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第五章其它成形工艺与模具设计讲课课时：3学时本章不作重点内容讲解，通过本章学习，主要使学生了解胀形、翻边、缩口、整形等工序的变形特点及模具的结构特点。1在冲压生产中，除冲裁、弯曲和拉深工序以外，还有一些是通过板料的局部变形来改变毛坯的形状和尺寸的冲压成形工序，如胀形、翻边、缩口、旋压和校形等，这类冲压工序统称为其它冲压成形工序。应用这些工序可以加工许多复杂零件，如图所示的自行车多通接头，就是通过切管、胀形、制孔、圆孔翻边等工序加工的。这些成形工序的共同特点是通过材料的局部变形来改变坯料或工序件的形状；但变形特点差异较大，胀形和圆内孔翻孔属于伸长类成形，成形极限主要受变形区过大拉应力而破裂的限制；缩口和外缘翻凸边属于压缩类成形，成形极限主要受变形区过大压应力而失稳起皱的限制；校形时，由于变形量一般不大，不易产生开裂或起皱，但需解决弹性恢复影响校形精确度等问题；至于旋压这种特殊的成形方法，可能起皱，也可能破裂。所以在制定成形工艺和设计模具时，一定要根据不同的成形特点，合理设计。第一节翻边翻边是在模具的作用下，将坯料的孔边缘或外边缘冲制成竖立边的成形方法；根据坯料的边缘状态和应力、应变状态的不同，翻边可以分为内孔翻边和外缘翻边，也可分为伸长类翻边和压缩类翻边。一、圆孔翻边（一）圆孔翻边的变形机理圆孔的翻边过程就是把平板上或空心件上预先制好的孔扩大成带有竖立边缘的孔的过程。圆孔翻边的受力特点是变形区在凹模圆角区内，凸模低下的材料为主要变形区，变形区材料处于切向、径向受拉的应力状态，切向应力在孔边缘昀大，径向应力在孔边缘为零。K称为翻边系数，K值愈小，则变形程度愈大。翻边时孔边不破裂所能达到的昀小K值，称为极限翻边系数。影响极限翻边系数的因素很多，除材料塑性外，还有翻边凸模的形式、孔的加工方法及预制的孔径与板料厚度的比值（体现工序件相对厚度的影响）。变形程度DdK=极限翻边系数见教材表5-1和5-2翻边后竖边边缘的厚度，可按下式估算：KtDdtt==′2(二）圆孔翻边的工艺计算预冲孔直径d竖边高度H)72.043.0(2trHDd−−−=trKDHtrdDH72.043.0)1(272.043.02++−=++−=trKDH72.043.0)1(2minmax++−=或极限高度2）先拉深后冲底孔再翻边的工艺计算采用多次翻边所得制件竖边壁部有较严重的变薄，若对壁部变薄有要求时，则可采用预先拉深，在底部冲孔然后再翻边的方法。在这种情况下，应先决定预拉深后翻边所能达到的昀大高度，然后根据翻边高度及零件高度来确定拉深高度及预冲孔直径。(四）翻边力的计算用锥形或球形凸模翻边的力略小于上式计算值。(五）翻边模设计翻边模的结构与拉深模具相似。图示为落料、拉深、冲孔、翻边复合模。凸凹模8与落料凹模4均固定在固定板7上，以保证同轴度。冲孔凸模2压入凸凹模1内，并以垫片10调整它们的高度差，以此控制冲孔前的拉深高度，确保翻出合格的零件高度。该模的工作顺序是：上模下行，首先在凸模1和凹模4的作用下落料。上模继续下行，在凸凹模1和凸凹模8相互作用下将坯料拉深，冲先拉深后翻边的高度h预制孔直径或翻边的极限高度rKDrdDh57.0)1(257.02+−=+−=rKDh57.0)1(2minmax+−=DKdmin=max214.1hrDd−+=拉深高度rhHh+−=′max用圆柱形平底凸模翻边时，可按下式计算：stdDFπ)(1.1−=σ用锥形或球形凸模翻边的力略小于上式计算值3床缓冲器的力通过顶杆6传递给顶件块5并对坯料施加压料力。当拉深到一定深度后由凸模2和凸凹模8进行冲孔并翻边。当上模回升时，在顶件块5和推件块3的作用下将工件顶出，条料由卸料板9卸下。二、外缘翻边（一）内曲翻边内曲翻边即伸长类外缘翻边时，其变形类似于内孔翻边，但由于是沿不封闭曲线翻边，坯料变形区内切向的拉应力和切向的伸长变形沿翻边线的分布是不均匀的，在中部昀大，而两端为零。