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 51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。 511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Dd>3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
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/d＞3 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
中压工艺与模具设计 512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52 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,即会发生进裂。 修边线 (a)压花 (b)压包 (c)压字 )压筋 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 6n=(-l0)/<(0.70~0.75)0 式中:δn——极限变形程度; o一起伏成形前材料的长度 1—一起伏成形后制件轮廓的长度 AA放大 图5.3起伏成形前后材料的长度
174 冲压工艺与模具设计 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=(l－l0)/l0＜(0.70～0.75) 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
第5章其他冲压成形方法 δ——材料单向拉伸的伸长率 系数(0.70~0.75)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54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51。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。 b<3时 (a)预成形 (b)最后成形 图54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51压筋压凸的形式和尺寸 压筋 (3-4)(2-3)(7-10 (1~2) 凸 (1.5~2≥3(05-1.5)15-30 D/mm L/mm 6.5 10 13 18 16 31 40
第 5 章 其他冲压成形方法 175 ——材料单向拉伸的伸长率。 系数(0.70~0.75)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 R h D 或 B r a(°) 压 筋 (3~4)t (2~3)t (7~10)t (1~2)t — 压 凸 — (1.5~2)t ≥3h (0.5~1.5)t 15~30 图 例 D/mm L/mm t/mm 6.5 10 6 8.5 13 7.5 10.5 15 9 13 18 11 15 22 13 18 26 16 24 34 20 31 44 26 36 51 30 43 60 35 48 68 40 55 78 45
中压工艺与模具设计 在曲柄压力机上对薄板(κ<1.5mm)、小制件(面积A<200m2)进行局部胀形时(加强筋除 外)其冲压力可按下式近似计算: 式中:P一一冲压力(N) A—一胀形面积(mm2) ——板料厚度(mm) K——系数,钢K=(200~300)N/mm4,黄铜K=(50~200)N/mm4 加强筋所需冲压力可按下式近似计算 P=Lto. K 式中:P一—冲压力(N) L一—胀形区的周边长度(mm ——板料厚度(mm) 材料抗拉强度(MPa) K—一系数。一般K=0.7~10,筋窄而深取大值,反之取小值 513空心坯料胀形 1.极限胀形系数 空心坯料的胀形俗称凸肚成形,成形时材料沿径向拉伸,将空心坯料(空心工序件或管 坯)向外扩张,胀出所需凸起形状。胀形过程中材料变形部位的切向和母线方向均受拉应力 因此,胀形的变形程度受材料的极限伸长率限制,超过材料的极限伸长率制件将胀裂。变 形程度以胀形系数K表示,即 式中:dmax—胀形后的最大直径(中径) d——坯料/工序件/半成品直径(中径)。 胀形系数K与坯料伸长率δ的关系为: 胀形件每个横截面的大小很可能不一致,危险截面在变形最大处(dmax),设计时应特别 注意。有些制件有强度要求,胀形件不可避免地会出现材料变薄而影响强度。因此,胀形 系数不宜取极限值。表52是一些材料的极限胀形系数(极限变形程度)的实验值。 表5.2极限胀形系数 厚度mm 材料许用伸长率(%) 极限胀形系数K 1.25 纯 32 低碳钢 1.20 124 耐热不锈钢 1.26~1.32 28~-34
