第二章 锻压工艺2.doc

第4节 冷塑性加工基础 Cold plasticity working Fundament冷塑性加工主要指在再结晶温度以下的塑性加工工艺。板料冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法。这种加工方法通常是在室温下进行的，所以又可以称为冷冲压。 （1）板料冲压具有下列特点(1)可以冲压出形状复杂的零件，且废料较少。(2)冲压件的形状和尺寸由冲模保证，冲压件的质量稳定，互换性较好。(3)能获得质量轻、材料消耗少、强度和刚度都较高的零件。(4)冲压操作简便，易于实现机械化和自动化，生产率很高。故零件成本低。（2）冲压设备生产中常用的设备是剪床和冲床。剪床用来把板料剪切成一定宽度的条料（dd42），以供下一步的冲压工序用。冲床用来实现冲压工序(dd15)，以制成所需形状和尺寸的成品零件，冲床最大吨位已达40 000KN。（3）冲压工序基本工序有分离工序和成形工序两大类。分离工序-使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。如落料(dd14)、冲孔(dd38)、切断和修边(dd12_c)。成形工序-使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破坏的工序，如拉深(dd60)、弯曲(dd05)、翻边(dd78)、胀形(dd64)等。1冲裁变形过程冲裁过程大致可以分成三个阶段(td83)。(1) 弹性变形阶段 冲头（凸模）与板料接触后，使板料产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形，此时，板料中的内应力值迅速增大，但没有超过材料的弹性极限。若卸去载荷，板料则恢复原状。(dd37)(2) 塑性变形阶段 冲头继续向下运动，板料中的内应力值达到屈服极限，板料金属产生塑性变形。变形达到一定程度时，位于凸、凹模刃口处的金属硬化加剧，出现微裂纹(dd38)。(3) 断裂分离阶段 冲头继续向下运动，已形成的上下裂纹逐渐扩展。上下裂纹相遇重合后，板料被剪断分离。2间隙对切断面质量的影响(td18)（1）间隙-冲裁模的凸模和凹模间存在的适当空隙。此冲裁间隙对冲裁件的切断面质量有很大的影响。（2）间隙过小-由于上下裂纹向内扩展时不能互相重合，将产生第二次剪切，在端面中间留下撕裂面。（3）间隙过大-板料受到很大的拉伸和弯曲应力作用，冲裁件圆角和斜度加大，光亮带小，毛刺大而厚，难以去除。（4）合理间隙-上下裂纹互相重合，冲裁件断面平直、光洁，质量最好。单边间隙（z）的合理数值可按下述经验公式计算出：zmt式中： t材料厚度，mm； m与材料性能及厚度有关的系数。 实用中，材料较薄时，m可以选用如下数据： 低碳钢、纯铁 m006 009 铜、铝合金 m006 01 高碳钢 m003 012 当材料厚度S3mm时，由于冲裁力较大，应适当把系数m放大。对冲裁件断面没有特殊要求时，系数m可放大15倍。3板料成形时的变形过程板料成形时只允许产生弹性变形和塑性变形，不允许产生微裂纹。因此，变形中的加工硬化达到一定程度后必须进行再结晶退火。(1) 弯曲成形(td05)1) 弯曲变形过程-在凸模压力作用下，板料产生弯曲变形，随着凸模下降，弯曲部分的材料由弹性变形过渡到弹塑性变形状态，最后将板料弯曲成与凸模尺寸形状一致的工件。2) 弯曲变形特点-在弯曲工序中，板料弯曲部分外层受拉伸而伸长，内层受压缩而缩短，在外层外表面，拉伸应力与拉伸应变最大。当外层纤维的伸长变形超过材料性能所允许的极限伸长时，即会造成金属破裂，板料越厚，内弯曲半径r越小，则拉伸应变越大，越容易弯裂(td07)。为防止弯裂，弯曲的最小半径应为rmin(0251)t(t为金属板料的厚度)。