局部成形工艺

第8章局部成形工艺8．1概述用各种不同变形性质的局部变形改变毛坯(或由冲裁、弯曲、拉伸等方法制成的半成品)的形状和尺寸的冲压成形工序称为局部成形。或者说除弯曲和拉深以外的使板料产生塑性变形的其他冲压成形工序都可称为局部成形。主要有胀形、翻边、缩口、校平、整形和旋压等工序，本章仅介绍汽车车身制造中应用广泛的胀形、翻边工序。8．2胀形工艺利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大，得到所需几何形状和尺寸的制件，这种冲压成形方法称为胀形。常用的胀形有起伏胀形、圆柱形毛坯的胀形和平板毛坯的胀形。汽车覆盖件等形状复杂的零件成形也经常包含胀形。胀形可采用不同的方法来实现，如刚性凸模胀形(图8-1)，橡皮胀形(图8-2)和液压胀形(图8-3)。8.2.1胀形的特点类似拉深筒底区域，胀形时变形区在板面方向呈双向拉应力状态，在板厚方向是减薄，即厚度减薄、表面积增加。胀形主要用于加强筋、花纹图案、标记等平板毛坯的局部成形，渡纹管、高压气瓶、球形容器等空心毛坯的胀形，飞机和汽车蒙皮等薄板的拉张成形。如图8-4所示为球形凸模刚性平板毛坯。胀形时，毛坯被带筋的压料圈压紧，变形区限制在筋以内的毛坯，在凸模作用下，与球头面接触的板料处于两向受拉的应力状态(忽略板厚向的应力)，沿切向和径向产生拉伸变形，使板料厚度减薄、表面积增大，得到与凸模球头面型一致的凸包。由于胀形时板料处于双向拉应力状态，所以要防止板料破裂。胀形是否超过成形极限，以制件是否发生破裂来判别。影响胀形成形极限的因素有：变形区应变分布；制件的形状和尺寸；材料的伸长率δ和应变刚性指数n；润滑条件、变形速度以及板料厚度。8.2.2常用胀形类型(1)压加强筋加强筋能否一次成形，与筋的几何形状和材料性质有关。能够一次成形加强筋的条件为：εp=(L-L0)/L0≤(0.70～0.75)δ(8-1)式中εp——断面变形程度；L0——变形区横断面的原始长度，mm；L——成形后加强筋的断面轮廓长度，mm；δ——材料的伸长率。常用的加强筋形式和尺寸见表8-1。加强筋与制件边缘的距离应大于(3～5)t，以防止边缘材料收缩影响外形尺寸和美观。否则要加大边缘外形尺寸，压形后再修边。若加强筋不能一次成形，则应采用多次冲压成形(图8-5)。冲加强筋的胀形力P可按下式计算：P=KLtσb(8-2)式中P一一胀形力，N；L——加强筋长度，mm；t——板厚，mm；σb——材料强度极限，MPa；K——系数，取K=0.7～1.0,加强筋形状窄而深时取较大值，宽而窄时取较小值。(2)压凸包如图8-6所示是冲压凸包的示意图，其成形特点与拉深不同。如果毛坯直径与凸模直径的比值小于4，成形时毛坯将会收缩，则属于拉伸成形；若大干4，则毛坯凸缘不易收缩，属于胀形性质(即压凸包)。冲压凸包时，凸包高度受材料塑性限制，不能太高。凸包成形高度还与凸模形状及润滑有关。例如，采用平底球头凸模时，凸模高度可达球径的1／3，而换用平底凸模时，高度就会减少，原因是平底凸模的底部圆角半径对凸模下面的材料变形有制约作用。凸包深度主要取决于rp，rp大有利于增大凸包高度。改善球头凸模头部的润滑条件，有利于增大凸包的成形高度。如果制件要求的凸包高度超出表8-2列出的数值，则可采用类似多道工序压筋的办法冲压凸包。第一次可先用球形凸模预成形到相应深度后，在第二次用平底凸模将其成形到所要求的高度。如果局部成形的变形较大，单靠凸包部分的材料变薄是不够的，还需相邻的材料流动来补充，因此，必须先成形凸包部分，然后成形周围部分。若制件底部中心允许有孔，可以预先冲出小孔，使其中小部分的材料在冲压过程中向外流动，这样就可以避免凸包高度有过大的变形量超过材料的极限伸长率。8．3翻边工艺8．3．1概述翻边是将毛坯或半成品的外边缘或孔边缘沿一定的曲线翻成竖立的边缘的冲压方法，如图8-7所示。当翻边的沿线是一条直线时，翻边变形就转变成为弯曲，所以也可以说弯曲是翻边的一种特殊形式。