汶斌斌，張亞峰，王 昌，劉漢源，荊 磊，趙 曦

(西北有色金屬研究院 陜西省醫(yī)用金屬材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710016)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高，人們對(duì)醫(yī)療產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，起搏器的研究領(lǐng)域也在不斷拓寬。起搏器中的殼形件是要把主板和線路放置其中，密封性要好，耐腐蝕，相容性要好，就必須有個(gè)好的質(zhì)量外殼，殼形件就是這個(gè)系統(tǒng)的核心部件。心腦起搏器的殼形件是由內(nèi)、外兩個(gè)不同形狀沖壓曲面組成，而將金屬板材沖壓成各種筒形、方形、圓形、錐形及異形等殼形件產(chǎn)品，主要通過(guò)上下模具腔里的模芯形狀決定。

1 沖裁件的結(jié)構(gòu)工藝性分析

本設(shè)計(jì)沖裁件如圖1所示。它的技術(shù)要求及生產(chǎn)信息如下：材料-TA2；未注公差等級(jí)IT14；生產(chǎn)量為大批量。

TA2鈦板化學(xué)成分和TA2板材力學(xué)性能參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。根據(jù)TA2板材的冷沖壓成形特點(diǎn)，其模具的設(shè)計(jì)要達(dá)到如下要求。

1)要求沖切模具的刃口鋒利，硬度高(一般洛氏硬度≥64 HRC)，韌性好。對(duì)成形模具來(lái)說(shuō)，一般的彎曲件和壓形件不易產(chǎn)生起皺，其模具硬度可以等于或者小于鈦材的硬度，但耐磨性要好，否則將會(huì)降低模具的使用壽命；而對(duì)于復(fù)雜的成形件和拉深件，因?yàn)槿菀装l(fā)生起皺現(xiàn)象，其模具的硬度一定要比鈦板的硬度高。同時(shí)模具應(yīng)具有一定的韌性，以避免開(kāi)裂[1-2]。

2)要求成形模具的材料強(qiáng)度要比常用的金屬模具的材料強(qiáng)度高，冷成形用的機(jī)床的噸位應(yīng)適當(dāng)?shù)卦黾?。?duì)于TA1板材來(lái)說(shuō)，其延伸率比較高，可以使用冷成形的方式，但成形模具的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇應(yīng)合理。

圖1 起搏器殼形件示意圖

3)TA1板材的彈性模量小，沖壓成形后回彈量大，在設(shè)計(jì)冷沖壓成形模具時(shí)，應(yīng)考慮回彈的影響。

4)TA1板材的耐蝕性雖好，但它與某些金屬(如鉛、鋁等)接觸后，可能會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕作用，因而模具在選材時(shí)應(yīng)盡量避免這類材料[3-4]。

5)要求模具的機(jī)械加工性能良好。模具要經(jīng)過(guò)各種切削加工工藝才能獲得所需型面及尺寸，因此，模具的加工性甚為重要[5]。

表1 TA2鈦板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

表2 TA2板材力學(xué)性能參數(shù)

心臟起搏器殼形件外形呈不規(guī)則曲面連接過(guò)渡，材料厚度為0.35 mm。該產(chǎn)品成形后要與另一半零件焊接組成部件，焊接組件有嚴(yán)格的幾何公差要求，對(duì)于長(zhǎng)度52 mm和寬度26 mm的平面平行度應(yīng)控制在0.02 mm之內(nèi)。

2 產(chǎn)品成形工藝分析

該產(chǎn)品為0.35 mm厚的鈦合金板材，采用沖壓成形工藝步驟如下：1)落料成形復(fù)合，通過(guò)落料模具將0.35 mm厚的板材落料成一塊不規(guī)則件，再通過(guò)拉伸模具將不規(guī)則料拉伸成半圓形狀的半成品件；2)翻邊成形通過(guò)切邊模具將半成品上部邊緣頂部翻邊切除；3)沖孔成形將最終產(chǎn)品通過(guò)沖孔模具在殼體一側(cè)沖出半圓孔。

