模具第五章成形模

第五章成形模第一节胀形第二节翻边第三节缩口第四节冷挤压在冲压生产中，除冲裁、弯曲、拉深等工序外，还有一些工序包括：胀形、翻边、缩口、校形等，把这类工序统称为成形工序。成型工序即：用各种局部变形的方式来改变工件或毛坯形状的各种加工方法。从变形的特点来看，这类工序有相同之处，也有不同。如胀形和翻边等主要是受拉力产生伸长变形，易被拉裂而破坏；缩口和外缘翻凸边，则主要受压应力产生压缩变形，易起皱而破坏。针对不同的工序，分析其不同的受力与变形，设计出合理的成形工艺和模具。在生产中，成形工序往往和其他冲压工序组合在一起，加工某些复杂形状的工件。在冲压过程中，整个工件的应力、应变状态是很复杂的，应根据实际情况认真分析和解决。下面分各种工序介绍其变形特点、工艺计算、模具结构等。第一节胀形如图所示，当用球形凸模胀形平板毛坯时，毛坯被带有拉深肋的压边圈压死，变形区限制在凹模口以内。在凸模的作用下，变形区大部分材料受双向拉应力作用（忽略板厚方向的应力），沿切向和径向产生伸长变形，使材料厚度变薄、表面积增大，形成一个凸起，这种成形称为胀形。胀形工艺与前面的拉深工艺不同，毛坯的塑性变形区局限于变形区范围内，材料不向变形区外转移，也不从外部进入变形区内，是靠毛坯的局部变薄来实现的。从工件的形状来分，胀形分为平板毛坯的局部胀形（起伏）和空心毛坯的胀形。从胀形模具来分，有刚模胀形和借助液体、气体和橡胶成形压力的软膜胀形。一、胀形的变形特点及成形极限对图5-1所示的胀形工件分析发现，当从毛坯的变形区内取出一小块单元体时（见上图），该单元体为双向拉应力状态，在一般情况下变形区内金属不会产生失稳起皱，表面光滑，质量好。由于毛坯的厚度相对于毛坯的外形尺寸极小，胀形时双向拉应力在变形区板厚方向上的变化很小，从毛坯的内表面到外表面分布较均匀，因此当胀形力卸除后，零件内、外回弹方向一致，弹复较小，工件形状容易冻结，尺寸精度容易保证。对于某些曲率半径较大的曲面工件，如汽车的覆盖件、车门、车顶等，在成形时，通常采用加大其胀形成分的方法（增大压边力或加拉深肋）来减少回弹，使工件表面平滑，保证工件质量。胀形的应变状态可以用网目法表示，胀形前先将毛坯变形区画出许多圆圈，胀形后毛坯变形区变薄，表面积增大，圆圈形状发生变化，如图5-3所示。当观察变形区的底部、侧面和边缘的圆圈时，发现其部位不同，圆圈的变化不同，即应变力不同。图5-4a所示为底部产生双向相等拉应变εx、εy，圆圈直径变大；图5-4b为侧面单向拉应变εx，圆圈变成长圆形；图5-4c为变形区边缘拉应变εx加大，并在y方向有一比较小的压应变εy，圆圈变成细长圆形。由此可以看出，变形区在x方向，εx从边缘到底部均大于0；在y方向，εy从底部εy=εx0变化到边缘εy0，这是因为边缘上y方向εy=0的结果。在厚度方向（t方向），整个变形区的金属厚度都会变薄，即εt0，这样最容易产生拉裂的部位是沿x方向开裂。成形方式、工艺条件和材料性能的改变，都会引起变形区的应力与应变发生变化，分析应变区的应力、应变分布与变化情况，可以寻求改善板料塑性变形的措施，以提高零件的表面质量与尺寸精度。胀形的成形极限是衡量零件在胀形时不产生破裂所能达到的最大变形。由于胀形方法不同，变形在毛坯变形区内的分布也不同，模具结构、工件形状、润滑条件及材料性能均影响金属的变形，故各种胀形的成形极限表示方法也不同，即：纯胀形时常用胀形深度表示成形极限；管形毛坯胀形时常用胀形因数表示成形极限。虽然，胀形成形极限表示方法不同，但由于胀形区变形性质相同，且破裂只与变形应变状态有关，所以影响因数类似。影响胀形成形极限的因数主要是材料的伸长率和材料的硬化指数。一般认为：材料的伸长率大，即塑性大，破裂前允许的变形程度大，其成形极限大，对胀形有利。材料的硬化指数大，变形后材料硬化能力强，扩展变形区，使应变分布趋于均匀，提高材料的局部应变能力，故成形极限大，对胀形有利。一般来讲，胀形破裂总是发生在材料厚度变薄最大的部位。