第章其它成形工艺及模具设计方案

1、第五章 其它成形工艺及模具设计在冲压生产中，除常用的冲裁、弯曲和拉深等工序外，还有胀形、翻边、缩口、旋 压、校形等基本工序。每种工序都有各自的变形特点，它们可以是独立的冲压工序，如空 心零件胀形、钢管缩口、封头旋压等，但在生产中往往和它还和其它冲压工序组合在一起 成形一些复杂形状的冲压零件。这些成形工序的共同特点是通过材料的局部变形来改变皮 料或工序间的形状，但各自的变形特点差异较大。下面分别介绍胀形、翻边和缩口等成形 工序的变形特点、成形工艺和模具设计的基本方法。5.1胀形胀形与其它冲压成形工序的主要不同之处是，胀形时变形区在板面方向呈双向拉应力 状态，在板厚方向上是减薄，即厚度减薄表面积增

2、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；波纹管、高压气瓶、球形容器等空心毛坯的胀形；管接头的 管材胀形；飞机和汽车蒙皮等薄板的拉张成形。汽车覆盖件等曲面复杂形状零件成形时也 常常包含胀形成分。常用的胀形方法有钢模胀形和以液体、气体、橡胶等作为施力介质的软模胀形。软模 胀形由于模具结构简单，工件变形均匀，能成形复杂形状的工件，如液压胀形、橡胶胀 形；另外高速、高能特种成形的应用越来越受到人们的重视，爆炸胀形、电磁胀形等。5.2.1胀形变形特点与胀形极限变形程度1.胀形变形特点图5.1.1所示，为球头凸模胀形平板毛坯时的胀形变形区及其主应力和主应变图。图 中涂黑部分表示胀形变

3、形区。胀形变形具有如下特点:图5.1.1?胀形变形区及其应力应变示意图0,径向应力0,周向应变& 0 0,径向应变& p 0,厚向应变& t0，且在球头凸模胀形时的底部二二和=& p =0.5| & t |。所以，胀形变形属板平面方向的双向拉伸应力状态，变形主要是由 材料厚度方向的减薄量支持板面方向的伸长量而完成的，变形后材料厚度减薄表面积增 大。胀形属伸长类变形。2）胀形变形时由于毛坯受到较大压边力的作用或由于毛坯的外径超过凹模孔直径的34倍，使塑性变形仅局限于一个固定的变形范围，板料不向变形区外转移也不从变形区外进 入变形区。3）由于胀形变形时材料板面方向处于双向受拉的应力状态，所以变形不

4、易产生失稳起皱 现象，成品零件表面光滑，质量好。成形极限主要受拉伸破裂的限制。4）由于毛坯的厚度相对于毛坯的外形尺寸极小，胀形变形时拉应力沿板厚方向的变化很 小，因此当胀形力卸除后回弹小，工件几何形状容易固定，尺寸精度容易保证。对汽车覆 盖件等较大曲率半经的零件的成形和有些零件的冲压校形，常采用胀形方法或加大其胀形 成分的成形方法。2.胀形极限变形程度胀形的极限变形程度是零件在胀形时不产生破裂所能达到的最大变形。各种胀形的成 形极限的表示方法，因不同的变形区分布及模具结构、工件形状、润滑条件、材料性能等 因素的影响各不相同，如胀形系数、胀形深度、双向拉应力下的成形极限图FLD等，管形毛坯胀形时

5、常用胀形系数表示成形极限，压凹坑等板料胀形时常用胀形深度表示成形极 限。胀形系数、胀形深度等方法是以材料发生破裂时试样的某些总体尺寸达到的极限值来 表示的。胀形极限变形程度主要取决于材料的塑性和变形的均匀性：塑性好，成形极限可提高；应 变硬化指数n值大，可促使变形均匀，成形极限也可提高；润滑、制件的几何形状、模具 结构等，凡是可以使胀形变形均匀的各种因素，均能提高成形极限，如平板毛坯的局部胀 形，同等条件下圆形比方形或其它形状的胀形高度值要大。此外，材料厚度增加，也可以 使成形极限提高。?5.1.2平板毛坯的起伏成形平板毛坯在模具的作用下发生局部胀形而形成各种形状的凸起或凹下的冲压方法称为起伏

