冲压工艺与模具设计 第5章 其他冲压成形方法

第5章其他冲压成形方法从表1.2可见，除弯曲和拉深外，成形工序中还有很多方法，其中比较常用的有胀形、翻边、扩口、缩口等。这些工序的基本特征为局部变形，因此，也常统称为(狭义)成形工序。成形工序一般安排在冲裁、弯曲、拉深之后。5.1胀形板料/空心工序件/空心半成品在双向拉应力作用下，产生扩张(鼓凸)变形，获得表面积增大(厚度变薄)的制件的冲压成形方法称为胀形。常见的胀形件有板料的压花(筋)件、肚形搪瓷制品、自行车管接头、波纹管等，以及汽车车身的某些覆盖件。胀形的种类可从坯料形状、坯料所处状态、所用模具、所用能源、成形方式等角度作出区分，其中最基本的是按变形区所占比例划分为局部胀形和整体胀形，最常用的是平板坯料局部胀形和空心坯料胀形。5.1.1胀形变形特点图5.1所示为圆形板料局部胀形，坯料的外环部分在足够大的压力下不发生流动，仅在直径为d的区域内坯料产生变形，变形的结果是板料变薄、表面积增大。从第4章中拉深系数的概念还可得知，当坯料的外径与成形圆筒直径的比值D/d＞3时，外环形部分的材料产生切向收缩所需的径向拉应力很大，成为相对于中心部分的强区，以至于环形部分材料不可能向凹模内流动。显然，胀形变形区内材料承受大小不等的双向拉应力，并产生伸长类变形。正是由于这种应力状态，变形区不会产生起皱现象，成形后制件的表面光滑、规整。同时，由于变形区材料截面上拉应力沿厚度方向分布比较均匀，所以卸件后的弹复很小，容易得到精度较高的制件。因此，可以用胀形的方法来整形，提高冲压件的精度和表面质量。图5.1胀形变形区冲压工艺与模具设计1745.1.2平板坯料局部胀形平板坯料局部胀形又叫起伏成形，它是依靠平板材料的局部拉伸，使坯料或制件局部表面积增大，形成局部的下凹或凸起。生产中常见的有压花、压包、压字、压筋等(如图5.2所示)。经过起伏成形后的制件，由于形状改变引起惯性矩发生变化，再加上材料的冷作硬化作用，所以能够有效地提高制件的刚度和强度。在起伏成形中，由于摩擦力的关系，变形区材料的变薄、伸长并不均匀。在某个位置上最为严重，该部位的伸长应变最先达到最大值。若进一步增大变形程度，即会发生迸裂。图5.2起伏成形起伏成形的极限变形程度由许可的拉伸变薄量决定，主要受材料性能、制件几何形状、模具结构、胀形方法及润滑条件等因素影响，很难用某种计算方法来准确表示。特别是复杂形状的制件，成形部分各处的应力应变分布比较复杂，计算的结论误差比较大。所以，其危险部位和极限变形程度一般通过试验方法确定。但对于比较简单的筋条类起伏成形件(如图5.3所示)，则可按下式近似地确定其极限变形程度n=(l－l0)/l0＜(0.70～0.75)式中：n——极限变形程度；l0——起伏成形前材料的长度；l——起伏成形后制件轮廓的长度；图5.3起伏成形前后材料的长度第5章其他冲压成形方法175——材料单向拉伸的伸长率。系数(0.70~0.75)视局部胀形的形状而定，球形筋取大值，梯形筋取小值。如果制件要求的局部胀形量超过极限变形程度，可以采用分步方法解决(如图5.4所示)。第1道工序胀成大直径的球形(或锥形)，以求在较大范围内聚料和尽可能地均匀变形。第2道工序再得到所要求的尺寸。第1道成形的表面积应略小于最后成形的表面积，以便通过第2次成形使表面积再略微增大，起到整形作用，避免制件起皱。压筋、压凸的形式和尺寸可参考表5.1。当起伏成形的筋(或包)与制件外边缘的距离小于3倍板料厚度时，成形过程中边缘材料会向内收缩(如图5.5所示)。对于要求较高的制件应预先留出切边余量，成形后修切整齐。也可以增大压边力，阻止材料向内滑动，保持边缘规整。