第五六章其他冷冲压成形工艺与模具设计

第五、六章其它成形工艺与模具设计本章内容：•第一节胀形•第二节翻边•第三节缩口•第四节校形与整形•第五节旋压第五、六章其它成形工艺与模具设计第五、六章其它成形工艺与模具设计内容简介：在掌握冲裁、弯曲、拉深成形工艺与模具设计的基础之上，本章介绍其它成形工艺特点和模具结构特点。涉及胀形、翻边、缩口等成形工序的变形特点、工艺与模具设计特点。•重点及难点：•胀形工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点学习目的与要求：1．了解胀形工序的变形特点；2、了解胀形模的结构特点。第一节胀形第一节胀形胀形：在模具的作用下，迫使毛坯厚度减薄和表面积增大，以获取零件几何形状的冲压加工方法。一、平板的胀形1．胀形的变形特点图6-1所示为在平板毛坯的局部压窝坑的胀形模，当毛坯直径超过工件直径的3倍以上时，成形时凹模口部以外的凸缘区材料已无法流入凹模内，即拉深变形已不可能，塑性变形只局限于凹模口部以内的部分材料范围之内，这就是胀形。胀形变形是依靠变形区部分板料厚度变簿、表面积增大来实现的。第一节胀形图6-1平板毛坯局部胀形示意图第一节胀形2．平板毛坯胀形的变形程度胀形的破坏形式是胀裂或胀破。平板毛坯局部胀形的极限变形程度可按截面最大相对伸长变形不超过工件材料许用伸长率[δ]的70％～75％来控制：(%)00LLLr≤（0.7~0.75）[δ](6-1)3．平板毛坯胀形力的计算•采用刚性凸模对平板毛坯进行胀形时所需的胀形力按下式估算：•(6-2)•式中，•L----胀形区周边长度，mm；•t----板料厚度，mm；•σ----板料抗拉强度，MPa；•K----虑变形程度大小的系数，一般取0．7～1。NKLtFb3．平板毛坯胀形力的计算在曲柄压力机上对板厚小于1.5mm、成形面积小于200mm2的小件压加强筋时，如在成形后进行校形，所需冲压力按下式计算：•2AKtF式中，A----成形区的面积，mm2；t----为板料厚度，mm；K----为系数，对于钢为200~300，对于铜、铝为150~200。（6-3）•二、空心毛坯的胀形•空心毛坯的胀形：是将空心工序件或管状毛坯沿径向往外扩张的冲压工序，如壶嘴、皮带轮、波纹管、各种接头等。•第一节胀形图6-3空心毛坯胀形示意图1．空心毛坯胀形的变形程度如图6-3所示如果管子的长度不是很长，胀形时管子的长度就会缩短。这表明胀形区以外的材料向胀形区内补充，使胀形区的径向拉伸变形得到缓和，而使切向的拉伸变形成为最主要的变形，胀破就是由于切向拉应变过大引起的。1．空心毛坯胀形的变形程度•为了不胀破，需限制切向最大拉应变不超过材料的许用伸长率[δ]：(6-4)•令比值为胀形系数K：•(6-5)•按式(6-4)胀形系数与材料的许用伸长率[δ]有如下关系：•K≤1+[δ](6-6)•式中，d0----胀形前工序件的初始直径；•dmax----胀形后工件的最大直径。由式(6-6)可见，胀形系数可以表示胀形的变形程度。][10max00maxmaxddddd0maxddK•当胀形件全长都参与胀形时，如图6-4a）所示的凸肚形件，则胀形前工序件的直径应稍小于工件小端直径并可利用式(6-5)，按表6-2允许的胀形系数k值，求得工序件直径。胀形工序件的高度或长度应比工件高度增加一收缩量，需切边时还需增加一切边余量。例如对于图6-4b）所示的凸肚胀形件，工序件高度Ho可按下式计算：•(6-7)•式中，•L----胀形区母线展开长度；•ΔH---切边余量，一般取5~15mm；•δ----材料切向最大伸长率，见表6-2。•其前面的系数0.3～0.4决定了收缩量的大小。2．空心毛坯胀形工序件的计算HLH)4.0~3.0(10图6-4胀形工序件的尺寸计算示意图2．空心毛坯胀形工序件的计算a)b)3．空心毛坯胀形方法对空心毛坯的胀形需通过传力介质将压力传至工序件的内壁，产生较大的切向变形，使直径尺寸增大。