6、成形，起伏成形主要用于加工加强筋、局部凹槽、文字、花纹等，如图5.1.2所示。由宽凸缘圆筒形零件的拉深可知，当毛坯的外径超过凹模孔直径的34倍时，拉深就变成了胀形。平板毛坯起伏成形时的局部凹坑或凸台，主要是由凸模接触区内的材料在双 向拉应力作用下的变薄来实现的。起伏成形的极限变形程度，多用胀形深度表示，对于形 状比较简单的零件可以近似地按单向拉伸变形处理，即：h-h& 极=X 100%c 11 图5.1.2起伏成形a加强筋；b局部凹坑欲要提高胀形极限变形程度，可以采用图5.1.4所示的两次胀形法：第一次用大直径的球头凸模使变形区达到在较大范围内聚料和均化变形的目的，得到最终所需的表面积材料；

7、第二次成形到所要求的尺寸。如果制件圆角半径超过了极限范围，还可以采用先加大胀形 凸模圆角半径和凹模圆角半径，胀形后再整形的方法成形。另外，降低凸模表面粗糙度 值、改善模具表面的润滑条件也能取得一定的效果。图5.1.4两次胀形示意图？图5.1.3起伏成形变形区变形前后截面的长度1. 压加强筋常见的加强筋形式和尺寸见表5.1.1。加强筋结构比较复杂，所以成形极限多用总体尺寸表示。当加强筋与边框距离小于33.5 ) 一时，由于在成形过程中，边缘材料要向内收缩，成形后需增加切边工序，因此应预留切边余量。多凹坑胀形时，还要考虑到凹坑之间 的影响。用刚性凸模压制加强筋的变形力按式5.1.2 ）计算:F =

8、 KLt d b5.1.2 ）式中？：变形力N）;一一系数，一 =0.71，加强筋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值;I加强筋的周长=）;一一料厚W；）;d b 材料的抗拉强度 MPa软模胀形的单位压力可按式5.1.3 ）近似计算 不考虑材料厚度变薄）I:=_ 2. d b5.1.3 ）式中/ 单位压力；一一形状系数，球面形状 _ =2，长条形筋一 =1;1球半径或筋的圆弧半径;d b 材料的抗拉强度 t(2 3t(1 2t(7 10 t一 a 一(1.5 2t(0.5 1.5 t 3h1503002. 压凹坑压凹坑时，成形极限常用极限胀形深度表示，如果是纯胀形，凹坑深度因受材料塑性限制不能太

9、大。用球头凸模对低碳钢、软铝等胀形时，可达到的极限胀形深度h约等于球头直径d的1/3。用平头凸模胀形可能达到的极限深度取决于凸模的圆角半径，其取值范围见 表 5.1.2。表5.1.2平板毛坯压凹坑的极限深度简图材料吕软钢黄铜极限深度h 0.15 0.20 ) 0.10 0.15 ) 0.15 0.22 )若工件底部允许有孔，可以预先冲出小孔，使其底部中心部分材料在胀形过程中易于向外 流动，以达到提高成形极限的目的，有利于达到胀形要求。5.1.3 空心毛坯的胀形 空心毛坯胀形是将空心件或管状坯料胀出所需曲面的一种加工方法。用这种方法可以成形高压气瓶、球形容器、波纹管、自行车多通接头图5.1.5

10、）等产品或零件。图5.5.6、图5.5.7分别是钢模胀形和软模胀形示意图。圆柱形空心毛坯胀形时的应力状态如图55.5.8所示，其变形特点仍然是厚度减薄，表面积增加。图5.1.5自行车多通接头图5.1.6?钢模胀形图5.1.7自行车多通接头软模胀形1-凹模；2-分瓣凸模；3-锥形芯轴1、4-凸模压柱；2-分块凹模；3-模套4-拉簧；5-毛坯；6-顶杆；7-下凹模图5.1.6所示刚模胀形中，分瓣凸模2在向下动时因锥形芯轴 3的作用向外胀开，使毛坯5胀形成所需形状尺寸的工件。胀形结束后，分瓣凸模在顶杆6的作用下复位，拉簧使分瓣凸模合拢复位，便可取出工件。凸模分瓣越多，所得到的工件精度越高，但模具结构

