第五六章其他冷冲压成形工艺与模具设计PPT课件.ppt

第五、六章 其它成形工艺与模具设计1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2第五、六章 其它成形工艺与模具设计内容简介：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。3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4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。5第一节 胀形图6-1 平板毛坯局部胀形示意图6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的7075来控制：（0.70.75）(6-1)73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；-板料抗拉强度，MPa；K-虑变形程度大小的系数，一般取071。83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：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200300，对于铜、铝为150200。（6-3）9二、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 1空心毛坯胀形的变形程度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。101 1空心毛坯胀形的变形程度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：(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有如下关系：K1+(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。11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；H-切边余量，一般取515mm；-材料切向最大伸长率，见表6-2。其前面的系数0.30.4决定了收缩量的大小。2空心毛坯胀形工序件的计算12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)133 3空心毛坯胀形方法空心毛坯胀形方法 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。143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15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16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17（2）软模胀形软模胀形软模胀形：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。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18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19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6-9 a）所示。图6-9 b）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。20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214、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：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；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。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。22图6-10 其它成形件5、其它成形件23图6-11起伏成形5、其它成形件24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。25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26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27一、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28一、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。29一、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。30(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。312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。32图6-15 非圆孔翻边示意图 2非圆孔翻边332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；为圆弧段中心角，0。上式适用于 180，当 180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。343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；S-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；b-板料抗拉强度(MPa)。354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。364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 374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1020，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。384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=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。394翻孔模设计图6-17 常用翻孔凸模形状示意图40二 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，主要变形是切向受压缩，因此称为压缩类翻边。外缘翻边按变形特点可分为伸长类和压缩类，按结构形式可分为四种：平面伸长翻边曲面伸长翻边平面压缩翻边曲面压缩翻边411、平面伸长翻边(1)平面伸长翻边的变形程度如图6-18所示，平面伸长翻边相当于翻孔的一部分，变形区的应力应变状态也与翻孔时相同。但圆孔翻边时应力应变的分布在同一半径处是均匀的，而外缘翻边时是很不均匀的，例如切向拉应力由中间的最大值向两端逐渐递减为零。平面伸长翻边的变形程度用翻边系数表示，其值见表6-8，并按下式计算：式中，b为毛坯上需翻边的高度；R为翻边线的曲率半径。（6-12）42图6-18 平面伸长翻边示意图1、平面伸长翻边432、平面压缩翻边图6-19为平面压缩翻边的示意图，毛坯具有外凸弧，半径r=R+b，R为翻边线的曲率半径，b为翻边宽度。外边缘的半径由较大变为较小，这表明切向受到了压缩。因此压缩翻边的变形特点是切向的压缩变形，而径向的伸长变形较小。