但弯曲时毛坯的变形仅局限于弯曲线的圆角部分，而翻边时毛坯的圆角部分和边缘部分都是变形区，所以翻边变形比弯曲变形复杂得多。用翻边方法可以加工形状较为复杂且有良好刚度的立体零件，能在冲压件上制取与其他零件装配的部位，如机车车辆的客车中墙板翻边、客车脚蹬门压铁翻边、汽车外门板翻边、金属板小螺纹孔翻边等。翻边可以代替某些复杂零件的拉深工序，改善材料的塑性流动以免破裂或起皱。代替先拉后切的方法制取无底零件，可减少加工次数，节省材料。按变形的性质，翻边可分为伸长类翻边和压缩类翻边。图8-7(a)、(b)、(c)、(d)所示类型的翻边都属于伸长类翻边，伸长类翻边的共同特点是毛坯变形区在切向拉应力的作用下产生切向的伸长变形，其变形特点属于伸长类变形，极限变形程度主要受变形区开裂的限制。图8-7(e)、(f)所示类型的翻边都属于压缩类翻边，压缩类翻边的共同特点是，除靠近竖边根部圆角半径附近区域的金属产生弯曲变形外，毛坯变形区的其余部分在切向压应力的作用下产生切向的压缩变形，其变形特点属于压缩类变形，应力状态、变形特点与拉深相同，极限变形程度主要受毛坯变形区失稳起皱的限制。此外，按竖边壁厚是否有强制变薄，可分为变薄翻边和不变薄翻边。按翻边的毛坯及工件边缘形状，可分为内孔(圆孔或非圆孔)翻边、平面外缘翻边和曲面翻边等。8．3．2内孔翻边(1)内孔翻边的变形特点图8-8是圆孔翻边及其应力应变分布示意图。在翻边过程中，毛坯外缘部分由于受到压边力F压的约束是不变形区，竖壁部分已经变形，是传力区，带孔底部是变形区。变形区处于双向拉应力状态，变形区在拉应力的作用下要变薄，这一点与胀形相同。圆孔翻边属于伸长类翻边，翻边时毛坯变形区切向方向受有拉应力σθ作用，产生切向拉应变εθ，在孔边部位σθ和εθ有最大值，为单向应力状态，根据屈服准则可以判定孔边部位是最先发生塑性变形的部位，厚度变薄最严重，因而也最容易产生裂纹。翻边时变形区受有径向拉应力σr作用，产生的径向应变εr值相对较小。(2)极限变形程度圆孔翻边的变形程度用翻边系数m表示，翻边系数为翻边前孔径d0与翻边后孔径D的比值，其表达式：m=d0/D(8-3)显然，m值越小，变形程度越大。翻边孔边不破裂所能达到的最小翻边系数为极限翻边系数极限翻边系数用mmin表示。表8-3为低碳钢的极限翻边系数。影响极限翻边系数的主要因素有以下方面。①材料的塑性材料的伸长率δ、应变硬化指数n和各向异性系数r越大，则极限翻边系数越小，有利于翻边。②孔的加工方法预制孔的加工方法决定了孔的边缘状况，孔的边缘无毛刺、撕裂、硬化层等缺陷时，极限翻边系数就小，有利于翻边。目前，预制孔主要用冲孔或钻孔方法加工，如表8-1所示，钻孔比一般冲孔的mmin小。采用常规冲孔方法生产效率高，特别适宜加工较大的孔，但会形成孔口表面的硬化层、毛刺、撕裂等缺陷，导致极限翻边系数变大。采用冲孔后进行热处理退火、修孔或沿与冲孔方向相反的方向进行翻孔使毛刺位于翻孔内侧等方法，能获得较低的极限翻边系数。用钻孔后去毛刺的方法，也能获得较低的极限翻边系数，但生产效率要低一些。③预制孔的相对直径如表8-1所示，预制孔的相对直径d0/t越小，极限翻边系数越小，有利于翻边。这是因为同样的预制孔径d0，材料的厚度t越大，厚度方向压应变εt的允许绝对值增大，根据体积不变定律εθ+εr+εt=0，所以翻边时变形区边缘将要开裂时的极限切向应变值增大。④凸模的形状如表8-1所示，球形凸模的极限翻边系数比平底凸模的小。此外，抛物面、锥形面和较大圆角半径的凸模也比平底凸模的极限翻边系数小。因为在翻边变形时，球形或锥形凸模是凸模前端最先与预制孔口接触，在凹模口区产生的弯曲变形比平底凸模的小，更容易使孔口部产生塑性变形。所以翻边孔径D和材料厚度t相同时，可以翻边的预制孔径小，因而极限翻边系数小。(3)圆孔翻边的工艺当翻边系数m大于极限翻边系数mmin时，可采用一次翻边成形。当m≤mmin可采用多次翻边，由于在第二次翻边前往往要将中间毛坯进行软化退火，故该方法较少采用。