鈦板材的沖壓成形性能與其力學(xué)性能、變形條件以及內(nèi)部組織有關(guān)。鈦板材主要成形性能有如下幾點(diǎn)。

1)鈦的彈性模量較小，約為鋼的一半左右，成形后回彈量比較大。

2)鈦的屈強(qiáng)比大，室溫下其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度非常接近，因而其可塑性加工成形的范圍十分有限，變形量稍大就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。

3)鈦板的強(qiáng)度較高，加之厚向異性指數(shù)較大，因此，要求成形設(shè)備的噸位要大。

4)鈦板的加工硬化現(xiàn)象較嚴(yán)重，每道次工序間應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火以消除應(yīng)力。有文獻(xiàn)顯示，鈦板的冷變形度為50%時(shí)，其強(qiáng)度可提高54%；冷變形度為70%時(shí)，其強(qiáng)度可提高82.5%，其相對(duì)延伸率會(huì)降低77%～80%。在再結(jié)晶溫度(600～700 ℃)以上進(jìn)行再結(jié)晶退火，可使力學(xué)性能恢復(fù)到退火前的狀態(tài)[6-7]。

5)鈦的抗磨損能力較低，易損傷模具和零件。

6)由于鈦的硬度和強(qiáng)度高，用于鈦板冷沖壓成形的模具材料應(yīng)具有較高的硬度和強(qiáng)度。

7)鈦板的彎曲性能很差，凡是涉及彎曲變形的成形工序，板材的彎曲半徑都應(yīng)加大。

8)鈦板受壓時(shí)穩(wěn)定性較低，約為普通材料的50%，容易發(fā)生失穩(wěn)進(jìn)而導(dǎo)致起皺。

9)鈦板對(duì)于缺口、缺陷、劃傷、表面缺陷及變形速率敏感性較大，容易產(chǎn)生裂紋和擦傷，給沖壓成形帶來(lái)不利的影響[8-9]。

上述成形特性決定了鈦板的冷沖壓成形非常困難。對(duì)于成形不復(fù)雜且形狀較為簡(jiǎn)單的零件，可選擇冷成形。但對(duì)于形狀復(fù)雜和精度要求較高的零件，就需要進(jìn)行熱成形與熱校形。熱成形能夠提高鈦合金的塑性成形能力，降低成形力，減小回彈量；熱校形能夠提高沖壓零件的精度。目前，國(guó)外約有90%的鈦制沖壓件都采用了熱成形的方法[10-11]，鈦合金板材熱成形的技術(shù)主要包括超塑成形/擴(kuò)散連接技術(shù)(SPF/DB)、溫/熱蠕變成形技術(shù)以及溫/熱介質(zhì)成形技術(shù)等[12-13]。本文主要研究純鈦板材的室溫(冷)沖壓成形。

3 產(chǎn)品成形技術(shù)難點(diǎn)的解決方案

3.1 模具材料的選擇

由于凸模和凹模是在有很強(qiáng)的沖擊條件下連續(xù)配合工作的，所以要求凸、凹模材料有良好的耐磨性和抗沖擊性。制造沖壓用凸模(沖模)的材料主要有碳鋼、鑄鋼、合金鋼、硬質(zhì)合金、低熔點(diǎn)合金、鑄鐵和聚氨酯橡膠等。模具材料的選用應(yīng)根據(jù)被沖壓材料的性能、工序種類、沖壓件批量的大小以及成形溫度等因素決定。目前，國(guó)外的鈦及鈦合金沖壓模具材料多選用高鉻、高鎳的鑄造合金和鍛造合金材料，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，應(yīng)采用含鉬、鎢、錳的合金材料[14]。國(guó)外也有采用陶瓷作為模具材料，但陶瓷的使用壽命短，抗彎和抗拉強(qiáng)度低，脆性大，表面光潔度較差，使用范圍有一定的局限性。