翻边线是非封闭的，切向压应力和压应变沿切向分布是不均匀的，中间最大，两端最小，两侧对中间的压缩变形能起缓解作用。平面压缩翻边的变形程度可用翻边系数Kt表示，其值见表6-8，并按下式计算：(6-13)式中，b-毛坯上需翻边的宽度；R-翻边线的曲率半径。442、平面压缩翻边图6-19 平面压缩翻边的毛坯形状示意图45第三节 缩口重点及难点：缩口工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点学习目的与要求：1了解缩口工序的变形特点；2了解缩口模的结构特点。46第三节 缩口缩口：将管坯或预先拉深好的圆筒形件通过缩口模将其口部直径缩小的一种成形方法。如图6-20所示图6-20 缩口工艺47第三节 缩口缩口工序的变形如图6-21所示，变形区的金属受到切向压应力1和轴向压应力3的作用，在轴向3和厚度方向2产生伸长变形，切向1产生压缩变形。在缩口变形过程中，材料主要受切向压应力作用，使直径减少，壁厚和高度增加。图6-21缩口的应力变形状态示意图一、缩口变形特点48二、缩口系数由于切向压应力的作用，在缩口时坏料易失稳起皱，所以防止失稳是缩口工艺的主要问题。缩口的极限变形程度主要受失稳条件的限制。缩口变形程度用缩口系数m表示，其表达式为：（6-14）式中，d-缩口后直径；D-缩口前直径。49三、坯料尺寸计算1缩口次数与缩口系数的确定当计算出的缩口系数m小于极限缩口系数mmin时，工件需要进行多次缩口。各次缩口系数计算如下：首次缩口系数：m1=0.9m均 （6-15）再次缩口系数：m2=（1.051.10）m均（6-16）式中，m均-平均缩口系数，见表6-9。缩口次数按下式计算：n值计算后一般为小数，要归整。（6-17）502 2毛坯尺寸的计算毛坯尺寸的计算毛坯尺寸的主要设计参数是缩口毛坯高度H。对图6-21所示的不同缩口形式，根据体积不变原理，可得到如下公式（式中符号如图6-21所示）：图6-21a所示的斜口形式：图6-21b所示的直口形式：图6-21c所示的球面形式：（6-18）（6-19）（6-20）51图6-21 缩口形式a斜口形式 b直口形式 c球面形式2 2毛坯尺寸的计算毛坯尺寸的计算缩口凹模半锥角a对缩口成形起重要作用，一般使a45，最好使a在30以内。当模具具有合理的半锥角a时，允许的极限缩口系数mmin可以比平均缩口系数m均小10%15%。52四缩口力用无内支承模具进行缩口时，缩口力可用下式计算：式中，F-缩口力，N；t0-缩口前料厚，mm；D-缩口前直径，mm；d-缩口后直径，mm；b-材料抗拉强度，MPa；a-凹模圆锥半角；K-速度系数，用冲床时K=1.15；-工件与凹模接触面摩擦系数。（6-21）53五、五、缩口模设计实例缩口模设计实例如图6-22所示，工件名称：气瓶；生产批量：中批量；材料：08钢；料厚：1mm。1 1工件工艺性分析工件工艺性分析气瓶为带底的筒形缩口工件，可采用拉深工艺制成圆筒形件，再进行缩口成形。缩口时底部不变，仅计算缩口工序。图6-22 气瓶缩口件示意图 图6-23 缩口毛坯示意图54五、五、缩口模设计实例缩口模设计实例2 2工艺计算工艺计算（1）计算缩口系数：d=35mm，D=5020.5=49mm，则缩口系数m=d/D=35/49=0.71。因为该工件是有底的缩口件，所以只能采用外支承方式的缩口模具，查表得6-10得极限缩口系数mmin=0.6，mmmin，可一次缩口成形。（2）计算缩口前毛坯高度H：由图6-22可知，h1=79mm，计算毛坯高度为：55取H=99.5mm，缩口前拉深制成的圆筒形件如图6-23所示。（3）计算缩口力：已知凹模与工件的摩擦系数为=0.1，材料b=430Mpa，则缩口力F为：2 2工艺计算工艺计算563缩口模结构设计缩口模采用外支承式一次成形，缩口凹模工作面要求表面粗糙度Ra为0.4m，使用标准下弹顶器，采用后侧导柱架，导柱、导套加长为210mm。考虑到模具闭合高度为275mm，选用400kN开式可倾压力机。缩口模结构如图6-24所示。57图6-24 气瓶缩口模示意图3缩口模结构设计1顶杆 2下模板 3、14螺栓 4、11销钉 5下固定板6垫板 7外支承套8缩口凹模 9顶出器10上模板 12打料板13模柄 15导柱 16导套58重点及难点：校形与整形工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点学习目的与要求：1、了解校形与整形工序的变形特点；2、了解校形与整形的结构特点。第四节 校形与整形59校形：通常指平板工序件的校平和空间形状工序件的整形。目的：（1）只在工序件局部位置使其产生不大的塑性变形；（2）模具的精度比较高；（3）所用设备最好为精压机。若用机械压力机时，机床应有较好的刚度，并需要装有过载保护装置。校平和整形工序的共同特点：使冲压件获得高精度的平面度、圆角半径和形状尺寸。第四节 校形与整形60校平方式：平板零件的校平模形式：一、校平和加热校平法校平力可按下式计算：模具校平、手工校平、在专门校平设备上校平。光面校平模、齿形校平模第四节 校形与整形61图6-25 光面校平模）上模浮动式）下模浮动式第四节 校形与整形62图6-26 齿形校平模）尖齿齿形）平齿齿形第四节 校形与整形63整形：指在弯曲、拉深或其它成形工序之后对工序件的整形。目的：二、整形整形模的特点：整形力可按下式计算：使工序件某些形状和尺寸达到产品的要求，提高精度。与前工序的成形模相似，但对模具工作部分的精度、粗糙度要求更高，圆角半径和间隙较小。第四节 校形与整形64弯曲件的整形方法：压校和镦校。无凸缘拉深件的整形：三、整形（续）带凸缘拉深件的整形部位常常有：通常取整形模间隙等于（0.90.95），即采用变薄拉深的方法进行整形。凸缘平面、侧壁、底平面和凸模、凹模圆角半径。第四节 校形与整形65图6-27 弯曲件的整形 ）压校）、）镦校第四节 校形与整形三、整形（续）66图6-28 拉深件的整形第四节 校形与整形67第五节 旋压重点及难点：旋压工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点学习目的与要求：1、了解旋压工序的变形特点；2、了解旋压模的结构特点。68第五节 旋压旋压旋压：将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。优点优点：设备和模具都较简单，除可成形各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。缺点缺点：生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产。69第五节 旋压1.普通旋压变形特点点接触两种变形：赶棒直接接触的材料产生局部凹陷的塑性变形；坯料沿着赶棒加压的方向大片倒伏。一、普通旋压工艺旋压的基本要点：（1）合理的转速（2）合理的过渡形状（3）合理加力 706-29 普通旋压1顶块2赶棒3模具4卡盘一、普通旋压工艺712.旋压成形极限变形程度以旋压系数表示：一、普通旋压工艺（续）坯料直径可按等面积法等面积法求出，但旋压时材料的变薄较大些，因此应将理论计算值减小减小57。圆筒形件的极限旋压系数可取为：圆锥形件的极限旋压系数可取为：当工件需要的变形程度较大（即较小）时，便需多次旋压。多次旋压时必须进行中间退火。第五节 旋压72第五节 旋压1.变薄旋压变形特点（1）无凸缘起皱，也不受坯料相对厚度的限制，可一次旋压出相对深度较大的零件。一般要求使用功率大、刚度大并有精确靠模机构的专用强力旋压机。（2）局部变形，因此变形力比冷挤压小得多。（3）经强力旋压后，材料晶粒紧密细化，提高了强度，表面质量也比较好，表面粗糙度Ra可达0.4。二、变薄旋压工艺73第五节 旋压2.变薄旋压成形极限变形程度二、变薄旋压工艺（续）用模具的半锥角当时，所以极限变薄率和极限半锥角的关系为：也可以表示变薄旋压的变形程度。74总结1、其它冲压成形是指除了弯曲和拉深以外的冲压成形工序。包括胀形、翻边、缩口、旋压和校形等冲压工序。2、成形工序的共同特点是通过局部的变形来改变坯料的形状。3、成形工序中，胀形和翻孔属于伸长类成形，成形极限主要受变形区内过大的拉应力而破裂的限制。缩口和外缘翻凸边属于压缩类成形，成形极限主要受变形区过大的压应力而失稳的限制。7576