）( 一次衝對稱的大小孔各二個, 共衝四次而成) →中間再結晶退火→成形（xíng）。下麵論述成形過程中出現的問題及解決方法。

1　衝裁斷麵分析及衝孔時的加工硬化現（xiàn）象

衝裁過程的實質是裂紋形成並（bìng）擴展（zhǎn）, 最後發生斷裂。在衝裁結束後, 工件（jiàn）的斷麵上留下了（le）大量的微裂紋, 並分布於光亮帶、斷（duàn）裂帶和毛（máo）刺（cì）區, 其中（zhōng）, 以斷（duàn）裂帶和毛（máo）刺區最為嚴重。衝孔斷麵上裂（liè）紋的存在, 給後序成形帶來了一定的（de）影（yǐng）響。但隻要合理設計工（gōng）藝方案, 盡可能（néng）避免產生裂紋, 就能獲（huò）得合格的零件。

加工硬化是在塑性變形過程中, 隨著金屬內部組織的變（biàn）化, 其力學性能也將產生明顯的變化, 而隨著變形程度的增加而使強（qiáng）度和（hé）硬度增加, 塑性和韌性降低。對於不（bú）鏽鋼（gāng）而（ér）言, 比（bǐ）一般碳（tàn）素鋼的加工硬（yìng）化嚴（yán）重, 而2Cr13馬氏體不鏽鋼（gāng）又比其他（tā）牌號不（bú）鏽鋼嚴重。這是由於鋼中含碳量的不（bú）同, 以及鉻鎳等合金含量之不同引起組織不同, 進（jìn）而引起性能的差異。其中, 鉻（gè）對加工硬化速率的影響隨含（hán）鉻量的（de）增加而略有增加（jiā）, 這是鉻引起（qǐ）輕度的固溶效應的結果。鎳對不（bú）鏽（xiù）鋼的性能也有影響（xiǎng）, 加工硬化隨含鎳量的減少而增加。

2　工件成形失穩的形式（shì）

生產實踐表（biǎo）明, 當衝孔後的工件不進行中間再（zài）結晶退火, 而直接成形時, 成（chéng）形後（hòu）的工件（jiàn）筋條頸縮拉裂。若將16個交錯排列的孔采用銑刀銑出後, 同樣不進行（háng）中間再結晶退火而直接（jiē）成形（xíng）獲得成功（gōng）。按該零件所（suǒ）製定的工序進行衝裁、再結晶退（tuì）火、成形加工也能獲得成功, 且效（xiào）果較好。在試製中, 我們（men）曾在衝出（chū）16個交錯孔後, 在爐內加熱到700℃餘（yú）度, 進行（háng）成形也獲得（dé）成功。分析以（yǐ）上結果（guǒ）, 可以得出（chū）工件成形（xíng）失穩與以下因素有關（guān）: ¹ 衝孔後工件孔斷麵所產生的微裂紋（wén）; º 衝（chōng）孔時材料產生的加工（gōng）硬化。

3　裂紋（wén）影響成形的機理及預防措施

從大量的斷裂事故（gù）調查表明（míng）, 大多數斷裂是由於材料中存在微小（xiǎo）裂紋和缺陷引起的。為了說（shuō）明裂紋的影響（xiǎng）, 可作如下實驗。將屈服強度R0. 2 =1400MPa 的材料試（shì）件中加（jiā）工出不同深度的半橢圓形表麵裂紋, 裂（liè）紋平麵垂直於拉伸應力, 其裂紋深度a 與實際（jì）斷裂強度Rc 的關係如圖2所示。

由圖2可看出（chū）: 隨著表（biǎo）麵裂紋（wén）深度a 增大斷裂強度逐漸減小, 當裂紋深度達到ac 時, Rc = R0. 2, 若a< ac , 則Rc > R0. 2, 此時為宏觀（guān）塑性斷裂, 當a> ac時, Rc< R0. 2, 斷裂前（qián）試件不產生塑性變形, 而（ér）發生脆性斷裂。裂紋引起應力集中, 產生複雜的應力狀態。根據斷裂（liè）力學( 圖（tú）3) : 裂紋深度較小（xiǎo）, 且靠近試件表麵時,裂紋（wén）前（qián）端區域僅在試件寬長方向受Rx 、Ry 作用, 而在板厚方（fāng）向的應力Rz = 0, 屬平麵應力狀態。若板較厚, 三向拉應力狀態達到某種（zhǒng）極限狀態時( Rz= 0) ,應力最大, 為平麵應變狀態, 在外力作用下, 裂紋前端（duān）的應力很快超過材料（liào）的屈服點, 形成塑性變形區,並在該區的異相質點處形成微孔, 導致開裂與裂紋擴展。對於高強度材料, 屈服強度高, 塑（sù）性差, 塑性（xìng）變形區很小, 裂紋易擴展並最終斷裂。