本產(chǎn)品所使用的凸、凹模材質(zhì)均為Cr12MoV。此材料具有良好的耐磨性和韌性，但由于磨損也會(huì)發(fā)生失效，因此應(yīng)對(duì)磨具表面進(jìn)行技術(shù)處理來(lái)提高其硬度和耐磨性能[15]。具體方法是應(yīng)用PVD(物理氣相沉積)技術(shù)對(duì)凹凸模表面進(jìn)行改性處理，涂層材料為TiN，該涂層具有硬度高、摩擦因數(shù)小、導(dǎo)熱性好、與鋼材的熱膨脹系數(shù)差異小以及耐粘著磨損等優(yōu)點(diǎn)，處理后的硬度為2 400 HV以上，有效提高了模具壽命[16-17]。

3.2 壓邊圈力的控制

在沖壓成形過(guò)程中，所涉及到的摩擦主要有3個(gè)方面：凸模與板料之間的摩擦(摩擦因數(shù)為μ1)，凹模、壓邊圈與板料之間的摩擦(摩擦因數(shù)為μ2)[18]。根據(jù)試驗(yàn)研究，當(dāng)平均應(yīng)變速率為1×10-4s-1時(shí)，研究了凸模與板料之間的摩擦對(duì)殼形件沖壓成形的影響(見(jiàn)圖2)。從圖2可以看出，隨著摩擦因數(shù)μ1的增大，殼形件所受的最大主應(yīng)力呈現(xiàn)出“增→減→增→減”的趨勢(shì)，當(dāng)μ1為0.4時(shí)取得最大值，當(dāng)μ1為0.8時(shí)取得最小值。此外，當(dāng)μ1為0.2～0.4時(shí)，最大主應(yīng)力呈現(xiàn)出線性增加的趨勢(shì)。最大主應(yīng)力越小，越不易使板材發(fā)生拉裂現(xiàn)象，對(duì)板料的沖壓成形越為有利；但μ1的值也不能過(guò)大，過(guò)大即意味著凸模表面非常粗糙，在成形過(guò)程中會(huì)對(duì)板料表面造成劃傷。故在實(shí)際加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)加工要求綜合考慮，本試驗(yàn)的μ1值選定在0.5～0.6較為合適。

圖2 μ1對(duì)最大主應(yīng)力的影響

圖3所示為不同壓邊圈、凹模和板料之間的摩擦系數(shù)μ2對(duì)板料在沖壓過(guò)程中所受最大主應(yīng)力的影響的趨勢(shì)圖。最大主應(yīng)力隨著μ2的增加總體呈現(xiàn)出“先增后減”的趨勢(shì)，當(dāng)μ2為0.12時(shí)取得最大值。雖然在0.12～0.16區(qū)間內(nèi)，曲線呈現(xiàn)出遞減態(tài)勢(shì)，但通過(guò)有限元模擬，當(dāng)μ2取值為0.18或者更大時(shí)，計(jì)算會(huì)出現(xiàn)不收斂的情況。故結(jié)合實(shí)際加工情況，筆者認(rèn)為，本試驗(yàn)中μ2取值為0.1比較合適，這樣可以大大改善壓邊圈、凹模和板料之間的摩擦狀況，有利于提高板料的沖壓成形性。

圖3 μ2對(duì)最大主應(yīng)力的影響

3.3 凸凹模間隙的控制

凸、凹模間隙對(duì)于板料沖壓成形具有很大的影響：若間隙過(guò)大，則板料的側(cè)壁極易變形為彎曲形狀，或形成底小口大的錐形[19]；若間隙過(guò)小，則容易使板料的側(cè)壁變薄，甚至可能出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象。此外，間隙過(guò)小，會(huì)使得模具表面與板料之間的接觸壓力增大，增加模具磨損。因此，確定合適的凸、凹模間隙對(duì)板料的沖壓成形具有重要的意義[20]。本文研究試驗(yàn)了不同單邊間隙值對(duì)沖壓件所受最大主應(yīng)力的影響(見(jiàn)圖4)。從圖4中可以看出，最大主應(yīng)力隨凸、凹模單邊間隙的增加而減小，在0.4 mm處取得最小值。凸、凹模間隙越小，板料在沖壓成形過(guò)程中所受的最大主應(yīng)力越大，說(shuō)明材料在變形過(guò)程中確實(shí)與模具的接觸壓力增大，導(dǎo)致了材料的流動(dòng)困難。因此，經(jīng)過(guò)有限元模擬與分析，筆者認(rèn)為凸、凹模單邊間隙值為0.4 mm比較合適。