按传力介质的不同，空心毛坯的胀形可分为刚性凸模胀形和软模胀形两大类。•（1）刚性凸模胀形•刚性凸模胀形：采用普通金属凸模进行胀形。•图6-5所示为双动压力机用的整体凸模胀形模。工序件为直母线锥形筒，由板料弯曲成形并焊接制成。3．空心毛坯胀形方法图6-5整体凸模胀形模示意图1．凸模2．锥面压边圈3．凹模（1）刚性凸模胀形•图6-6所示为凸模纵向分体的胀形模。•拉深制备的工序件由下凹模7定位，当上凹模1下行时，将迫使分体凸模2沿锥面导向轴3下滑，随着直径的增大而产生径向压力，在下止点处完成对工件底部两侧的胀形。在回程时，弹顶装置(图中未画出)的压力通过顶杆6和顶板5将分体凸模连同工件一起顶起。分体凸模在弹性卡圈4箍紧力的作用下，将始终紧贴着导向轴上升。同时直径不断减小，至上止点能保证胀形完的工件顺利从分体凸模上抽出。3．空心毛坯胀形方法图6-6分体凸模胀形模示意图1．上凹模2．分体凸模3．锥面导向轴4．弹性卡圈5．顶板6．顶杆7．下凹模3．空心毛坯胀形方法（2）软模胀形•软模胀形：是以气体、液体、橡胶及石蜡等作为传力介质，代替金属凸模进行胀形。•①聚氨酯橡胶胀形•对于图6-6所示的凸•肚形工件，采用图6-7•所示的聚氨酯橡模具•结构将十分简单。图6-7聚氨酯橡胶胀形模示意1．上凹模2．凸模3．下凹模4．顶柱•图6-7所示模具为倒装式结构，当管壁较薄时，如果外侧无支撑段较长，成形时有可能出现失稳起皱。因此聚氨酯橡胶胀形模常采取顺装式结构，可避免管壁失稳起皱。•图6-8所示自行车中接头聚氨酯橡胶胀形模属于顺装式结构，管壁内、外均有支撑，成形时不会发生失稳起皱现象。（2）软模胀形图6-8聚氨酯橡胶胀形模示意图1．上压柱2．凹模3．锥套4．下压柱②液压胀形•采用图6-9所示的液压胀形模也可以加工管接头类工件。•工作时先将管坯置于下凹模3之上，然后将上凹模1压下，拼合成完整的凹模。再将两顶轴2引入凹模内并顶住管坯的两端，如图6-9a）所示。图6-9b）表示由顶轴中心孔注入高压液体进行胀形的情形。胀形时管坯沿轴向有较大的收缩，两顶轴必须始终压紧管坯。②液压胀形图6-9轴向加压液压胀形示意图a）胀形前b）胀形时1．上凹模2．顶轴3．下凹模4、刚性凸模胀形和软模胀形比较•刚性凸模胀形的优点是加工费用较低，缺点是：•①凸模是分体的，在下止点处完成最大胀形变形时，在分型面处将会出现较大的缝隙，使胀形件的质量变坏；•②受模具制造与装配精度的影响较大，很难获得尺寸精确的胀形件，工件表面很容易出现压痕。•③当工件形状复杂时，给模具制造带来较大的困难，工件质量更难以保证。•软模胀形的优点：板料的变形比较均匀，容易保证工件的几何形状和尺寸精度要求，而且对于不对称的形状复杂的空心件也很容易实现胀形加工。图6-10其它成形件5、其它成形件图6-11起伏成形5、其它成形件第二节翻边重点及难点：翻边工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点学习目的与要求：1．了解翻边工序的变形特点；2．了解翻边模的结构特点。•翻边：利用模具将工序件的孔边缘或外边缘冲制成竖直的直边的方法。•内缘翻边（或翻孔）：对工件的孔进行翻边，如图6-12a）所示。•外缘翻边：对工件的外缘进行翻边，如图6-l2b）所示。•翻边与弯曲不同，弯曲主要是折弯线为直线，切向没有变形，而翻边时的折弯线为曲线，切向有变形，并且常常是主要的变形。第二节翻边第二节翻边图6-12内缘和外缘翻边示意图a．内缘翻边b．外缘翻边•一、内缘翻边•1．圆孔翻边•（1）圆孔翻边的变形特点•如图6-13所示，在平板毛坯上制出直径为的底孔，随着凸模的下压，孔径将被逐渐扩大。变形区为的环形部分，靠近凹模口的板料贴紧区后就不再变形了，而进入凸模圆角区的板料被反复折弯，最后转为直壁时。当全部转为直壁时，翻边结束。第二节翻边图6-13圆孔翻边应力状态示意图•一、内缘翻边•1．圆孔翻边•应力和切向应变的分布情况如图6-14所示。切向应力为最大主应力，径向应力是由凸模对板料的摩擦作用引起的，其值较小。