图5.4深度较大的局部胀形法图5.5起伏成形距边缘的最小尺寸表5.1压筋压凸的形式和尺寸名称图例RhD或Bra(°)压筋(3~4)t(2~3)t(7~10)t(1~2)t—压凸—(1.5~2)t≥3h(0.5~1.5)t15~30图例D/mmL/mmt/mm6.51068.5137.510.5159131811152213182616243420314426365130436035486840557845在曲柄压力机上对薄板(t1.5mm)、小制件(面积A2000mm2)进行局部胀形时(加强筋除外)其冲压力可按下式近似计算：P=AKt2式中：P——冲压力(N)；A——胀形面积(mm2)；t——板料厚度(mm)；K——系数，钢K＝(200~300)N/mm4，黄铜K＝(50~200)N/mm4。加强筋所需冲压力可按下式近似计算：冲压工艺与模具设计176P=LtbK式中：P——冲压力(N)；L——胀形区的周边长度(mm)；t——板料厚度(mm)；b——材料抗拉强度(MPa)；K——系数。一般K＝0.7~1.0，筋窄而深取大值，反之取小值。5.1.3空心坯料胀形1.极限胀形系数空心坯料的胀形俗称凸肚成形，成形时材料沿径向拉伸，将空心坯料(空心工序件或管坯)向外扩张，胀出所需凸起形状。胀形过程中材料变形部位的切向和母线方向均受拉应力，因此，胀形的变形程度受材料的极限伸长率限制，超过材料的极限伸长率制件将胀裂。变形程度以胀形系数K表示，即K＝dmax/d0式中：dmax——胀形后的最大直径(中径)；d0——坯料/工序件/半成品直径(中径)。胀形系数K与坯料伸长率的关系为：＝(dmax－d0)/d0=K－1胀形件每个横截面的大小很可能不一致，危险截面在变形最大处(dmax)，设计时应特别注意。有些制件有强度要求，胀形件不可避免地会出现材料变薄而影响强度。因此，胀形系数不宜取极限值。表5.2是一些材料的极限胀形系数(极限变形程度)的实验值。表5.2极限胀形系数材料厚度/mm材料许用伸长率(%)极限胀形系数K高塑性铝合金0.5251.25纯铝1.01.22.02832321.281.321.32低碳钢0.51.020241.201.24耐热不锈钢0.51.026~3228~341.26~1.321.28~1.342.胀形工序件计算(参见图5.6)图5.6胀形前后尺寸的变化工序件直径(中径)d0＝dmax/K工序件长度L0＝L[1+(0.3～0.4)δ]+b式中：L——制件的母线长度；第5章其他冲压成形方法177——制件切向最大伸长率；b——切边余量，一般取5~15mm。切边余量与材料的塑性应变比(r值)及模具的粗糙度有关，各向异性小者，b取小值。这点与拉深相同。系数(0.3~0.4)为切向伸长而产生高度缩小的因素。由于材料的不均匀变薄，工序件的计算很难准确，需多次试验才能确定。3.胀形的几种方法胀形的方法一般有机械胀形、橡皮胀形、液压胀形。(1)机械胀形(刚模胀形)典型机械胀形如图5.7所示。它是利用锥形芯块4将分瓣凸模2顶开，使坯料胀成所需形状。这种方法模具结构较为复杂。由于凸模分开后存在间隙且周向位移难以一致，因此只能应用于胀形量小且精度不高的制件。图5.8是机械胀形的另一种方法，它采用机械式无凸模胀形法。凹模分上下2块，杯形工序件/半成品放置于下凹模6中，成形时芯轴2先进入工序件/半成品内将其定位，保证杯壁不失稳，继而对其进行镦压。由于凹模及芯轴的约束作用，工序件/半成品只有在中间空腔处变形，达到胀形的目的。这种方法只适用于较小的局部变形。图5.7滑块式机械胀形1—凹模；2—分瓣凸模；3—拉簧；4—锥形芯块冲压工艺与模具设计178图5.8无凸模机械胀形1—上凹模；2—芯轴；3—顶杆；4—推件块；5—顶件块；6—下凹模(2)橡皮胀形橡皮胀形如图5.9所示。在压力作用下橡皮变形，使制件沿凹模胀出所需形状。所用橡皮应具有弹性好、强度高和耐油等特点，以聚氨酯橡胶为好。(3)液压胀形液压胀形如图5.10所示。压力机滑块下行时，先将灌注有定量液体的工序件/半成品口部密封(可采用橡胶垫)，滑块继续下行，通过液体将高压传递给工序件/半成品内腔，使其变形。这种方法靠液体传力，在无摩擦状态下成形，受力均匀且流动性很好，因此可以制作很复杂的胀形件(如皮带轮等)。这种方法工艺较复杂，成本较高。图5.9橡皮胀形图5.10液压胀形1—凸模；2—凹模(2块)；3—橡皮1—凸模；2—凹模；3—油橡皮胀形和液压胀形又称软凸模胀形。