11、复 杂，成本也较高。因此，用分瓣凸模钢模胀形不宜加工形状复杂的零件。图5.1.7所示自行车多通接头软模胀形中，凸模压柱1、4将力传递给橡胶棒等软体介质,软体介质再将力作用于毛坯上使之胀形，材料向阻力最小的方向变形，并贴合于可以分开 的凹模2，从而得到所需形状尺寸的工件。冲床回程时，橡胶棒复原为柱状，下模推出分 块凹模取出工件。1. 胀形系数空心毛坯胀形的变形程度用5.1.4 )式胀形系数表示，即:d mix一二二.5.1.4) 式中，K为胀形系数，一表示极限胀形系数 一；亠-达到胀破时的极限值 max);为毛坯直径；一；亠？为胀形后工件的最大直径。极限胀形系数与工件切向延伸率的关系式为:加 S

12、ue JE/o合=： .= _.-15.1.5 )或 _=1+ S 5.1.6 )图5.1.8?圆柱形空心毛坯胀形时的应力表5.1.3是一些材料的极限胀形系数和切向许用延伸率的实验值。如采取轴向加压或对变形区局部加热等辅助措施，还可以提高极限变形程度。表5.1.3?极限胀形系数和切向许用延伸率材料厚度刪）极限胀形系数K切向许用延伸率&X 100L1,L21.01.2828纯铝？L3,L41.51.3232L5,L62.01.3232铝合金LF21-M0.51.2525黄铜H620.5 1.01.3535H681.5 2.01.4040低碳钢08F0.51.202010,201.01.2424不

13、锈钢1Cr18Ni9T0.51.26261.01.28282.胀形力钢模胀形所需压力的计算公式可以根据力的平衡方程式推导得到，其表达式为:b b . - ；： 5.1.7 )式中？一所需胀形压力；一I 胀形后高度；f材料厚度；丄：一摩擦系数，一般卩=0.150.20 ;一芯轴锥角，一般3 =80、100、120、150;b b 材料的抗拉强度。软模胀形圆柱形空心毛坯时，所需胀形压力甞，为成形面积，单位压力 /可按下式计算：t t+懈一/ =2 b b（一:二二） （5.1.8 ）式中，匸为约束系数，当毛坯两端不固定且轴向可以自由收缩时=0,当毛坯两端固定且轴向不可以自由收缩时 匸=1;其它符号

14、的意义见图5.1.8所示。3. 胀形毛坯尺寸的计算圆柱形空心毛坯胀形时，为增加材料在周围方向的变形程度和减小材料的变薄，毛坯两端一般不固定，使其自由收缩。因此，毛坯长度- 见图5.1.8 ）应比工件长度增加一定的收缩量。毛坯长度可按下式近似计算：“=亠1+式中？二一工件的母线长度（：=;3工件切向延伸率 。5.1.4胀形模设计举例如图5.1.9所示胀形零件罩盖，生产批量为中批，材料为 10号钢，料厚0.5 mm,设计该零 件的模具。简图5-9所示；1. 零件成形工艺分析该零件侧壁属空心毛坯胀形，底部属起伏成形，具有胀形工艺的典型特点，筒形半成品毛 坯由拉深获得。2. 工艺计算1）底部压凹坑计算

15、查表5.1.2并计算得：极限胀形深度h=0.150.20 ） d =2.253 ） mm,此值大于工件底部凹坑的实际高 度2 mm,可以一次胀形就能获得底部压凹尺寸。压凹坑所需成形力由式 5.1.2 ）计算取 d b=430MPa :=0.7 X n X 15X 0.5 X 430=7088.55N)2）侧壁胀形计算胀形系数二由式5.1.4 ）计算:血诳46.8_l= 丁 =1.2查表5.1.3 ）得极限胀形系数为1.24。该工序的胀形系数小于极限胀形系数，侧壁可以一次胀成型。侧壁胀形的单位压力近似按两端不固定形式计算，m=0 d b=430MPa由式=2X 4300.5 -46.8 + 0X

16、 0.5 - 2X 60)=n 一： Ll. lp =3.14 X 46.8 X 40X 9.19=54019.55N加皿-的口 46.8-39胀形前毛坯的原始长度 由式5.1.9 ）计算，S = .心 = 厂=0.2，可以计算工件母线长 40.8 ,1 :，取修边余量 : =3紳:，则:：-=_1+0.3 0.4 ) S + ； =40.81+0.35 X 0.2+3=46.66.)上取整为47：=，则胀形前毛坯取为外径为39佇由：、高47X的圆筒形件。3）总成形力F -严压凹+ Fm =7088.55+54019.55= 61108.1N =61.11b图522圆孔翻边及其应力应变分布示意