应力沿径向的分布是不均匀的，在底孔边缘处，切向应力达到其最大值，而径向应力为零，因此该处可视为单向拉伸应力状态。切向应变为拉应变，沿径向的分布也是不均匀的，在底孔边缘处其值最大，越远离中心，其值越小。一、内缘翻边1．圆孔翻边（1）圆孔翻边的变形特点图6-14圆孔翻边应力-应变分布示意图•可见，翻孔时底孔边缘受到强烈的拉伸作用。变形程度过大时，在底孔边缘很容易出现裂口。因此翻孔的破坏形式就是底孔边缘拉裂。(2)圆孔翻边的变形程度•圆孔翻边的变形程度用翻边系数表示：•(6-8)•式中，•d0----翻边前底孔的直径；•D----翻边后孔的中径。•显然，Kf值越小，表示变形程度越大。各种材料的首次翻边系数Kf0和极限翻边系数Kmin见表6-3。采用Kmin值时，翻孔后的边缘可能裂口。DdKf02．非圆孔翻边•(1)非圆孔翻边的变形特点•非圆孔翻边的底孔形状一般由圆弧段和直线段组成，常见的底孔形状有长圆形、圆孤连接的四边形等。•图6-15所示的翻边孔形状由两段圆弧段和两段相切的直线段组成，为卵圆形状。翻边时，切向拉伸变形主要集中于圆弧段，而直线段主要是弯曲变形。圆弧段切向拉应力和拉应变沿翻边线的分布很不均匀，只有中间与相同半径的圆孔翻边时基本相同，而由中间向两端与直线段的连接处其值则逐渐减小。图6-15非圆孔翻边示意图2．非圆孔翻边2．非圆孔翻边•(2)非圆孔翻边系数•非圆孔翻边与半径相同的圆孔翻边相比较，允许采用较小的翻边系数，可按下式估算：•(6-9)•式中，Kf为圆孔极限翻边系数，见表6-4；α为圆弧段中心角，0。•上式适用于α≤180°，当α180°时。直线段对圆弧段的缓解作用已不明显，工艺计算仍需采用圆孔翻边系数。当直线段很短时，也按圆孔翻边处理。0'180ffKK3．翻边力的计算•用普通圆柱形凸模翻孔时的翻边力，可按下式估算：•(6-10)•式中，D----翻边后孔的中径，mm；•d0----翻边底孔直径，mm；•t----为板料厚度，mm；•σS----板料屈服应力，MPa。•当采用球头凸模翻孔时，翻边力可比采用小圆角平头凸模降低50％左右。采用球头凸模的翻边力可按下式计算：•(6-11)•式中，K0----翻边力系数，见表6-6；•σb----板料抗拉强度(MPa)。NtdDFs01.1NDtKFb02.14．翻孔模设计•(1)翻孔模结构类型•翻孔模有顺装与倒装、压边与不压边等区分。没有冲裁加工，翻孔模一般不需设置模架。•图6-16所示为倒装式翻孔模，凹模2在上模，为倒装结构形式，以便于使用通用弹顶装置。该模具适于在平板毛坯上进行小孔翻边加工。利用凸模3导引段的端头对工序件底孔进行定位，压料板4上不另设定位件。翻边后工件将随上模上升，由打板1将工件从凹模内推出。4．翻孔模设计图6-16倒装式翻孔模示意图1．打板2．凹模3．凸模4．压料板4．翻孔模设计•(2)翻边凸模和凹模的设计•图6-17给出几种常用圆孔翻边凸模的形状和尺寸。•a图为平头凸模，圆角半径不宜过小，适于翻边高度较小、直径较大的孔翻边。b图为球头凸模，c图为抛物面形凸模。允许采用较小的翻边系数，可比平头凸模减小10％~20％，但凸模的加工难度则正好相反。采用以上三种翻边凸模，工件需有预制底孔，而且翻边模上需设置定位装置，对工序件进行定位。4．翻孔模设计•(2)翻边凸模和凹模的设计•d图和e图分别为带有球头和锥头导向段的台阶式凸模，用于倒装式翻孔模时，可利用导引段对工序件底孔进行定位，因此模具上不需设置定位装置。锥头凸模比球头凸模容易加工，锥角可按板料厚度选取，当t1.5mm时，取α=55°，t1.5mm时，取α=60°。•f图为尖锥形凸模，用于薄料、小孔的翻边，不需预先制备底孔。但翻边后直壁端头有裂口，对直壁要求严格时不能采用。4．翻孔模设计图6-17常用翻孔凸模形状示意图二外缘翻边•外缘翻边是在板料边缘进行的翻边，翻边线都是非封闭的轮廓。•当翻边线为内凹弧时，主要变形是切向受拉伸，因此称为伸长类翻边。而当翻边线为外凸孤时，