第三章--其他冲压工艺与模具结构

第三章其他冲压工艺与模具结构第一节弯曲工艺与模具结构第二节拉深工艺与模具结构第三节成形工艺与模具结构第四节冷挤压工艺与模具结构第一节弯曲工艺与模具结构弯曲是冲压生产中应用较广泛的一种基本加工方法，属于成形工序。如图所示为某年生产量为30000件、材料为Q235、厚度为3mm的轴瓦钢背制件，生产实际中，通过弯曲工艺成形和弯曲模来完成该零件的成形。轴瓦钢背制件一、弯曲工艺1．弯曲及其变形过程通过冲压使金属板料等产生塑性变形，形成一定角度，从而获得所需零件形状的工艺方法称为弯曲。弯曲是冲压的基本工序之一，在冲压生产中占有很大的比例。根据弯曲成形方式的不同，具体弯曲方法可分为压弯、拉弯、折弯和滚弯等。其中，最常见的是在压力机上进行压弯。冲压时，若折弯线是直线则为弯曲，折弯线是曲线或圆弧则属于翻边，不属于弯曲。a）弯曲b）翻边弯曲与翻边的区别弯曲阶段图例变形过程说明开始弯曲板料毛坯自由弯曲凸模下压板料毛坯与凸模工作表面逐渐靠紧，板料内层（上表面）弯曲半径和板料弯曲力臂逐渐变小继续下压板料弯曲变形区域逐渐减小，直到与凸模三点接触，板料内层（上表面）弯曲半径和板料弯曲力臂继续变小行程终了凸模、凹模对弯曲毛坯进行校正，使其圆角、直边与凸模及凹模弯曲贴紧弯曲变形过程弯曲分自由弯曲和校正弯曲。当弯曲终了时，凸模、坯料和凹模三者吻合后，凸模不再下压，称为自由弯曲，否则称为校正弯曲，校正弯曲将使制件产生更准确的塑性变形。通过弯曲变形分析可以发现，弯曲时塑性变形只发生在板料的圆角处，直边部分除与圆角相邻的过渡部分有少量的变形外，其余未发生塑性变形。需要指出的是，弯曲变形时，在毛坯变形区域内，内层材料受到压缩，外层材料受到拉伸，且压缩和拉伸的程度都是表层最大，向中间逐渐减小。在内层与外层之间存在着材料纤维既不缩短也不伸长的中性层。通常根据中性层的展开长度来确定弯曲件毛坯长度。2．制件的弯曲工艺性分析弯曲件对弯曲工艺的适应能力称为弯曲件的工艺性。设计具有良好工艺性的弯曲件，不仅容易保证弯曲件精度，提高生产效率，而且能简化弯曲工艺与模具结构、节约材料等。因此，在满足使用要求的前提下，应充分考虑弯曲成形的工艺特点，使弯曲件具有良好的工艺性。弯曲件的工艺性主要包括弯曲件的形状、弯曲半径、最小弯曲高度、弯曲角的孔边距、弯曲件的精度等级、弯曲件的尺寸标注、局部弯曲的工艺结构等。（1）弯曲件的形状设计弯曲件时，其形状力求简单，最好左右对称、宽度相等，弯曲半径左右一致，以保证弯曲时毛坯不会因摩擦阻力不等而产生侧向滑动。对于窄而长的弯曲件或形状比较复杂的弯曲件，在结构设计上应设置定位工艺孔，以防弯曲时产生侧滑。对于非对称的小型弯曲件，应采用左右对称件成对弯曲工艺，然后剖切为两件。形状对称的弯曲件添加工艺孔的弯曲件（2）弯曲半径弯曲件内层材料的半径称为弯曲半径。弯曲时，弯曲半径过小，将使外层材料拉应力达到或超过材料的强度极限Rm，从而导致材料外层出现断裂，弯曲件报废。因此，板料弯曲存在一个最小弯曲半径许可值，弯曲件的最小弯曲半径不得小于下表所列数值。材料退火或正火状态冷作硬化状态弯曲线位置垂直轧制纹向平行轧制纹向垂直轧制纹向平行轧制纹向08、10、Q195、Q2150.1t0.4t0.4t0.8t15、20、Q2350.1t0.5t0.5t1t25、30、Q2550.2t0.6t0.6t1.2t35、40、Q2750.3t0.8t0.8t1.5t45、500.5ttt1.7t55、600.7t1.3t1.3t2t65Mn、T7t2t2t3t常用材料的最小弯曲半径材料退火或正火状态冷作硬化状态弯曲线位置垂直轧制纹向平行轧制纹向垂直轧制纹向平行轧制纹向Cr18Ni9Tit2t3t4t硬铝（软）t1.5t1.5t2.5t硬铝（硬）2t3t3t4t磷青铜——t3t黄铜（半硬）0.1t0.35t0.5t1.2t黄铜（软）0.1t0.35t0.35t0.8t紫铜0.1t0.35tt2t铝0.1t0.35t0.5t1t镁合金MB1加热到300～400℃6t8t2t3t钛合金BT5加热到300～400℃5t6t3t4t常用材料的最小弯曲半径（3）最小弯曲高度在弯曲件成形过程中，直边高度h不宜过小，以免因弯边高度不足而影响弯曲质量。