变形区的应变分布对胀形破裂有很大影响，工件的形状和尺寸不同，胀形时应变分布也不同。当用球头凸模或平底凸模胀形时，前者的应变分布比较均匀，各点应变量较大，能获得较大的胀形高度，其成形极限较大。润滑条件和材料厚度对胀形极限也有影响，一般认为，良好的润滑使凸模与毛坯间摩擦力减小，变形不过分集中，应变分布均匀，使胀形高度增加；材料厚度增大，胀形成形极限有所增加，但料厚与工件尺寸比值较小时，影响不太显著。x方向二、平板毛坯的局部胀形（起伏）平板毛坯在模具作用下，产生局部凸起的冲压方法称为起伏成形，如图所示。起伏成形主要用于增加工件的刚度和强度，如压加强肋、压凸包、压字、压花纹等，起伏成形常采用金属冲模。1、压加强肋常见的加强肋形式和尺寸见表5-1。起伏成形的极限变形程度，主要受材料的塑性、冲头的几何形状和润滑等因数影响。在计算起伏极限变形程度时，可以概略地按单向拉伸变形处理，即：δ极=（l1-l0/l0）(0.7~0.75)δ单（其中因数0.7~0.75视胀形时断面形状而定，球形肋取大值，梯形肋取小值）。δ极—起伏成形的极限变形程度；δ单—材料单向拉深时的伸长率；l0、l1—变形前后长度。如果计算结果符合上述条件，则可一次成形。否则应先压制成半球形过渡形状，然后再压出工件所需形状，如图所示。表5-1列出了加强肋的形状、尺寸等可供参考。当加强肋与边框距离小于（3~3.5）t时，应留切边余料。冲压加强肋的变形力:F=KLtσb。F—变形力；K—因数，K=0.7~1（加强肋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值）；L—加强肋的周长；t—料厚；σb—材料的抗拉强度。若在曲柄压力机上用薄料（t1.5mm)对于小件（面积2000mm2)压肋或压肋兼有校形工序时，变形力：F=KAt²。2、压凸包压凸包时，毛坯直径与凸模直径的比值应大于4，此时毛坯法兰部位不会向里收缩，属于胀形性质的起伏成形，否则便成为拉深。冲压凸包的高度受材料塑性限制不能太大，表5-2列出了平板毛坯压凸包时的许用成形高度。凸包成形高度还与凸模形状与润滑有关，球形凸模较平底凸模成形高度大，润滑条件较好时成形高度较大。如果工件凸包高度超出表5-2中所列数值，则采用类似于多道工序压肋的方法冲压凸包，如图5—6所示。三、空心毛坯胀形空心毛坯胀形是将空心件或管状坯料沿径向向外扩张，胀出所需凸起曲面的一种加工方法。用这种方法可以制造出许多形状复杂的工件。空心毛坯的胀形根据模具的不同分为两类：一类是刚性凸模胀形，如图5-7所示，利用锥形芯块将分块凸模向四周胀开，是毛坯形成所需形状。其特点：分块数目越多，所得到的工件精度越高，但也很难得到精度较高的旋转体零件，且模具结构复杂，成本较高。另一类是软体凸模胀形，包括：橡胶、石蜡、液压等。橡胶胀形如图5-8所示，是以橡胶为凸模，在压力作用下使橡胶变形，把工件沿凹模胀开所需的形状。其特点：模具结构简单，工件变形均匀，能成形复杂形状的工件。空心毛坯胀形（续一）上图所示为液体胀形。液体胀形时，凹模内的毛坯在高压液体作用下直径胀大，最终贴靠凹模成形。其特点：可加工大型零件，且液体的传力均匀，工件表面质量好。空心毛坯胀形的变形程度用胀形因数K表示。K=dmax/d0；胀形因数K与坯料的伸长率的关系式：δ=(dmax–d0)/d0=K–1或K=1+δ空心毛坯胀形时，若两端不固定，毛坯的原始长度：L0=L[1+(0.3~0.4)δ]+Δh软模胀形空心毛坯工件时，所需的单位压力p分下面两种情况计算：两端不固定，允许毛坯轴向自由收缩时：p=(2t/dmax)σb两端固定，毛坯轴向不能收缩时：p=2σb[(t/dmax)+(t/2R)]空心毛坯胀形（续二）液体胀形的单位压力P与胀形件形状、材料厚度及力学性能有关，为了简化计算，只考虑切向拉应力σ1，忽略母线方向的应力σ2。今取变形区内任一单位高度环状条带进行分析，如右图所示。