对于一些较薄料的小孔翻边，可以不先加工预制孔，而是使用带尖的锥形凸模在翻边时先完成刺孔继而进行翻边的方法。图8-9所示是平板毛坯上一次翻孔示意图，d0如与H按下式计算：d=D-2(H-0.43r-0.72t)(8-4)H=(D/2)(1-(d0/D))+0．43r+0.72t=(D/2)(1-m)+043r+0.72t(8—5)上式是按中性层长度不变的原则推导的，是近似公式，当m=mmin时，H=Hmax。生产实际中往往通过试冲来检验和修正计算值。8．3．3局部外缘翻边平面外缘翻边可分为内凹外缘翻边和外凸缘翻边，由于不是封闭轮廓，故变形区内沿翻边线上的应力和变形是不均匀的。如图8-l0(a)所示为内凹外缘翻边，其应力应变特点与内孔翻边近似，变形区主要受切向拉应力作用，属于伸长类平面翻边，材料变形区外缘边所受拉伸变形最大，容易开裂。如图8-10(b)所示为外凸缘翻边，也称为折边，其应力应变特点类似于浅拉深，变形区主要受切向压应力作用，属于压缩类平面翻边，材料变形区受压缩变形容易失稳起皱。内凹外缘翻边的变形程度用翻边系数Ks表示：Ks=b/(R-b)(8-6)式中,R、b的含义见图8–l0(a)，内凹外缘翻边时b≤R-r，外凸缘翻边时6≥r-R。外凸缘翻边的变形程度用翻边系数Kc表示：Kc=b/(R+b)(8-7)式中，R、b的含义见图8-10(b)，外凸缘翻边时b≥r-R。内凹外缘翻边的极限变形程度主要受材料变形区外缘边开裂的限制，外凸缘翻边的极限变形程度主要受材料变形区失稳起皱的限制。假如在相同翻边高度的情况下，曲率半径R越小。Ks和Kc越大，变形区的切向应力和切向应变的绝对值越大；相反，当R趋向于无穷大时，Ks和Kc为零，此时变形区的切向应力和切向应变为零，翻边变成弯曲。8．3．4变薄翻边变薄翻边是使已成形的竖边在小间隙的凸、凹模间挤压使之强制变薄的方法。变薄翻边属体积成形，如果用一般翻边方法达不到要求的翻边高度时，可采用变薄翻边方法增加竖边高度。第9章车身覆盖件冲压工艺车身由车身骨架、覆盖件组成。覆盖件通常由0.6～l.2mm的08系列冷轧薄钢板制成，根据覆盖件形状复杂程度、拉伸塑性变形程度确定拉深性能等级。覆盖件是冲压加工难度最大的零件。与一般的冲压件相比较，覆盖件具有材料薄、形状复杂，结构尺寸大、表面质量好等特点，因此覆盖件的冲压工艺编制、冲模制造要求较高。9．1车身覆盖件的冲压工艺特点9．1．1覆盖件的冲压工序车身覆盖件的形状复杂、尺寸大，因此一般不可能在一道冲压工序中直接获得，有的需要十几道工序才能获得，最少的也要三道工序。覆盖件冲压的基本工序有落料、拉深、修边、翻边和冲孔，见表9-l。根据需要和可能，可以将一些工序合并，如修边翻边等。落料工序是为了获得拉深工序所需的毛坯外形。拉深工序是关键工序，覆盖件的形状是由拉深工序成形的。修边工序是覆盖件为了切除拉深件的工艺补足部分。这些工艺补足只是拉深工序的需要，因此拉深后切掉。翻边工序位于修边工序之后，它使覆盖件边缘的竖边成形。冲孔工序是加工覆盖件上的孔洞。冲孔工序一般在拉深工序之后，以免孔洞破坏拉深时的均匀应力状态，避免孔洞在拉深时变形。9．1．2生产规模与装备选用冲压工艺装备应考虑产品的质量、生产效率和装备成本平摊等因素，覆盖件冲压工艺装备因冲压生产规模而异。①单件生产车身覆盖件的生产以钣金为主，使用少量模具、胎具，配备少量的拉伸和成形模具。②小批量生产拉伸和成形采用模具，而落料、拉深后的修边是在一些通用设备上进行，翻边使用胎具在覆盖件上的用钻孔方法加工。拉深模一般用低熔点合金模、锌基合金模。③中批量生产对于关键性的覆盖件和较大的覆盖件，部分工序采用冲压模具，而一般的覆盖件冲压工艺方案与小批量生产相同，④大批量生产每一道工序都使用冲模。模具结构相对复杂，一般采用人工送料和取件，少量采用机械手取件。⑤大量流水生产采用冲压自动线进行生产。自动线上的模具结构相对简单些，便于安装各种送料、取件、翻转、排除废料和传送工件等装置。9．1．3覆盖件分类根据形状复杂