17、图图5.2.3非圆孔a圆孔翻边b 应力应变分布对于非圆孔的内孔翻边，如图5.2.3所示，变形区沿翻边线其应力与应变分布是不匀的。在翻边高度相同的情况下，曲率半径较小的部位，切向拉应力和切向伸长变形较大； 而曲率半径较大的部位，切向拉应力和切向伸长变形较小。直线部位与弯曲变形相似，由 于材料的连续性，曲线部分的变形将扩展到直线部位，使曲线部分的切向伸长变形得到一 定程度的减轻。2. 圆孔翻边的极限变形程度圆孔翻边的变形程度用翻边系数表示，翻边系数为翻边前孔径与翻边后孔径 D的比值，其表达式见 5.2.1。do识二=(5.2.1显然，值越小，变形程度越大。当翻边孔边缘不破裂所能达到的最小翻边变形程

18、度为极限翻边系数，极限翻边系数用min表示。表5.2.1给出了低碳钢的一组极限翻边系数值。表5.2.1低碳钢的极限翻边系数min凸模形 状预制孔 形状预制孔相对直径do/f10050352015108531球形凸模钻孔0.700.600.520.450.400.360.330.300.250.20冲孔0.750.650.570.52 0.480.450.44 0.420.42平底凸 模钻孔0.800.700.600.500.450.420.400.350.300.25冲孔0.850.750.650.600.550.520.500.480.47注：采用表中min值时，实际翻边后口部边缘会出现小的

19、裂纹，如果工件不允许开裂,则翻边系数须加大 10%- 15%非圆孔翻边较圆孔翻边的极限翻边系数要小一些，其值可按下式近似计算:fm mm :(5.2.2式中，=!.为圆孔翻边的极限翻边系数；汙为曲率部位中心角。式1800或直边部分很短时，直边部分的影响已 不明显，极限翻边系数的数值按圆孔翻边计算。影响极限翻边系数的主要因素有：1）材料的塑性材料的延伸率S、应变硬化指数、和各向异性系数越大，极限翻边系数就越小，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， 极限翻边系数就越小，有利于翻边。目前，预制孔主要用冲孔或钻孔方法加工，表5.2.1

20、中数据显示，钻孔比冲孔的T：min小。但采用冲孔方法生产效率高，冲孔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。采取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。3）预制孔的相对直径如表5.2.1所示，预制孔的相对直径 丿-/ 一越小，极限翻边系数越小，有利于翻边。4）凸模的形状表5.2.1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，

21、更容易 使孔口部产生塑变形。所以相同翻边孔径D和材料厚度t时，可以翻边的预制孔径更小，因而极限翻边系数就越小。3. 内孔翻边的工艺设计 (5232 空2: = ： min 时，一_二。生产1 = (1-二 +0.43，+0.72 ： =(1- +0.43 1 +0.72 (5.2.4上式是按中性层长度不变的原则推导的，是近似公式，当 实际中往往通过试冲来检验和修正计算值。拉深后再翻边当匸w min时，可采用先拉深后翻边的方法达到要求的翻边高度，如图5.2.5所示。这时应先确定翻边高度 h，再根据翻边高度确定预制孔直径 d0和拉深高度h,从图 中的几何关系可得：D-df)2十+尹彳讥）辽5+5(

22、5.2.5:仁1 - + +上式中当匸=匸min时，=.丄，此时有最小拉深高度.一i_L.。可以根据极限翻边系 数求得最小预制孔直径一i_.h,lminl，也可以根据式（5.2.5求得。d 0=D+i.i4 r -2 力(5.2.7先拉深后翻边的方法是一种很有效的方法，但若是先加工预制孔后拉深，则孔径有可 能在拉深过程中变大，使翻边后达不到要求的高度。2）凸、凹模形状及尺寸翻边凸模的形状有平底形、曲面形4。凹模圆角半径可以直接按工件要求的大小设计，但当工件凸缘圆角半径小于最小值时应加整形工序。图5.2.6翻边凸、凹模形状及尺寸。若翻边成螺纹底孔或需与轴配 合的小孔，则取c=0.7 一左右。4）

23、翻边力与压边力在所有凸模形状中，圆柱形平底凸模翻边力最大，其计算公式为:=1.1 匚一(. b (5.2.8式中（T b材料的抗拉强度。曲面凸模的翻边力可选用平底凸模的翻边力的b图5.2.7?外缘翻边卜、 内凹外缘翻边. 外凸缘翻边翻边近似，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。图5-17 ：所示是外凸缘翻边 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。2. 极限变形程度内凹外缘翻边的变形程度用翻边系数丄表示：Ei - - ；529 )外凸缘翻边的变形程度用翻

