Chapter 2 車身沖壓工藝

沖壓工藝是一種塑性加工的工藝方法。沖壓工藝：指利用安裝在沖壓設(shè)備上的模具，對（金屬）坯料施加壓力，使坯料產(chǎn)生塑性變形或分離，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的零件或毛坯的加工工藝方法。Chapter2車身沖壓工藝

2-1概述沖壓與鑄造、鍛造、切削加工等其它加工方法比較，具有下列優(yōu)點：1）應(yīng)用范圍廣

可沖壓金屬材料，亦可沖壓非金屬材料；可加工小型零件，亦可加工大型零件；可加工簡單形狀的零件，亦可獲得其它加工辦法難以加工的復(fù)雜曲面零件。2)生產(chǎn)率高

沖壓大型零件，一臺沖壓設(shè)備的生產(chǎn)率可達(dá)每分鐘幾件，小件的高速沖壓則可達(dá)每分鐘上千件。3)質(zhì)量穩(wěn)定

沖壓件的尺寸精度是靠模具保證的，所以質(zhì)量穩(wěn)定，一般不需再機(jī)械加工就可滿足裝配和使用要求。一、沖壓工藝的特點4)省能

沖壓時不需要加熱，也不像切削加工那樣，將部分金屬切成大量的碎屑而需要消耗很大的能量。5)材料利用率高

沖壓加工可做到少、無廢料生產(chǎn)，還可以充分利用邊角余料等。6）制件表面質(zhì)量好

沖壓過程中材料表面不受破壞，因此制件表面質(zhì)量好。7）易于實現(xiàn)機(jī)械化或自動化

沖壓操作簡單，又是冷加工，有利于實現(xiàn)機(jī)械化或自動化。由于上述優(yōu)點，所以在汽車車身制造中大量采用沖壓加工。車身的絕大多數(shù)零件都是用沖壓方法制造的。特別是大型車身覆蓋件，由于其形狀復(fù)雜，尺寸大，表面質(zhì)量要求高等，采用沖壓工藝來制造是其它任何加工方法都無法比擬的。但是，由于沖壓模具的制造技術(shù)要求高，制造周期較長，成本高。在單件和小批量生產(chǎn)中的應(yīng)用受到一定的限制。

沖壓工藝方法較多，人們習(xí)慣上按材料變形特點來將其分為：分離工序和成形工序1、分離工序：指將沖壓件或毛坯沿一定的輪廓線相互分離。要能保證沖壓件分離斷面的質(zhì)量要求。2、成形工序：指沖壓毛坯在不發(fā)生破壞的條件下產(chǎn)生塑性變形，獲得要求的制件形狀、尺寸精度（包括位置精度和表面粗糙度等級）和所需要的力學(xué)性能的加工方法。汽車摩托車車身制造過程中常見的沖壓工藝方法有：二、沖壓工序的基本分類表2-1表2-2一、材料的質(zhì)量和沖壓性能汽車車身沖壓件的材料除了要保證足夠的強(qiáng)度和剛性以滿足車身的使用性能要求外，還必須滿足沖壓工藝的要求。沖壓用材料的質(zhì)量是沖壓工藝中一個非常重要的因素，它直接影響到?jīng)_壓工藝過程設(shè)計、沖壓件的質(zhì)量和產(chǎn)品使用壽命，還關(guān)系到?jīng)_壓件的成本和組織均衡生產(chǎn)等。因此，一方面應(yīng)提高沖壓件的結(jié)構(gòu)工藝性來改善沖壓過程的變形條件，以降低對材料的質(zhì)量要求；另一方面應(yīng)選擇具有適當(dāng)沖壓性能的材料。以適應(yīng)沖壓過程的變形要求，保證制件質(zhì)量。2-2車身沖壓用材料材料的沖壓性能是指材料對各種沖壓加工方法的適應(yīng)能力。沖壓性能好的材料應(yīng)是便于加工、容易得到高質(zhì)量的沖壓件，生產(chǎn)率高(一次沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大)，模具消耗低等。影響板料沖壓性能的質(zhì)量指標(biāo)：力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織、表面質(zhì)量和尺寸精度等。1、力學(xué)性能：1）延伸率和均勻延伸率：材料的力學(xué)性能定義大家都很清楚，這里解釋一下均勻延伸率：指試樣在拉伸試驗中，達(dá)到強(qiáng)度極限，即試樣開始出現(xiàn)局部頸縮時的延伸率。因為頸縮后的塑性變形是不均勻的，它對沖壓工藝的貢獻(xiàn)不大。一般來說沖壓成形過程都是在均勻變形范圍內(nèi)進(jìn)行的。沖壓件的尺寸越大、結(jié)構(gòu)越復(fù)雜等，所用的材料應(yīng)該有較大的均勻延伸率，否則容易拉穿試件。