材料塑性好，则弯曲半径可小些。（2）拉深成形(t9-11)1）拉深变形过程(dd60)-利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变形成开口空心零件工序称为拉深。其变形过程为：把直径为D的平板坯料放在凹模上，在凸模作用下，坯料被拉入凸模和凹模的间隙中，形成空心拉深件。2）拉深变形特点-拉探件的底部一般不变形，只起传递拉力的作用，厚度基本不变。坯料外径D减去内径d的环形部分的金属，切向受压应力作用，径向受拉应力作用，逐步进入凸模与凹模之间的间隙，形成拉深件的直壁。为使拉探过程进行顺利，凸模与凹模之间的间隙较大，一般z=(1.1-1.2)t。直壁主要受拉应力作用，厚度有所减小。而直壁与底之间的过渡圆角部被拉薄最严重。拉深件的凸缘部分受切向压应力作用，厚度有所增大。复习思考题1 比较落料和拉深工序的凸凹模结构及间隙有什么不同？为什么？2 试分析冲裁与成形时，板料经历的变形阶段和不同部位的变形特点。第5节 冲裁与成形工序 Metal Shearing and Forming Process一、冲裁工序冲裁-使坯料按封闭轮廓分离的工序，主要是指落料与冲孔工序。落料(dd14)-冲落部分为成品，余下的为废料；冲孔(dd38)-为了获得带孔的冲裁件，冲去的为废料。1凸模与凹模刃口尺寸的确定冲裁模合理间隙是由凸模与凹模刃口尺寸及其公差来保证的，因此必须正确决定冲裁模刃口尺寸。（1） 落料模：设计落料模时，以凹模为基准，按落料件先确定凹模刃口尺寸，然后根据间隙确定凸模刃口尺寸，即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值。（2） 冲孔模设计冲孔模时，以凸模为基准，按冲孔件先确定凸模刃口尺寸，然后根据间隙确定凹模刃口尺寸，即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值。由于冲模在使用过程中凸模与凹模会有磨损，结果使落料件尺寸增大，而冲孔件尺寸则随凸模的磨损而减小。为了保证零件的尺寸要求，并提高模具的使用寿命，落料时凹模刃口尺寸应靠近落料件公差范围内的最小尺寸。冲孔时，选取凸模刃口尺寸靠近孔的公差范围内的最大尺寸(td90)。2冲裁件的结构工艺性冲裁件的设计不仅应保证具有良好的使用性能，而且也应具有良好的工艺性能。（1） 冲裁件的形状冲裁件的形状应力求简单、对称。尽可能采用圆形或矩形等规则形状，应避免(td54)长槽或细长的悬臂结构(td55)。否则使模具制造困难，降低模具寿命。（2） 冲裁件的圆角冲裁件上直线与直线、曲线与直线的交接处，均应用适宜的圆角连接(td33)。因为圆角可以大大减少应力集中，有效地消除冲裁模开裂现象。冲裁件的最小圆角半径如表22所示。表2-2（3） 冲裁件的孔径及孔距冲裁件的孔径太小，凸模易折断和压弯，冲孔的允许最小尺寸与模具结构、材料性能及板料厚度有关。4. 弯曲(Bending)弯曲是将坯料弯成具有一定角度和形状的工艺方法。弯曲可以在压力机上使用弯曲模进行，也可以使用折板机、弯管机、滚弯机、拉弯机进行。1) 弯曲工艺及特点弯曲线-弯曲时应尽可能使弯曲线与坯料流线方向垂直(dd05)。若弯曲线与流线方向一致，则容易产生破裂(dd07)。此时应增大弯曲半径。回弹(Bending Spring)-在弯曲结束后，由于弹性变形的恢复，坯料略微弹回一点，使被弯曲的角度增大(dd06)。一般回弹角为010。因此在设计弯曲模时，必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角进行补偿，以便在弯曲回弹后得到准确的弯曲角度。2) 弯曲伸长与尺寸计算零件在弯曲时，弯曲圆角部分内侧受压缩而缩短，外侧受拉伸而伸长。从缩短过渡到拉长，应该有一层纤维既未缩短也未拉长，即它的长度在弯前与弯后并不改变，这一层纤维称为中性层。