4.胀形力软凸模胀形所需的单位压力p，可由变形区内单元体的平衡条件求得。当坯料两端固定，且不产生轴向收缩时smaxttprR骣÷ç÷=+ç÷ç÷ç桫当坯料两端不固定，允许轴向自由收缩时，可近似按下式计算：p=(t/rmax)s式中：p——软凸模胀形所需的单位压力(MPa)；s——材料屈服点，胀形的变形程度大时，其值应由材料硬化曲线确定(MPa)；t——板料厚度(mm)；rmax，R——胀形制件纬向和经向曲率半径(mm)。刚模胀形所需压力的近似计算可参考有关手册。第5章其他冲压成形方法1795.2翻边翻边主要用于制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等)，或者为了提高制件的刚度而加工出的特定形状，在大型板金成形时，也可作为控制破裂或褶皱的手段。按工艺特点，翻边可分为内孔(圆孔/非圆孔)翻边、外缘翻边(含内曲翻边和外曲翻边)等；按变形性质可分为伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。伸长类翻边的变形区为二向拉应力状态，沿切向作用的拉应力是最大主应力，在该方向发生伸长变形，而厚度变薄，在边缘易发生破裂。压缩类翻边的变形区为切向受压、径向受拉的应力状态，沿切向作用的压应力为绝对值最大主应力，在该方向发生压缩变形，而厚度增厚，在边缘易发生起皱。按坯料的状况，翻边还可分为平面翻边和曲面翻边。本书只讨论平面翻边。5.2.1圆孔翻边1.圆孔翻边的变形情况及极限翻边系数圆孔翻边是在制件或板料上将制好的孔直接冲制出竖立边缘的成形方法(如图5.11所示)。翻边的变形区为凹模圆角区之内的环形区，其变形情况是，把板料内孔边缘向凹模洞口弯曲的同时，将内孔沿圆周方向拉长而形成竖边。从坐标网格的变化看出，不同直径的同心圆平面，变成了直径相同的柱面，厚度变薄，而同心圆之间的距离变化则不显著。因此，在通过翻边后得到的柱面轴心线的平面内，可以将翻边变形近似看作弯曲(但厚度变化规律不同)。图5.11圆孔翻边时的应力与变形情况冲压工艺与模具设计180翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力θ和径向拉应力r的作用。切向拉应力θ是最大主应力，在孔口处达到最大值，此值若超过材料的允许值，翻边即会破裂。因此孔口边缘的许用变形程度决定了翻边能否顺利进行。变形程度以翻边系数K表示，即K=d/D式中：d——翻边前预制孔直径；D——翻边后直径(中径)。K值愈小变形程度愈大。翻边时孔口不破裂可能达到的最小值称为极限翻边系数Kmin。影响Kmin的因素有材料塑性、孔的边缘状况、翻边凸模的形式、d/t(相对厚度)等。翻边工艺设计时可针对这些因素采用工艺措施以利于翻边进行。表5.3是低碳钢圆孔翻边的极限翻边系数。表5.3低碳钢的圆孔极限翻边系数Kmin凸模型式孔的加工方法比值d/t100503520151086.5531球形钻孔去毛刺0.700.600.520.450.400.360.330.310.300.250.20冲孔0.750.650.570.520.480.450.440.430.420.42－圆柱形平底钻孔去毛刺0.800.700.600.500.450.420.400.370.350.300.25冲孔0.850.750.650.600.550.520.500.500.480.47－翻边后竖边边缘的厚度小于坯料厚度，其值可按下式估算：t′=tdD=tK式中：t′——翻边后竖边边缘厚度；t——板料或坯料的原始厚度；K——翻边系数。2.圆孔翻边的工艺计算平板坯料圆孔翻边的尺寸计算参见图5.11。翻边前需在坯料上加工预制孔，按弯曲成形展开料的原则可求出预制孔直径d=D－2(H－0.43r－0.72t)式中符号表示参见图5.11。翻边高度H=(D－d)/2＋0.43r＋0.72t将K=d/D代入可得H=D(1－K)/2＋0.43r＋0.72t若以极限翻边系数Kmin代入，即可求出一次