而（ér）改變了構（gòu）件的斷裂行為（wéi）。同理（lǐ）, 受載方式的不同,造成的應力狀（zhuàng）態的改變, 也能改變材料的斷裂行為。如在拉伸彎曲時（shí）, 脆性大的材料（liào）在受（shòu）三向壓應力時,可表現出（chū）良好的（de）塑性, 基於此, 工件的成形模（mó）具結構應盡（jìn）可能使變形區處於三向壓應力狀態, 見（jiàn）圖4。

此外, 在成形時可將毛坯上留有（yǒu）毛刺的一側對向凸（tū）模放置, 因為在成形變形時, 靠近（jìn）凹模一側的（de）材料變形大於靠近凸模（mó）一側的, 這種情況和彎曲變形時中性層的外層變（biàn）形情況類似, 因此（cǐ）這樣放置（zhì）有利於減小毛刺對開裂的影響。

4　加工硬化的（de）實質及提高塑性的措施

加工硬化程度與位錯的交互作用有關。隨著塑性（xìng）變形的進行, 位（wèi）錯（cuò）密度增加, 位錯在運動時的相（xiàng）互交割加劇, 其結果產生固定割（gē）結、位錯纏結等, 使位錯運動的阻力增大而引起（qǐ）變（biàn）形抗力增加, 塑性變形困難。

加工（gōng）硬化所帶（dài）來的一（yī）係列組織、結構與性能的變化, 可通過退火得（dé）到不同程度的（de）回複。根（gēn）據退（tuì）火溫度的高低, 大致可分為回複、再結晶、二次再結晶三個階段。三個階段之間有些交迭, 無十分明顯的界限, 退火過程的性能變化如圖5所示。

冷變形後, 晶（jīng）體中的同號刃形位錯在滑移麵上塞積而導（dǎo）致晶格彎（wān）曲( 圖6a) , 在退火過程中通過位錯的滑移和攀移( 圖7) , 使（shǐ）同號刃形（xíng）位錯沿垂直於滑

移麵的方向排列成（chéng）小角度的亞晶界, 這一過程稱為多邊形化( 圖6b) 。這就好象原來呈連續彎曲的晶體經退火後被（bèi）位錯分隔成幾個亞晶粒一樣, 亞（yà）晶粒內的彈（dàn）性畸變大為減小。

在回（huí）複階段（duàn）所形成的亞晶粒, 有些會逐漸長大成為再結晶的晶核, 再結晶階段形成了無畸變、位錯密度（dù）小（xiǎo）的新晶粒的形核與核長大的過程。再結晶發生後, 加工硬化（huà）帶來的性能變（biàn）化全部複（fù）原。回火溫度對2Cr13不鏽鋼的力學性能的影（yǐng）響（xiǎng）如圖8所（suǒ）示, 退火溫度對力學性能的影響也與之相似（sì）。

此外（wài）, 成（chéng）形速度（dù）對零件的破裂也有（yǒu）影（yǐng）響。在實際生產中（zhōng）, 以選用液壓機成（chéng）形為宜, 因（yīn）為（wéi）液（yè）壓機可以（yǐ）精確地控製速度和壓力。奧（ào）氏體鋼通常采用較低的速（sù）度( 大約6m/ min以下) 成形, 馬氏體鋼所用速度和奧氏體鋼相近。使用液壓機（jī）的另一優點是液壓機能保壓, 使零件能較好地整形。

5　再結晶退火工藝

由前麵分析得知, 工件衝（chōng）孔斷麵上的（de）裂紋是無法避免的, 但隻需通過退火（huǒ）軟化消除加（jiā）工硬化, 消除衝孔帶（dài）來的影響, 可確（què）保後續合理成形。

再結晶退火是把冷變形後的（de）金屬加熱到再結晶溫度以上, 保溫適當的時間, 使變形晶粒重新轉變為（wéi）均勻等（děng）軸晶粒而消除加工硬化的熱處理工藝。再結晶退火的溫度主（zhǔ）要取決於冷變形程度, 通常是加熱到該鋼種的再結晶溫（wēn）度以上100～250℃, 如（rú）果溫度過高, 再結晶後的晶粒粗大, 這對板材的衝壓性能是不利的; 如果再結晶溫度過低, 則冷作硬化（huà）難於消除, 也將使（shǐ）衝（chōng）壓（yā）性能惡化。