化简后得：P=(2t/dmax)σ1。为了使材料发生塑性变形，必须使σ1≥σs，又考虑材料硬化的影响，在计算时可用σb代替σs，于是得到软模胀形使单位压力的计算公式：P=(2t/dmax)σb(MPa)。生产实际中，考虑许多因素，对上式进行修正。修正后的经验公式：P=600tσs/dmax。四、罩盖胀形模设计示范1、分析该工件的工艺性由该工件形状可知，其侧壁是由空心毛坯胀形而成，底部由起伏工序加工成形，实质为两种胀形同时成形。2、工艺计算1）底部起伏成形计算：查表5-2的许用成形高度H：H=0.15d=2.5mm。此值大于工件底部起伏成形的实际高度，所以可一次起伏成形。起伏成形力F=KAt²=4909N2）侧壁胀形计算：计算该工件侧壁胀形的胀形因数，已知d0=39mm，dmax=46.8mm，K=46.8÷39=1.2。查表5-3得极限胀形因数为1.24。该工件的胀形因数小于极限胀形因数，侧壁可一次胀形成形。工件名称：罩盖生产批量：中批量材料：10钢料厚：0.5mm罩盖胀形模设计示范（续一）计算胀形前工件的原始长度L0，L0=L(1+0.35δ)+Δhδ——坯料伸长率，其值为：δ=(лdmax–лd0)/лd0=（46.8-39)÷39=0.2；L——工件母线长，即图5-12中A所指的R60mm一段圆弧的长。由几何关系可以计算出L=40.8mm；Δh——修边余量，取为3mm。则L0=408(1+0.35×0.2)mm+3mm=46.66mm，L0取整数为47mm。则胀形前毛坯外径为39mm，长（高）为47mm。侧壁胀形力的计算，近似按两端不固定的形式计算。查表（书末附录A1）σb=430(MPa)，则：P=（2×0.5mm)/46.8mm×430(MPa)=9.2Mpa胀形力：F=Ap=лdmax×40mm×9.2MPa=54106N总成形力：F=F起+F胀=4909N+54106N=59.015kN3、模具结构设计胀形模采用聚氨脂橡胶进行软模胀形，为使工件在胀形后便于取出，将凹模分成上、下两部分，胀形上、下模间为止口定位，单边间隙为0.05mm。侧壁靠橡胶的胀开成形，底部靠压包凸、凹模成形。当模具闭合时弹簧压紧，然后胀形。由于模具的尺寸和闭合高度较大（202mm），压力较小（59kN），选用设备以模具尺寸为依据，选用250kN开式可倾压力机。第二节翻边翻边是将工件的孔边缘或外边缘在模具作用下翻成树立的直边，如图所示。用翻边的方法可以加工形状复杂的工件，翻边工件具有良好的刚度和合理的空间形状。根据工件边缘的形状和应力应变状态不同，翻边可分为内孔翻边和外缘翻边。外缘翻边又分为外凸的外缘翻边（见图b下图）和内凹的外缘翻边（见图b上图）。此外根据竖边壁厚的变化情况，可分为不变薄翻边和变薄翻边。一、内孔翻边1、内孔翻边的变形特点和翻边因数（如右图）翻边前毛坯孔径为d0、外径为D的环形部分。当冲头下行时，d0不断扩大，并向侧边转移，最后使平面环形变成竖边。变形区的毛坯受切向拉应力σθ和径向拉应力σr的作用，其中σθ是最大主应力，而σr值较小，它是由毛坯与模具的摩擦而产生的。在整个变形区内，应力、应变的大小是变化的。孔的外缘处于单向切向拉应力状态，且其值最大，该处的应变在变形区内也最大。这样，就使边缘的厚度在翻边过程中不断变薄，翻边后竖边的边缘部位变薄最严重，使该处在翻边过程中成为最危险部位，当变形超过许用变形程度时，此处就会开裂。变形程度用翻边前孔径d0与翻边孔径D的比值m：m=d0/D。m称为翻边因数。显然，m值越大，变形程度越小；m值越小，变形程度越大。翻边孔不破裂所能达到的最小翻边因数称为极限翻边因数。极限翻边因数与许多因素有关，主要有：①材料的塑性塑性好的材料，极限翻边因数可小些。m值与材料的伸长率δ或断面收缩率Ψ之间的近似关系式：δ=(лD-лd0)/лd0=(D/d0)-1=(1/m)-1即m=1/(1+δ)或m=1-Ψ。②孔的边缘状况翻边前孔边