圖4 凸、凹模間隙對(duì)最大主應(yīng)力的影響

4 成形模具的設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)根據(jù)數(shù)值模擬的優(yōu)化結(jié)果和實(shí)際的設(shè)備條件，設(shè)計(jì)了TA1板材冷沖壓及成形模具。本試驗(yàn)中主要加工制造了3套模具：落料成形復(fù)合模、去翻邊模和沖孔模。

4.1 落料成形復(fù)合模設(shè)計(jì)

落料成形復(fù)合模的三維圖、實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖5和圖6所示。

a) 三維圖

b) 實(shí)物圖

圖6 落料成形復(fù)合模結(jié)構(gòu)示意圖

模具工作過(guò)程：將薄材按位置放好在下模具上表面上，上模具在凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下下模具運(yùn)動(dòng)，首先是上模大凹板、上模凹模、上模頂板同時(shí)接觸到板材，下模具中下模凸模、下模凹模、下模頂板也同時(shí)接觸到薄板材，但上模大凹板是硬連接，與其對(duì)應(yīng)的下模頂板是軟連接，在上模大凹板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，下模頂板會(huì)隨著上模大凹板也往下運(yùn)動(dòng)，形成剪切運(yùn)動(dòng)，薄板材首先被按模具形狀下料。

在薄板料下料完成后，上模具繼續(xù)向下移動(dòng)，上模頂板和下模凹模相對(duì)應(yīng)，當(dāng)上模頂板向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)頂上下模凹模而向上回彈，上模頂板不會(huì)和上模凹模同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)上模凹模和下模凸模相對(duì)應(yīng)，當(dāng)上模凹模繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)頂上下模凸模，兩者同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橄履Ｍ鼓Ｏ旅媸窍履ｍ敯鍍?nèi)彈簧支撐，受力時(shí)會(huì)壓縮，形成腔體與上模凹模完成沖壓動(dòng)作。此時(shí)上模凹模和下模頂板會(huì)形成沖形動(dòng)作，兩者配合間隙非常重要，是決定產(chǎn)品成形與否的關(guān)鍵，達(dá)到行程后，上模具被提起，準(zhǔn)備下一周期循環(huán)沖形。

4.2 去翻邊模具設(shè)計(jì)

去翻邊模的三維圖、實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖7和圖8所示。

a) 三維圖

b) 實(shí)物圖

圖8 沖孔模具結(jié)構(gòu)示意圖

模具工作過(guò)程：將落料成形后的產(chǎn)品安裝在下支撐板上，再將上蓋板安裝到殼形件內(nèi)側(cè)，安裝在車床上，尾座頂住上蓋板，三爪夾住外圓板，再將多余的翻邊車掉。

4.3 沖孔模具設(shè)計(jì)

沖孔模具的三維圖、實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖9和圖10所示。

a) 三維圖

b) 實(shí)物圖

圖10 沖孔模具結(jié)構(gòu)示意圖

模具工作過(guò)程：將車削掉余邊的件安裝在沖孔模具上，拉動(dòng)兩邊工件定位銷，將工件安裝在凹模上，在定位彈簧的作用下壓緊工件，沖頭頂板向下運(yùn)動(dòng)，安裝在頂板上的沖頭跟著向下運(yùn)動(dòng)，調(diào)整好行程，沖頭完成沖孔動(dòng)作。