可以根据弯曲前、后中性层长度不变的原则来确定弯曲件的毛坯展开长度和尺寸。具体的计算方法是先把零件分成直线和圆弧部分，如图250，零件可分为1、2、3、4、5五段，直线部分1、3、5的长度，从零件所注尺寸经过换算可得，圆弧部分2、4的尺寸根据中性层位置计算可得。即弯曲件的展开长度应为：各个弯曲部分中性层长度计算如下：将g删除。当90时式中L弯曲件的展开长度，毫米；弯曲中心角，度；r弯曲件内表面的圆角半径，毫米；t弯曲件原始厚度, 毫米；x中性层系数，x值随r/t增大而增大,一般取值范围为0.20.5。图2-50对于r/t值较小的弯曲件，在计算弯曲件的展开长度时，可以先用上述公式进行初步计算，经过试压后才能最后确定合适的毛坯形状和尺寸。5. 拉深1) 拉深件质量分析圆筒形件拉深过程顺利进行的两个主要障碍是凸缘起皱和筒壁拉断。凸缘起皱-拉深过程中，凸缘材料在周向产生很大的压应力，这一压力犹如压杆两端受压失稳似的使凸缘材料失去稳定而形成皱褶，在凸缘最外缘处，切向压应力最大，因而成为起皱最严重的地方。如图2-54。筒壁拉断-当凸缘部分材料的变形抗力过大时，使得筒壁所传递的力量超过筒壁本身的极限抗拉强度，使得筒壁在最薄的凸模圆角处产生破裂，形成拉穿废品。如图2-55。图2-55图2-54图2-55为了防止起皱，需在凸缘上加压边力，此压边力又成为凸缘移动的阻力，此力与材料自身的变形阻力和材料通过凹模圆角时的弯曲阻力合在一起即成为拉深阻力。对于凸缘上产生的拉深阻力，如果不施加与之平衡的拉深力，则成形是无法实现的。此拉深力由凸模给出，它经过筒壁传至凸缘部分。筒壁为了传递此力，就必须能经受它的作用。筒壁强度最弱处为凸模圆角附近（即筒壁与底部的过渡圆角处），所以此处的承载能力大小就成了决定拉深成形能否取得成功的关键。拉深件出现破裂现象与下列因数有关：（1） 凸凹模圆角半径(t9-7) 拉深模的工作部分不能是锋利的刃口，必须做成一定的圆角。对于钢的拉深件，取r凹10t,而r凸（0.61）r凹。这两个圆角半径过小时，则容易将板料拉破。（2） 凸凹模间隙 拉深模的间隙远比冲裁模大，一般取单边间隙c=(1.11.2)t。间隙过小，模具与拉深件的摩擦力增大，易拉破工件和擦伤工件表面，且降低模具寿命。间隙过大，又容易使拉深件起皱，影响拉深件的尺寸精度。（3） 拉深方法 在改善拉深成形，提高成形极限的时候，应使拉深阻力（包括摩擦阻力）减少和提高筒壁的承载能力。为此，采用润滑，退火，温差成形，软模成形在拉深中非常常见。2) 拉深系数与拉深次数拉深系数-拉深件直径d与坯料直径D的比值(m=d/D)称为拉深系数，用m表示,其值一般为0.5-0.8。它是衡量拉深变形程度的指标。m越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大，坯料被拉入凹模越困难，易产生拉穿废品。一般情况下，拉深系数m不小于材料极限拉深系数。坯料塑性越好，材料极限拉深系数越小。多次拉深-如果拉深系数过小，不能一次拉深成形时，则可采用多次拉深工艺，但多次拉深过程中，加工硬化现象严重。为保证坯料具有足够的塑性，在一两次拉深后，应安排工序间的退火处理。其次，在多次拉深中，拉深系数应一次比一次大，以保证拉深件的质量，使生产顺利进行。总拉深系数等于各次拉深系数的乘积(m总=m1m2mn-1mn)。3) 拉深件的结构工艺性(1) 拉深件外形应简单、对称，深度不宜过大。以便使拉深次数最少，容易成形(td41,图2-57)。(2) 拉深件的圆角半径应取合适(td43，图2-58)。否则会增加拉深次数和整形工作，也增多模具数量，并容易产生废品和提高成本。(3) 拉深件的尺寸精度不宜要求过高。拉深件的制造精度包括直径方向的精度和高度方向的精度。在一般情况下，拉深件的精度不应要求过高。图2-5