冲压工艺与模具设计-第5章-其他冲压成形方法.doc

第5章 其他冲压成形方法从表1.2可见，除弯曲和拉深外，成形工序中还有很多方法，其中比较常用的有胀形、翻边、扩口、缩口等。这些工序的基本特征为局部变形，因此，也常统称为(狭义)成形工序。成形工序一般安排在冲裁、弯曲、拉深之后。5.1 胀 形板料/空心工序件/空心半成品在双向拉应力作用下，产生扩张(鼓凸)变形，获得表面积增大(厚度变薄)的制件的冲压成形方法称为胀形。常见的胀形件有板料的压花(筋)件、肚形搪瓷制品、自行车管接头、波纹管等，以及汽车车身的某些覆盖件。胀形的种类可从坯料形状、坯料所处状态、所用模具、所用能源、成形方式等角度作出区分，其中最基本的是按变形区所占比例划分为局部胀形和整体胀形，最常用的是平板坯料局部胀形和空心坯料胀形。5.1.1 胀形变形特点图5.1所示为圆形板料局部胀形，坯料的外环部分在足够大的压力下不发生流动，仅在直径为d的区域内坯料产生变形，变形的结果是板料变薄、表面积增大。从第4章中拉深系数的概念还可得知，当坯料的外径与成形圆筒直径的比值D/d3时，外环形部分的材料产生切向收缩所需的径向拉应力很大，成为相对于中心部分的强区，以至于环形部分材料不可能向凹模内流动。显然，胀形变形区内材料承受大小不等的双向拉应力，并产生伸长类变形。正是由于这种应力状态，变形区不会产生起皱现象，成形后制件的表面光滑、规整。同时，由于变形区材料截面上拉应力沿厚度方向分布比较均匀，所以卸件后的弹复很小，容易得到精度较高的制件。因此，可以用胀形的方法来整形，提高冲压件的精度和表面质量。图5.1 胀形变形区5.1.2 平板坯料局部胀形平板坯料局部胀形又叫起伏成形，它是依靠平板材料的局部拉伸，使坯料或制件局部表面积增大，形成局部的下凹或凸起。生产中常见的有压花、压包、压字、压筋等(如图5.2所示)。经过起伏成形后的制件，由于形状改变引起惯性矩发生变化，再加上材料的冷作硬化作用，所以能够有效地提高制件的刚度和强度。在起伏成形中，由于摩擦力的关系，变形区材料的变薄、伸长并不均匀。在某个位置上最为严重，该部位的伸长应变最先达到最大值。若进一步增大变形程度，即会发生迸裂。图5.2 起伏成形起伏成形的极限变形程度由许可的拉伸变薄量决定，主要受材料性能、制件几何形状、模具结构、胀形方法及润滑条件等因素影响，很难用某种计算方法来准确表示。特别是复杂形状的制件，成形部分各处的应力应变分布比较复杂，计算的结论误差比较大。所以，其危险部位和极限变形程度一般通过试验方法确定。但对于比较简单的筋条类起伏成形件(如图5.3所示)，则可按下式近似地确定其极限变形程度n=(ll0)/l0(0.700.75)式中：n 极限变形程度；l0 起伏成形前材料的长度；l 起伏成形后制件轮廓的长度；图5.3 起伏成形前后材料的长度材料单向拉伸的伸长率。系数(0.700.75)视局部胀形的形状而定，球形筋取大值，梯形筋取小值。如果制件要求的局部胀形量超过极限变形程度，可以采用分步方法解决(如图5.4所示)。第1道工序胀成大直径的球形(或锥形)，以求在较大范围内聚料和尽可能地均匀变形。第2道工序再得到所要求的尺寸。第1道成形的表面积应略小于最后成形的表面积，以便通过第2次成形使表面积再略微增大，起到整形作用，避免制件起皱。压筋、压凸的形式和尺寸可参考表5.1。当起伏成形的筋(或包)与制件外边缘的距离小于3倍板料厚度时，成形过程中边缘材料会向内收缩(如图5.5所示)。对于要求较高的制件应预先留出切边余量，成形后修切整齐。也可以增大压边力，阻止材料向内滑动，保持边缘规整。