假如采用宽度ｂ一致的坯料形状，则翻边后零件的高度就不是平齐的，而是两端高度大，中间高度小的竖边。另外，竖边的端线也不垂直，而是向内倾斜成一定的角度。为了得到平齐一致的翻边高度，应在坯料的两端对坯料的轮廓线做必要的修正，采用如图a中虚边所示的形状，其修正值根据变形程度和的大小而不同。如果翻边的高度不大，而且翻边沿线的曲率半径很大时，则可以不做修正。4（二）外曲翻边外曲翻边即压缩类平面翻边其变形类似于拉深，所以当翻边高度较大时，模具上也要带有防止起皱的压料装置；由于是沿不封闭曲线翻边，翻边线上切向压应力和径向拉应力的分布是不均匀的――中部昀大，而在两端昀小。为了得到翻边后竖边的高度平齐而两端线垂直的零件，必须修正坯料的展开形状，修正的方向恰好和伸长类平面翻边相反，如图ａ虚线所示。压缩类曲面翻边时，坯料变形区在切向压应力作用下产生的失稳起皱是限制变形程度的主要因素，如果把凹模的形状做成图所示的形状，可以使中间部分的切向压缩变形向两侧扩展，使局部的集中变形趋向均匀，减少起皱的可能性，同时对坯料两侧在偏斜方向上进行冲压的情况也有一定的改善；冲压方向的选择原则与伸长类曲面翻边时相同.三、非圆孔翻边5非圆孔的极限翻边系数，可根据各圆弧段的圆心角ａ大小，查教材中表5-6。非圆孔翻边坯料的预孔形状和尺寸，可以按圆孔翻边、弯曲和拉深各区分别展开，然后用作图法把各展开线交接处光滑连接起来。四、变薄翻边在不变薄翻边时，对于竖边较高的零件，需要先拉深再进行翻边。如果零件壁部允许变薄，这时可应用变薄翻边，既可提高生产率,又能节约材料。下图是用阶梯形凸模变薄翻边的例子。由于凸模采用阶梯形，经过不同阶梯使工序件竖壁部分逐步变薄，而高度增加。凸模各阶梯之间的距离大于零件高度，以便前一个阶梯的变形结束后再进行后一阶梯的变形。用阶梯形凸模进行变薄翻边时，应有强力的压料装置和良好的润滑。第二节缩口缩口是将管坯或预先拉深好的圆筒形件通过缩口模将其口部直径缩小的一种成形方法。缩口的应力应变特点如图所示。在缩口变形过程中，坯料变形区受两向压应力的作用而切向压应力是昀大主应力，使坯料直径减小，壁厚和高度增加，因而切向可能产生失稳起皱。缩口工艺在国防工业和民用工业中有广泛应用，如枪炮的弹壳、钢气瓶等。6同时缩口的变形程度用缩口系数ｍ表示：缩口系数ｍ愈小，变形程度愈大。材料塑性愈好，厚度愈大，缩口系数愈小。此外模具对筒壁有支承作用时，极限缩口系数可更小料稳定性差。图ｂ是外支承形式，缩口时坯料的稳定性较前者好。图ｃ是内外支承形式，其模具，在非变形区的筒壁，在缩口压力Ｆ的作用下，轴向可能产生失稳变形。故缩口的极限变形程度主要受失稳条件限制，防止失稳是缩口工艺要解决的主要问题。m=d/D图示为不同支承方法的缩口模。图ａ是无支承形式，其模具结构简单，但缩口过程中坯结构较前两种复杂，但缩口时坯料的稳定性昀好。7ａ）无支承ｂ）外支承ｃ）内外支承第三节旋压旋压是将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。在旋轮的进给运动和坯料的旋转运动共同作用下，使局部的塑性变形逐步地扩展到坯料的全部表面，并紧贴于模具，完成零件的旋压加工。旋压加工的优点是设备和模具都比较简单（没有专用的旋压机时可用车床代替），除可成形如圆筒形、锥形、抛物面形成或其它各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。缺点是生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产。随着飞机、火箭和导弹的生产需要，在普通旋压的基础上，又发展了变薄旋压（也称强力旋压）。1.普通旋压变形特点下图是平板坯料的旋压过程示意图。顶块把坯料压紧在模具上，机床主轴带动模具和坯料一同旋转，赶棒加压于坯料反复赶辗，于是由点到线，由线及面，使坯料逐渐紧贴于模具表面而成形。1－顶块2－赶棒3－模具4－卡盘（系坯料的连续位置）8为了使平板坯料变为空心的筒形零件，必须使坯料切向收缩、径向延伸。