176 冲压工艺与模具设计 在曲柄压力机上对薄板(t<1.5mm)、小制件(面积 A<2000mm2 )进行局部胀形时(加强筋除 外)其冲压力可按下式近似计算： P = AKt2 式中：P ——冲压力(N)； A ——胀形面积(mm2 )； t ——板料厚度(mm)； K ——系数，钢 K＝(200~300)N/mm4，黄铜 K＝(50~200)N/mm4。 加强筋所需冲压力可按下式近似计算： P = Lt b K 式中：P ——冲压力(N)； L ——胀形区的周边长度(mm)； t ——板料厚度(mm)； b ——材料抗拉强度(MPa)； K ——系数。一般 K＝0.7~1.0，筋窄而深取大值，反之取小值。 5.1.3 空心坯料胀形 1. 极限胀形系数 空心坯料的胀形俗称凸肚成形，成形时材料沿径向拉伸，将空心坯料(空心工序件或管 坯)向外扩张，胀出所需凸起形状。胀形过程中材料变形部位的切向和母线方向均受拉应力， 因此，胀形的变形程度受材料的极限伸长率限制，超过材料的极限伸长率制件将胀裂。变 形程度以胀形系数 K 表示，即 K＝dmax/d0 式中：dmax ——胀形后的最大直径(中径)； d0 ——坯料/工序件/半成品直径(中径)。 胀形系数 K 与坯料伸长率 的关系为： ＝(dmax－d0)/d0=K－1 胀形件每个横截面的大小很可能不一致，危险截面在变形最大处(dmax)，设计时应特别 注意。有些制件有强度要求，胀形件不可避免地会出现材料变薄而影响强度。因此，胀形 系数不宜取极限值。表 5.2 是一些材料的极限胀形系数(极限变形程度)的实验值。 表 5.2 极限胀形系数 材 料 厚度/mm 材料许用伸长率 (%) 极限胀形系数 K 高塑性铝合金 0.5 25 1.25 纯铝 1.0 1.2 2.0 28 32 32 1.28 1.32 1.32 低碳钢 0.5 1.0 20 24 1.20 1.24 耐热不锈钢 0.5 1.0 26~32 28~34 1.26~1.32 1.28~1.34
第5章其他冲压成形方法 2.胀形工序件计算(参见图56) 5.6胀形前后尺寸的变化 工序件直径(中径) 工序件长度 Lo=L[1+(0.3~0.4)6]+b 式中:L一一制件的母线长度: 6——制件切向最大伸长率 b—一切边余量,一般取5~15mm。 切边余量与材料的塑性应变比(r值)及模具的粗糙度有关,各向异性小者,b取小值。 这点与拉深相同。系数(0.3~0.4)为切向伸长而产生高度缩小的因素 由于材料的不均匀变薄,工序件的计算很难准确,需多次试验才能确定 3.胀形的几种方法 胀形的方法一般有机械胀形、橡皮胀形、液压胀形。 (1)机械胀形(刚模胀形) 典型机械胀形如图57所示。它是利用锥形芯块4将分瓣凸模2顶开,使坯料胀成所 需形状。这种方法模具结构较为复杂。由于凸模分开后存在间隙且周向位移难以一致,因 此只能应用于胀形量小且精度不高的制件。图5.8是机械胀形的另一种方法,它采用机械 式无凸模胀形法。凹模分上下2块,杯形工序件/半成品放置于下凹模6中,成形时芯轴2 先进入工序件/半成品内将其定位,保证杯壁不失稳,继而对其进行镦压。由于凹模及芯轴 的约束作用,工序件/半成品只有在中间空腔处变形,达到胀形的目的。这种方法只适用于 较小的局部变形。 图5.7滑块式机械胀形 一凹模:2一分瓣凸模:3一拉簧:4一锥形芯块
第 5 章 其他冲压成形方法 177 2. 胀形工序件计算(参见图 5.6) 图 5.6 胀形前后尺寸的变化 工序件直径(中径) d0＝dmax/K 工序件长度 L0＝L[1+(0.3～0.4) δ ]+b 式中：L——制件的母线长度； ——制件切向最大伸长率； b——切边余量，一般取 5~15mm。 切边余量与材料的塑性应变比(r 值)及模具的粗糙度有关，各向异性小者，b 取小值。 这点与拉深相同。系数(0.3~0.4)为切向伸长而产生高度缩小的因素。 由于材料的不均匀变薄，工序件的计算很难准确，需多次试验才能确定。 3. 胀形的几种方法 胀形的方法一般有机械胀形、橡皮胀形、液压胀形。 (1) 机械胀形(刚模胀形) 典型机械胀形如图 5.7 所示。它是利用锥形芯块 4 将分瓣凸模 2 顶开，使坯料胀成所 需形状。这种方法模具结构较为复杂。由于凸模分开后存在间隙且周向位移难以一致，因 此只能应用于胀形量小且精度不高的制件。图 5.8 是机械胀形的另一种方法，它采用机械 式无凸模胀形法。凹模分上下 2 块，杯形工序件/半成品放置于下凹模 6 中，成形时芯轴 2 先进入工序件/半成品内将其定位，保证杯壁不失稳，继而对其进行镦压。由于凹模及芯轴 的约束作用，工序件/半成品只有在中间空腔处变形，达到胀形的目的。这种方法只适用于 较小的局部变形。 图 5.7 滑块式机械胀形 1—凹模；2—分瓣凸模；3—拉簧；4—锥形芯块