图5.4 深度较大的局部胀形法图5.5 起伏成形距边缘的最小尺寸表5.1 压筋压凸的形式和尺寸名 称图 例RhD或Bra()压 筋(34)t(23)t(710)t(12)t压 凸(1.52)t3h(0.51.5)t1530图 例D/mmL/mmt/mm6.51068.5137.510.5159131811152213182616243420314426365130436035486840557845在曲柄压力机上对薄板(t1.5mm)、小制件(面积A0.51.01.0黄铜0.850.800.700.700.65钢0.800.750.700.65表5.8 允许缩口系数材 料支 承 方 式无 支 承外 支 承内 外 支 承软 钢0.700.750.550.600.30.35黄铜H62、H680.650.700.500.550.30.32铝0.680.720.530.570.270.32硬铝(退火)0.730.800.600.630.350.40硬铝(淬火)0.750.800.680.720.400.435.4.2 缩口模基本结构典型的缩口模具形式如图5.25所示，缩口时工序件/半成品由夹紧装置夹紧，夹紧力通过上模套筒与下模外圆紧配实现，也可通过斜楔装置实现。缩口模具的支承形式有3种。无支承(如图5.23所示)的模具结构简单、造价低，但稳定性差，一般只在厚壁坯料上采用；外支承形式(图5.26(a)的模具较前者复杂一些，但缩口稳定性较好，许可缩口系数可取小些，这种形式生产中采用较多；内外支承形式(图5.26(b)的模具结构最复杂，但由于应力状态理想、稳定性最好，一般在薄壁筒形件中使用。图5.25 缩口模原理图图5.26 不同支承方法的缩口模1压簧；2芯座；3活动夹紧环；4套筒；5缩口凹模；6推件器(兼内支承作用)5.4.3 缩口工艺计算1. 缩口次数若制件的缩口系数m小于允许的缩口系数，可采用多次缩口工艺。先确定缩口次数n。缩口总次数n = 式中：dn 缩口的最终直径(中径)；D 坯料/工序件/半成品直径(中径)；m0平均缩口系数(表5.7)。m0 = = 式中：d1，d2，dn分别为第1，2，n次缩口后制件的中径。首次缩口系数m1=0.9m0，再次缩口系数m2=(1.051.10)m0 。需要注意的是，材料变形后的冷作硬化现象会影响缩口系数。缩口次数愈多，缩口系数愈大。缩口后，制件端部壁厚略有增大，一般可忽略不计。若需要较准确的数据，可按下式估算：tn=式中：tn，缩口后与缩口前的厚度；dn，缩口后与缩口前的中径。2. 缩口坯料高度缩口制件的基本类型有3种，如图5.27所示。缩口坯料高度H的计算如下。图5.27 缩口制件的基本类型图5.27(a)所示形式H=1.05图5.27(b)所示形式H=1.05+上述两个式子中为缩口模的半锥角，一般小于45，最好小于30。这点在冲压件结构设计时应尽量给予考虑。图5.27(c)所示形式H=h1+缩口后由于回弹，制件要比模具尺寸增大0.5%0.8%。缩口制件精度要求较高时，模具难以一次设计制造到位，最好通过多次试验修正确定。3. 缩口力缩口力的大小与缩口件的形状、变形程度、冲压设备及模具结构形式有关，很难精确计算。对于图5.26(a)所示的锥形缩口件，在无芯轴内支承时其缩口力可按下式计算P=k式中：P缩口力(N)；t缩口前板料厚度(mm)；D缩口前直径(中径，mm)；d制件缩口部位直径(mm)；制件与凹模接触面摩擦系数；材料屈服强度(MPa)；凹模圆锥半锥角；k速度系数，在曲柄轴压力机上工作时，k = 1.15。注意对已冷作硬化的制件，取值应比该材料的屈服强度大。