但与普通拉深不同，旋压时赶棒与坯料之间基本上是点接触。坯料在赶棒的作用下，产生两种变形：一是赶棒直接接触的材料产生局部凹陷的塑性变形；二是坯料沿着赶棒加压的方向大片倒伏。前一种现象为旋压成形所必需，因为只有使材料局部塑性变形，螺旋式地由筒底向外发展，才有可能引起坯料的切向收缩和径向延伸，昀终取得与模具一致的外形。后一种现象则使坯料产生大片皱折，振动摇晃，失去稳定或撕裂，妨碍旋压过程的进行，必须防止。因此旋压的基本要点是：(1）合理的转速如果转速太低，坯料将在赶棒作用下翻腾起伏极不稳定，使旋压工作难以进行。转速太高，则材料与赶棒接触次数太多，容易使材料过度辗薄。合理转速一般是：软钢为400～600ｒ/min；铝为800～1200r/min。当坯料直径较大，厚度较薄时取小值，反之则取较大值。(2）合理的过渡形状旋压操作如上图所示，首先应从坯料靠近模具底部圆角处开始，得出过渡形状。再轻赶坯料的外缘，使之变为浅锥形，得出过渡形状，这样做是因为锥形的抗压稳定性比平板高，材料不易起皱。后续的操作和前述相同，即先赶辗锥形件的内缘，使这部分材料贴模（过渡形状），然后再轻赶外缘（过渡形状）。这样多次反复赶辗，直到零件完全贴模为止。(3）合理加力赶棒的加力一般凭经验，加力不能太大，否则容易起皱。同时赶棒着力点必须不断转移，使坯料均匀延伸。坯料直径Ｄ可按拉深件计算坯料直径的方法（等面积法）求出，但旋压时材料的变薄较大些，因此应将理论计算值减小5％～7％。一次旋压的变形程度过大时，旋压中容易起皱、工件壁厚变薄严重、甚至破裂，故应限制其极限旋压系数。当工件需要的变形程度比较大时（即ｍ小时），便需要多次旋压。多次旋压是由连续几道工序在不同尺寸的旋压模具上进行，并且都以底部直径相同的锥形过渡。1.变薄旋压变形特点图ａ所示锥形件的变薄旋压。旋压机的尾架顶块把坯料压紧在模具上，使其随同模具一起旋转，旋轮通过机械或液压传动强力加压于坯料，其单位面积压力可达2500～3000Mpa。旋轮沿给定轨迹移动并与保持一定间隙，使坯料厚度产生预定的变薄，加工成所需的零件。变薄旋压的主要特点：(1）与普通旋压相比，变薄旋压在加工过程中坯料凸缘不产生收缩变形，因此没有凸缘9起皱问题，也不受坯料相对厚度的限制，可以一次旋压出相对深度较大的零件。变薄旋压一般要求使用功率大、刚度大并有精确靠模机构的专用强力旋压机。(2）与冷挤压相比，变薄旋压是局部变形，因此变形力比冷挤压小得多。某些用冷挤压加工困难的材料，用变薄旋压则可加工。(3）经强力旋压后，材料晶粒紧密细化，提高了强度，表面质量也比较好，表面粗糙度Ra可达0.4ｍ。第四节胀形当坯料外径与成形直径的比值Ｄ/ｄ＞３时，其成形完全依赖于直径为ｄ的圆周以内金属厚度的变薄实现表面积的增大而成形。ｄ与Ｄ之间环形部分金属发生切向收缩所必需的径向拉应力很大，属于变形的强区，以致于环形部分金属根本不可能向凹模内流动。其成形完全依赖于直径为ｄ的圆周以内金属厚度的变薄实现表面积的增大而成形。很显然，胀形变形区内金属处于切向和径向两向受拉的应力状态，其成形极限将受到拉裂的限制。材料的塑性愈好，硬化指数ｎ值愈大，可能达到的极限变形程度就愈大。由于胀形时坯料处于双向受拉的应力状态，变形区的材料不会产生失稳起皱现象，因此成形后零件的表面光滑，质量好。同时，由于变形区材料截面上拉应力沿厚度方向的分布比较均匀，所以卸载时的弹复很小，容易得到尺寸精度较高的零件。10一、局部胀形又称起伏成形，是一种使材料发生拉伸，形成局部的凹进或突起，借以改变毛坯形状的方法。可以压制加强筋、凸包、凹坑、花纹图案及标记等。见下图。用第二道工序成形得到零件所要求的尺寸。1．压加强筋简单的起伏成形零件，其极限变形程度可按下式近似确定：若零件的加强筋超过极限变形程度时，可以采用多次成形的方法。压制加强筋所需的冲压力，可用下式近似计算：[]δ)75.0~7.0(00−lllbKLtF=σ第一道工序用大直径的球形凸模胀形，达到在较大范围内聚料和均匀变形的目的，11二、圆柱空心毛坯的胀形空心坯料的胀形俗称凸肚，它是使材料沿径向拉伸，将空