通常弯边高度应不小于料厚的2.5倍；否则，应先压槽弯曲或加大直边高度，待弯曲完成后将高出部分切除。弯曲件直边高度（4）弯曲角的孔边距采用弯曲工艺时，弯曲前在毛坯上冲制的孔，应位于弯曲变形区以外，否则孔的形状会发生畸变。弯曲角的孔边距如果孔的位置精度要求较高或孔壁距离弯曲变形区较近时，应采取弯曲后冲制的方法。另外，还可以在弯曲变形区冲出工艺孔或缺口及槽等，以转移变形区。（5）弯曲件的精度等级一般来说，弯曲件的尺寸公差等级最好不高于IT13级，角度公差最好不小于±15′。如果对弯曲件的尺寸精度要求较高，则必须在结构设计上设置定位工艺孔；如果对角度公差要求较高，则应增加整形工序或允许零件弯曲部位表面有轻微擦伤。（6）弯曲件的尺寸标注采用弯曲工艺时，弯曲件尺寸标注的不同，可能会影响冲压工序的安排。例如，如图所示弯曲件，若按图a所示标注孔边距尺寸，则工艺相对简单；若按图b所示标注尺寸，则冲孔最好安排在弯曲之后进行。a）b）c）尺寸标注对弯曲工艺的影响a）标注一b）标注二c）实样图（7）局部弯曲的工艺结构对于零件边缘需进行局部弯曲的弯曲件，为避免弯角部位因应力集中产生撕裂，应增添工艺孔、工艺槽等。局部弯曲的工艺结构3．弯曲工艺计算01800()180rKt（1）弯曲件毛坯长度的确定因材料弯曲变形区成形后外层伸长，内层缩短，中性层长度不变，所以弯曲件毛坯长度等于中性层的长度。具体地说，弯曲件毛坯长度等于直边部分与弯曲部分中性层长度之和，即L总＝∑L直边＋∑L弯曲对于弯曲部分，其长度可用下式计算，即L弯曲＝＝当材料厚度一定时，弯曲半径越大，变形越小，中性层越接近于材料厚度的几何中心，即K接近于0.5。实际生产中，弯曲件毛坯长度一般要经过试模后确定。（2）弯曲力的计算弯曲力是选择冲压设备和进行弯曲模设计的重要依据。在生产实际中，弯曲力通常用经验公式进行计算，相关计算内容及说明见下表。计算内容计算公式V形件自由弯曲力U形件自由弯曲力校正弯曲力顶件力压料力弯曲吨位自由弯曲时：Ｆ冲≥校正弯曲时：Ｆ冲≥20.6bwBtFRt20.7bwBtFRtjFpA0.3~0.8ywFFwdFFjF弯曲力计算4．弯曲常见质量问题（1）弯裂弯曲时，由于弯曲件材料外层纤维受拉且变形最大，所以最容易出现裂纹而造成弯曲件报废。外层纤维拉伸变形的大小，主要取决于弯曲件的弯曲半径（等于对应弯曲模凸模圆角半径）和弯曲件材料厚度。弯曲半径越小，材料厚度越大，弯裂的可能性越大。为了防止弯曲件的弯裂，必须限制弯曲半径，使之大于导致材料开裂之前的临界弯曲半径——最小弯曲半径。（2）回弹弯曲成形结束后，由于弹性变形的恢复，致使弯曲件的弯曲角度和弯曲半径发生变化，与模具尺寸不一致，这种现象称为回弹。生产实际中，通常用回弹角Δα和曲率回弹量Δρ来表示回弹的大小。回弹角是指弯曲卸载前制件的弯曲角（弯曲凸模的弯曲角）与弯曲卸载后制件的实际弯曲角之差；曲率回弹量是指弯曲卸载前制件弯曲处的曲率半径（弯曲凸模圆角半径）与卸载后制件的实际曲率半径（弯曲半径）之差。影响回弹的因素很多，如材料的力学性能、材料的相对弯曲半径r/t及弯曲中心角α、弯曲件的形状、凸模和凹模间的间隙大小、弯曲时的校正程度等。单角自由弯曲，即自由弯曲V形件，弯曲中心角为90°时部分材料的平均回弹角（Δα90°）值可参考下表。自由弯曲V形件示意图材料r/t材料厚度t（mm）＜0.80.8～2＞2软钢Rm=350MPa黄铜Rm≤350MPa铝和锌＜11～5＞54°5°6°2°3°4°0°1°2°中硬钢Rm＝400～500MPa硬黄铜Rm＝350～400MPa硬青铜Rm＝350～400MPa＜11～5＞55°6°8°2°3°5°0°1°3°硬钢Rm＞550MPa＜11～5＞57°9°12°4°5°7°2°3°6°90α单角自由弯曲90°时的平均回弹角（3）偏移在弯曲变形过程中，当弯曲毛坯沿凹模圆角滑移时，会受到摩擦阻力的作用。