第6章 其它冲压工艺及模具电子教材.docx

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第6章其它冲压工艺及模具电子教材

第6章其它冲压工艺及模具

6．1　翻孔与翻边

6．2胀形

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、校形等成形工序的变形特点、工艺与模具设计特点。

同时,还介绍了冷挤压成形的工艺及模具设计要点。

学习目的与要求：

1．了解胀形、翻边等工序的变形特点；

2．了解胀形模、翻边模的结构特点。

重点：

胀形、翻边工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点，

难点：

翻边工序的变形特点和工艺计算，

成形工序除最基本的弯曲和拉深外，还有很多其它的成形工序，如翻孔与翻边、胀形、缩口与扩口、校平与整形、冷挤压和旋压等冲压工序，从变形特点来看也各有不同，胀形和翻圆孔属伸长类变形，成形时主要工艺问题是因变形区拉应力过大而出现开裂破坏；缩口和外缘翻凸边均属压缩类变形，成形时主要问题是因变形区压应力过大而产生失稳起皱；对于校平和整形，主要需解决回弹问题；而对冷挤压来说，主要解决因变形程度大，变形抗力大而带来的各种工艺问题。

6．1　翻孔与翻边

翻孔：

是在毛坯上预先加工好预制孔（有时不预先加工好预制孔），再沿孔边将材料翻成竖立起凸缘的冲压工序；

翻边：

是使毛坯的平面或曲面部分的边缘沿一定的曲线翻成侧立边缘的冲压工序。

图6-1各种翻边件

6．1．1翻孔

1.　圆孔翻孔

（1）　变形特点及变形程度

变形区：

是d到D1之间的环形部分，且变形区材料受切向和径向两个方向拉应力的作用，其中切向拉应力是主应力，在坯料孔口处，切向拉应力最大。

质量问题：

竖边孔口边缘的拉裂。

为保证工件口部不被拉裂，应控制好实际翻孔时的变形程度。

变形程度：

以翻孔前的孔（称预制孔）的孔径d与翻孔后孔径D之比值K来表示，称翻孔系数：

K＝d/D（6-1）

K值越小，则变形程度越大。

将翻圆孔时孔边不破裂所能达到的最小K值称为极限翻孔系数，影响极限翻孔系数的主要因素有：

图6-2翻圆孔网实验

1材料的性能塑性越好，K值越小。

2预制孔的相对直径d/td/t愈小，K值也愈大。

3预制孔的加工方法如钻出的孔比冲出的孔有更小的K值；翻孔的方向与冲孔的方相反时，有利于减小孔口开裂。

4翻孔的凸模结构形式

低碳钢在各种情况下的极限翻孔系数及各种材料的翻孔系数可查表确定。

（2）圆孔翻孔的工艺计算

①　平板翻孔的工艺计算

图6-3平板坯料翻孔尺寸计算

由图6-3知，预制孔直径d的确定公式为

d＝D－2（H－0.43r－0.72t）（6-3）

上式可转化为竖边高度H的计算式：

H=（6-4）

式中当K取Kmin时，H达到Hmax值。

若零件的高度H＞Hmax时，一次翻孔成形会导致零件孔口边缘可能破裂，此时应采用多次翻孔、加热翻孔或先拉深再翻孔的工艺方法来成形该零件。

采用多次翻孔时，每两次翻孔间需加退火工序，第一次翻孔以后的极限翻孔系数可取（1.15～1.20）Kmin，多次翻孔后后制件竖立边壁厚变薄严重，若不允许制件壁厚变薄严重时，可采用先拉深后冲孔再翻孔的方法。