5 沖壓設(shè)備的選擇和安裝

本試驗(yàn)所使用的沖壓設(shè)備為XLB-D(Q) 400×400×2/0.50MN型小型平板硫化機(jī)(見(jiàn)圖11)。其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。該機(jī)采用立柱式和框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，操作靈活，空間寬敞，外型美觀。液壓站和電控箱分別放于主機(jī)兩側(cè)，操作方便。

a) 小型平板硫化機(jī)

b) 沖剪成形

表3 平板硫化機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

5.1 沖壓成形及前處理

鈦板的表面清理，主要是指成形前對(duì)鈦板的表面進(jìn)行除油(包括油漆)。除油的原理是通過(guò)皂化或者乳化反應(yīng)，除去粘附于板料或者零件表面的油脂、油污和油漬等。除油處理能夠保證坯料或零件的潔凈，以免在成形過(guò)程中造成污染。當(dāng)產(chǎn)量不大時(shí)，往往采用汽油、丙酮、無(wú)水酒精等溶劑對(duì)鈦板的表面進(jìn)行擦拭，來(lái)達(dá)到除油目的。但這種方法效果不佳，除油不徹底，往往會(huì)在鈦板的表面殘留油跡，影響潤(rùn)滑劑的涂敷。國(guó)外常采用三氯乙烯蒸汽進(jìn)行除油，效果很好，也有采用異丙酮或者甲基-乙丙酮進(jìn)行除油的[21]。

本試驗(yàn)采用金屬洗滌劑對(duì)板料進(jìn)行除油。洗滌劑分子式的一端具有親水基，另一端則為疏水基。親水基的存在使其易溶于水，將油脂包圍在水分子中，阻止彼此的結(jié)合，油污則被分解為細(xì)小的油珠，油珠上浮而形成乳濁液，再用流動(dòng)清水沖洗即可。

為了檢測(cè)鈦板表面是否清洗干凈，將鈦板置于干凈的冷水中，再?gòu)乃腥〕?，如果潔凈，鈦板表面的水膜?yīng)該連接成片；如果表面油污未除盡，鈦板表面的水膜將不連續(xù)[22]。

5.2 潤(rùn)滑劑和保護(hù)涂料的選用

鈦板冷沖壓成形過(guò)程和其他材料的壓力加工過(guò)程類似，應(yīng)在坯料的表面(必要時(shí)，在模具的某些部位上)涂敷涂料和潤(rùn)滑劑，以減少鈦板和模具之間的摩擦，減少劃傷，降低成形所需壓力[23]，提高產(chǎn)量，延長(zhǎng)模具壽命。

鈦板冷沖壓成形時(shí)，一般可以使用常規(guī)沖壓成形用潤(rùn)滑劑，如硝基清漆、丙烯酸清漆等。通過(guò)噴、涂、刷、浸等方式將清漆涂敷在坯料表面，涂層不宜過(guò)厚，待涂層干透后，常常在涂層之上再涂一層潤(rùn)滑油(機(jī)油)，然后成形。在沖壓成形完成后，熱處理或者熱成形之前，應(yīng)將涂層除去，以防止對(duì)工件造成污染[24]。

本試驗(yàn)所用的潤(rùn)滑劑為氯化石蠟(摩擦因數(shù)為0.1)，在試驗(yàn)過(guò)程中，將其噴涂在凹模上，而凸模不需要潤(rùn)滑，沖壓成形的產(chǎn)品如圖12所示。

a) 純鈦板材落料成形后形狀

b) 純鈦殼形件去翻邊后形狀

c) 純鈦殼形件沖孔后形狀

d) 一對(duì)純鈦殼形件實(shí)物圖

通過(guò)使用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工成形后的殼形件的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與之前Pro/E軟件所建模型進(jìn)行比較，其整體成形誤差范圍在0.05 mm以內(nèi)。說(shuō)明數(shù)值模擬對(duì)沖壓成形具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，數(shù)值模擬的精度也比較高，模擬結(jié)果較為可靠[25]。

6 結(jié)語(yǔ)

分析材料的特點(diǎn)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸要求，通過(guò)落料、沖深、切邊、沖孔4道工序模具成形，將板材加工成產(chǎn)品。此4道工序系列模具經(jīng)過(guò)嚴(yán)密設(shè)計(jì)、精心加工、細(xì)心裝配，試模調(diào)模、間隙修正、壓力調(diào)整，使模具尺寸和裝配調(diào)整到最佳狀態(tài)。經(jīng)客戶嚴(yán)格檢測(cè)，產(chǎn)品尺寸精度、幾何公差及外觀要求均達(dá)到圖樣要求。