由于各边所受摩擦阻力不等，在实际弯曲时，毛坯必然产生向左或向右的偏移，从而造成制件边长尺寸不符合要求的结果，对于不对称制件的弯曲，这种现象尤为显著。a）制件要求的形状b）制件产生偏移后的形状制件弯曲时的偏移现象实际弯曲生产中，常采用压料装置或在弯曲模具上装定位销的方法，使毛坯在弯曲变形过程中无法移动，从而得到准确的制件尺寸，最终解决偏移问题。a）b）防止偏移的措施a）加压料装置b）装定位销二、弯曲模结构弯曲模是将制件弯曲成一定角度和形状的冲模。如图所示为弹簧吊耳制件及其成形用弯曲模，由于弹簧吊耳的生产批量较大，故上模、下模的导向选用导柱、导套。毛坯由顶板上两个定位销定位，这样还可以保证在弯曲过程中不产生偏移。顶板不仅起顶料作用，而且起压料作用。压料力是利用弹簧或橡皮（图中未画）通过顶杆来实现的。a）制件图b）总装图弹簧吊耳及其弯曲模1—卸料杆2—定位销3—顶板4—顶杆1．弯曲模的分类及应用常见的弯曲模结构类型主要有：单工序弯曲模、级进弯曲模、复合弯曲模和通用弯曲模等。分类特点应用单工序弯曲模模具结构简单，安装调试方便简单形状制件级进弯曲模模具结构复杂，生产率高，操作安全性好大批量、小尺寸、较高质量制件复合弯曲模模具结构紧凑，凸凹模修磨困难尺寸不大的高精度制件通用弯曲模模具成本低，制造周期短小批量生产或试制弯曲件弯曲模的特点及应用2．弯曲模典型结构弯曲模的结构主要取决于弯曲件的形状及弯曲工序的安排。（1）单工序弯曲模单工序弯曲模常用于成形如图所示的V形件、U形件、L形件、Z形件、形件、圆形件、铰链件和其他形状件等。常见单工序弯曲模成形件1）V形件弯曲模V形件弯曲模的基本结构形式如图所示，由于制件形状简单，该模具的结构相对简单。该弯曲模中，凸模装在模柄上，并用销钉固定；凹模通过螺钉直接固定在下模座上；顶杆既起顶料作用，又起压料作用，并可防止毛坯在弯曲初期发生偏移。另外，通过适当调整，制件在冲压终了时，可得到一定程度的校正，以减小回弹，并提高制件的平面度。V形件弯曲模基本结构形式1—模柄2—销钉3—凸模4—凹模5—顶杆6—下模座2）U形件弯曲模。简单的U形件弯曲模结构形式如图所示。该弯曲模中，毛坯由定位板、定位销定位，成形时，顶板（压板）顶着毛坯，防止毛坯偏移；成形后，通过顶板和顶杆将制件顶起。U形件弯曲模结构形式1—定位板2—顶板3—定位销4—顶杆右图为上出件U形件弯曲模，其主要特点是在凹模内设置了顶件装置，成形时顶板始终压紧毛坯，因此所得制件底部平整。另外，顶板上还装有定位销，利用制件上的孔（或工艺孔）定位，可方便成形直边高度不相等的U形件。当使顶板接触凹模下模座作为凹模底来使用时，可进行校正弯曲。（2）级进弯曲模对于批量大、尺寸小的弯曲件，为了提高生产效率和安全性，保证零件质量，可以采用级进弯曲模进行多工位的冲裁、弯曲、切断等工艺成形。如图所示为切边、冲孔、弯曲和切断级进弯曲模示例，该模具用以弯制侧壁带孔的双角弯曲件。级进弯曲模1—切断凸模2—弯曲凸模3—冲孔凸模4—切边凸模（3）复合弯曲模对于尺寸不大的弯曲件，还可以采用复合弯曲模成形，该类模具结构紧凑，零件精度高，不过凸凹模修磨比较困难。如图所示为落料弯曲复合模示例，该模具在压力机一次行程内，在模具同一位置上完成落料、弯曲两种不同的工序，实现U形件的弯曲。复合弯曲模1—凸凹模（落料凸模、弯曲凹模）2—落料凹模3—弯曲凸模（4）通用弯曲模对于小批量生产或试制生产的弯曲件，生产中常采用通用弯曲模进行成形，以克服制造专用弯曲模成本高、周期长等缺点。多次V形弯曲成形复杂零件示意第二节拉深工艺与模具结构作为另一种应用广泛的变形工序，拉深工艺主要用来制造如图所示圆筒形、圆锥形、矩形、阶梯形、球面形和其他不规则形状的薄壁零件。常见拉深件一、拉深工艺1．拉深及其变