②　先拉深后冲底孔再翻孔的工艺计算

先拉深后翻孔的的高度h由图6-4可知（按中线计算）：

h=（6-5）

预制孔的直径d：

d＝K．D　或d＝D＋1.14r－2h（6-6）

拉深高度hˊ：

　　　hˊ＝H－h＋r（6-7）

图6-4先拉深后翻孔

3翻孔力的确定用圆柱平底凸模时，翻孔力的计算式为：

　　　　　　　　　F＝1.1πtσs（D－d）（6-8）

式中F—翻孔力，N；　

t—材料的厚度，㎜；　

σs—材料的屈服极限，Mpa；　

D—翻孔后的孔的直径，㎜；　

d—坯料的预制孔直径，㎜；

采用锥形或球形凸模时翻孔力略小于上式的计算值。

（3）翻孔模的间隙为保证翻孔竖立边缘的挺直，翻孔模单边间隙值应略小于材料的厚度，一般取单边间隙值Z为：

Z＝（0.75～0.85）t（6-9）

式中若先拉深后翻孔时取小值，平坯料翻孔时取大值。

（4）翻孔模工作零件的设计如图6-5为几种常见凸模的结构形式和其主要尺寸，其中图a、图b、图c凸模端部无定位部分，工作时由凸模端部的圆角、球面或抛物线部分导正后再翻孔，翻孔质量好；图d、图e凸模端部有定位部分，由定位部分导正定位预制孔后再翻孔；图f是用于无预制孔的不精确翻孔凸模。

而翻孔凹模结构如图g，由于翻孔凹模圆角半径对成形影响不大，因此常取其半径值等于零件的圆角半径。

图6-5圆孔翻孔凸模和凹模结构和尺寸

2．非圆孔翻孔

非圆孔又称异形孔，是由不同的凸弧、凹弧及直线边组成，成形时由于各部分变形性质不同，直线部分c可视为弯曲变形，凸圆弧部分a可视为翻孔变形，凹圆弧部分可视图为拉深变形，如图6-6；预制孔的形状和展开尺寸分别按弯曲时、翻孔时及拉深时的展开方法计算并以光滑圆弧连接；非圆孔的翻孔系数Kf（一般指小圆弧部分的翻孔系数）可小于圆孔翻孔系数K，大致取：

Kf＝（0.85～0.90）K（6-10）

图6-6非圆孔翻孔

3.变薄翻孔

　　若零件壁厚允许变薄，且翻孔的竖边又较高时，可采用变薄翻孔，这样既可以提高生产效率，又可以节约材料。

变薄翻孔中，变形程度是由翻孔系Kb和壁厚变薄程度共同决定的，通常取翻孔系数Kb≥0.45，变薄系数取0.55～0.40。

变薄翻孔时常采用阶梯凸模，如图6-7，设计时凸模阶梯之间距离应大于零件高度,以便前一个阶梯的变形结束后进行后一阶梯的变形；另外模具应有强力的压料装置和良好的润滑。

变薄翻孔经常用于平坯料或工序件上冲压小螺孔，为保证螺孔连接强度，变薄翻孔的方法可增加竖边高度，如图6-8。

此时，坯料预制孔直径d为：

d＝（0.45～0.5）d1（6-11）

翻孔外径d3为：

d3＝d1＋1.3t（6-12）

翻孔高度H一般取（2～2.5）t。

对于常用材料进行螺纹变薄翻孔时的翻孔数据也可参考有关表，在此就不再列出。

图6-7用阶梯凸模的变薄翻孔图6-8小螺孔的翻孔

6．1．2翻边

翻边：

按变形性质可分伸长类翻边和压缩类翻边两类。

1.伸长类翻边

沿内凹且不封闭曲线进行的平面或曲面翻边均属这类翻边，如图6-9，其共同特点是坯料变形区主要在切向拉应力作用下产生切向伸长变形，因此边缘容易拉裂；常以εs来表示其变形程度：

ε伸=（6-13）

常用材料的允许变形程度见表6-4。

伸长类平面翻边变形类似于翻孔，翻边时由于应力在变形的区分布不均匀而导致翻边后零件的竖立边高度两端高中间低的现象，为得平齐的翻边高度，翻边前应对坯料的两端轮廓线做一定修正，如图6-9（a）中虚线所示形状为修正后的形状，若翻边高度不大可不做修正。

伸长类曲面翻边时，坯料底部中间位置易出现起皱现象，模具设计时应采用强力压料装置来防止，另外为创造有利于翻边的条件，防止中间部位过早地翻边而引起竖立边过大的伸长变形甚至开裂，设计模具时，应使凸模和顶料板形状与工件相同，而凸模的曲面应修正为图6-10所示形状；同时冲压方向的选取应保证