24、边系数匚表示：Ey= 上，:(%用橡胶成形用模具成形用橡胶成形用模具成形L4M6402530L4Y131258LF21M6402330LF21Y131258LF2M6352025LF3Y131258LY12M6301420LY12Y0.5968LY11M4301420LY11Y0056H62软8453040H62半硬4161014H68软8553545H68半硬416101410一10一3820一10一221Cr18Ni9 软一10一151Cr18Ni9 硬一10一403. 平面外缘翻边的毛坯尺寸内凹外缘翻边的毛坯形状计算可参照内孔翻边的方法计算，外凸缘翻边的毛坯形状计 算可参照浅拉深的方法计

25、算。但是，在确定毛坯最后形状和尺寸时，如果翻边高度较大， 应对毛坯轮廓进行修正，如图5.2.7所示。最终通过试模来确定毛坯尺寸。5.2.3变薄翻边变薄翻边是使已成形的竖边在较小的凸、凹模之间间隙中挤压，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。变薄翻边常用于M5以下的小螺纹底孔翻边，此时凸模下方材料的变形与圆孔翻边相似，但竖边的最终壁厚和高度是靠凸、凹模间的挤压变薄来达到的。变薄翻边的变形程度用变薄系数表示，其表达式为：5.2.13 )式中，一一 =0.40.55 ;为工件竖边厚度；为毛坯厚度。有关变薄翻边的设计工艺参

26、数参考冲压设计资料。5.2.4 翻边模结构设计及举例图5.2.8所示为内孔翻边模,其结构与拉深模基本相似。图5.2.9所示为落料、拉深、冲孔、翻边复合模。拉深冲孔凸凹模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压人落料拉深凸凹模I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，首先落料拉深凸凹模1的落料刃口与凹模 4的作用下落料。上模继续下行，在凸凹模I的内壁和凸凹模8的外壁相互作用下将坯料拉深，冲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。当拉深到设计深度后由冲孔凸模2和凸凹模8的内壁刃口进行冲孔，

27、在模具继续下行的冲程中完成翻边。当上模回程时，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。1、8-凸凹模；2-冲孔凸模；3-推件块；4-落料凹模；5-顶件块；6-顶杆；7-固定板；卸料板；10垫片图528内孔翻边模图529落料、拉深、冲孔、翻边复合模图5.2.10为内外缘翻边复合模，毛坯套在件上定位，同时件7又是内缘翻边的凹模，为保证件7的位置准确与外缘翻边凹模 3按H7/h6配合装配。压料板 5即起压料作用，同时又 起整形作用，在冲压至下止点时，应与下模刚性接触，成形结束后，改件起到顶件作用。图 5.2.100.5 1.01.0黄铜0.850.80 0.700.70 0.65

28、软钢0.850.750.70 0.65表532 不同模具结构的极限缩口系数 -Clili材料模具结构形式无支承外支承内外支承软钢0.70 /7.750.55 -0.600.30 -0.35黄铜 H62、H68)0.65 /7.700.50 -0.550.27 -0.32铝0.68 /7.720.53 -0.570.27 -0.32硬铝 退火）0.73 /7.800.60 -0.630.35 -0.40硬铝 淬火）0.75 /7.800.68 -0.720.40 -0.435.3.2缩口工艺计算1.缩口次数及其缩口系数确定当计算出的缩口系数 ：小于极限缩口系数时，要进行多次缩口，其缩口次数 由下

29、式确定：= lg-lg：5.3.2)式中二二为总缩口系数，二二；mO为平均缩口系数，其值参见表5.3.1;的计算值一般是小数，应进位成整数。多次缩口工序中第一次采用比平均值mO小10%勺缩口系数，以后各次采用比平均值mO大5% 10%勺缩口系数。考虑材料的加工硬化以及后续缩口可能增加的生产成本等因素， 缩口次数不宜过多。2.毛坯尺寸计算毛坯尺寸的主要设计参数是缩口毛坯高度 以，按照图5.3.3所示的不同的缩口形式，根据 体积不变条件，可得如下毛坯高度计算公式：斜口形式，円=11.爲+兰二斗1+糾8加以 丿533 ）直口形式，fei+Aa_ P2-d2(D 8Dsin534 )球面形式,DD-dA5.3.5 )3. 缩口力在有外支承和无