图6-9伸长类翻边

a）伸长类平面翻边b）伸长类曲面翻边

翻边作用力在水平方向上的平衡，通常取冲压方向与坯料两端切线构成的角度相同，如图6-11。

图6-10伸长曲面翻边凸模形状的修正图6-11曲面翻边时的冲压方向

1－凹模　2－顶料板3－凸模

2.压缩类翻边

沿外凸的不封闭的曲线进行的平面或曲面翻边均属压缩类翻边，如图6-11，其特点为为坯料变形区内主要受切向压应力，故成形时工件容易起皱；变形程度εy表示为：

　　　ε压＝　　　　　　　　　　　　　　（6-14）

常用材料的允许变形程度见表6-3。

压缩类平面翻边变形类似于拉深，由于翻边时竖立边缘的应力公布来均，翻边后零件的竖边高度出现中间高而两端低的现象，为得到齐平的竖立边，应对坯料的展开形状加以修正，修正后的形状为图6-12a虚线所示，翻边高度不大时可不修正。

另外，当翻边高度较大时，模具应设计防止起皱的压料装置。

压缩类曲面翻边的主要问题是变形区的失稳起皱，为防止起皱，凹模应修正成图6-13的形状；冲压方向的先择原则与伸长类翻边时相同。

图6-12压缩类翻边图6-13压缩类曲面翻边凹模形状的修正

a）压缩类平面翻边b）压缩类曲面翻边1－凹模2－压料板3－凸模

6．1．3翻孔翻边模的结构

图6-14所示为翻孔模,其结构与拉深模相似。

图6-15所示为翻孔与翻边同时

进行的翻孔翻边复合模。

图6-14翻孔模图图6-15翻孔翻边复合模

图6-16所示为落料、拉深、冲孔、翻孔复合模。

凸凹模8与落料凹模4均固定板7上，以保证同轴度。

冲孔凸模2固定在凸凹模1内，并以垫片10调整它们的高度差，以控制冲孔前的拉深高度。

该模具的工作过程是：

上模下行，首先在凸凹模1和凹模4的作用下落料。

上模继续下行，在凸凹模1和凸凹模8的相互作用下对坯料进行拉深，弹顶器通过顶杆6和顶件块5对坯料施加压力。

当拉深到一定高度后，由凸模2和凸凹模8进行冲孔，并由凸凹模1和凸凹模8完成翻孔。

当上模回程时，在顶件块5和推件块3的作用下将工件推出，条料由卸料板卸9下。

图6-16落料、拉深、冲孔、翻孔复合模

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9—卸料板10—垫片

6．2胀形

胀形：

分平板坯料的局部凸起胀形（俗称起伏）和立体空心工序件的胀形（俗称凸肚）两类。

由于胀形时材料变形区受双向拉应力作用，所以其主要问题是由于变形区材料变薄而胀破。

胀形在冲压生产中有着广泛的应用，图6-17为几件胀形实例。

平板坯料胀形件空心坯料胀形件

图6-17胀形件实例

6．2．1平板坯料的胀形

定义：

利用模具迫使材料发生局部塑性变形而形成凸起或凹坑的工序，主要用于增加零件的刚度、强度和美观，如压制加强筋，凸起、凹坑、花纹图案及文字标记等。

极限变形程度：

主要受到材料性能、筋的几何形状、模具结构及润滑等因素的影响。

对于形状简单的压筋件，可按下式近似地确定其极限变形程度，如图6-18。

（6-15）

式中、—分别为材料变形前后的长度，㎜；

δ—材料的断面伸长率；

系数0.70～0.75视筋形状而定，球形筋取大值，梯形筋取小值。

图6-18平板坯料胀形前后的长度图6-19深度较大的胀形方法

如果式（6-14）的条件满足，即可一次成形；否则，可先压制弧形过渡形状，然后再压出零件所需的形状的工艺方法，如图6-19。

压制加强筋时，所需冲压力可用下式估算：

F=LtσbK（6-16）

式中L—加强筋的周长，㎜；

t—材料厚度，㎜；

σb—材料的抗拉强度，Mpa；

K—系数，一般K取0.7～1.0（加强筋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值）。

在曲轴压力机上对厚度小于1.5㎜2、面积小于2000㎜2的薄料小件压筋时，冲压力可用下式估算：

F＝KAt2（6-17）

式中F—胀形冲压力，N；

A—胀形面积，㎜2；

t—材料厚度，㎜；

K—系数，对于钢K＝200～300，对于黄铜

6．2．2空心坯料胀形

定义：

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。

1.胀形变形程度

空心坯料胀形时，材料受拉应力作用产生拉伸变形，

其极限变形程度用胀形系数K表示（见图6-20）：

（6-18）

式中dmax—胀形后零件的最大直径，㎜；

D—空心坯料的原始直径，㎜；

胀形系数K和坯料切向拉伸伸长率δ的关系为：

或K