2）屈強(qiáng)比屈強(qiáng)比是材料的屈服極限與強(qiáng)度極限的比值，較小的屈強(qiáng)比幾乎對所有的沖壓成形都是有利的。屈強(qiáng)比較小，即材料的屈服極限較小或強(qiáng)度極限較大。材料的屈服極限較小時，材料塑性變形所需要的應(yīng)力小，能夠充分變形，對于彎曲件來說，回彈變形?。欢蛹鸢櫟内厔菪?。強(qiáng)度極限較大時，沖壓件不易破裂，有利于提高極限變形程度．3）硬化指數(shù)常用金屬材料在常溫下的塑性變形過程中要出現(xiàn)硬化效應(yīng)，使材料力學(xué)性能的強(qiáng)度指標(biāo)(屈服極限和強(qiáng)度極限)隨變形程度的加大而增加，同時使其塑性指標(biāo)(延伸率和斷面收縮率)低。也有少量金屬材料在一定條件下具有加工軟化特性。材料在塑性變形中，其變形抗力(即每一瞬間的屈服應(yīng)力)隨變形程度的變化可用硬化曲線來表示。在沖壓生產(chǎn)經(jīng)常用指數(shù)曲線來近似表示硬化曲線。

硬化指數(shù)n又稱為n值，它表示在塑性變形中材料的硬化程度。n值大，表示材料的變形抗力隨變形的進(jìn)展而增大的速度高．因此，在同樣的條件下，n值大的材料在沖壓成形中不易出現(xiàn)局部的集中變形和破壞，能擴(kuò)展變形區(qū)，使變形均勻穩(wěn)定，增大極限變形程度。材料的硬化對沖壓性能也右不利的影響。硬化的結(jié)果使所需要的變形力增大，還限制了毛坯的進(jìn)一步變形。如孔邊緣部分材料硬化后容易在翻邊過程中引起開裂。常用退火熱處理來改善。圖2-1圖2-2補(bǔ)2-2-1沖裁工藝是指利用沖裁模，在壓力機(jī)上使板料的一部分與另一部分分離的一類沖壓工藝。主要包括：

剪切（切斷）、落料、沖孔、修邊（切邊）和切口等。1、沖孔：沿封閉的輪廓線分離，在工件上沖出所需形狀和尺寸的孔，沖去的為廢料，留在工作臺上的是零件。

2、落料：沿封閉的輪廓線分離，從板料上沖下所需形狀和尺寸的零件或毛坯，沖下的是零件，留在工作臺上的為毛坯。2-3沖裁工藝補(bǔ)圖2-3-1一、沖裁過程分析

沖裁是指沖壓分離工序，板料受力是從彈性變形開始，經(jīng)過塑性變形，以斷裂分離結(jié)束。在沖裁過程中，沖裁凸凹模組成上下刃口，板料放在凹模上，在壓力機(jī)(或沖床)壓力作用下凸模逐步下降使板料發(fā)生變形，直至全部分離，完成沖裁。沖裁變形過程見圖2—3。1、彈性變形階段凸模接觸板料后，開始向下壓縮材料，使材料產(chǎn)生彈性壓縮和彎曲變形。板料與凸模和凹模的接觸處形成很小的圓角。隨著凸模的繼續(xù)壓入，材料的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到彈性極限。此時，凸模下的材料略有彎曲，凹模上的材料則向上翹。2、塑性變形階段

當(dāng)凸模繼續(xù)下行、材料的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到屈服極限時，便開始了沖裁的塑性變形階段，沖模間隙的存在，使材料除了有剪切變形外，還同時伴有彎曲和拉伸變形。隨著凸模擠入材料的深度逐漸增大，即塑性變形程度逐漸增大。材料內(nèi)部的拉應(yīng)力和彎矩也都增大，變形區(qū)材料硬化加劇。直至凸、凹模刃口附近的材料應(yīng)力集中，在拉應(yīng)力作用下出現(xiàn)裂紋時，塑性變形階段即告結(jié)束。此時沖裁變形力達(dá)到最大值。3、斷裂分離階段

斷裂分離階段從材料在模具刃口附近出現(xiàn)微裂紋開始。隨著凸模繼續(xù)壓下，已形成的上、下兩面的微裂紋逐漸擴(kuò)大，并向材料內(nèi)延伸。當(dāng)上下兩條裂紋相遇重合時，材料便被剪斷分離。圖2-3

二、沖裁件的斷面材料在沖裁時的應(yīng)力應(yīng)變及斷面形狀如圖2—4所示。沖裁件的斷面具有明顯的區(qū)域性特征，包括塌角、光亮帶、剪裂帶和毛刺等四個部分。

塌角：在凸模壓入材料時，刃口附近的材料被牽連拉入變形而形成。光亮帶：表面光滑，表面質(zhì)量最佳，它是在塑性變形過程中由凸、凸模擠壓切入材料所形成的。

剪裂帶：表面較粗糙，帶斜度而不與板平面垂直．它是材料剪斷分離時所形成的。

毛刺：材料出現(xiàn)微裂紋時形成，隨凸模的下行被拉長，并殘留在沖裁件上。圖2-41、材料的性能塑性差的材料斷裂傾向嚴(yán)重，沖裁件斷面大部分是剪裂帶；靠塑性變形形成的光亮帶和塌角所占比例小，毛刺也較小。而塑性好的材料則與此相反。2、板料厚度板料厚度是相對于模具間隙而言的。3、模具結(jié)構(gòu)模具結(jié)構(gòu)中對沖裁件斷面質(zhì)量影響最大的是模具間隙：微裂紋產(chǎn)生的位置并非正對著凸、凹模刃口，而是在離刃口不遠(yuǎn)的側(cè)面上。這就導(dǎo)致沖裁件產(chǎn)生一定的毛刺。沖模間隙合適時，毛刺高度較小。另外，凸、凹模刃口鋒利程度的影響也很大。以及壓料力、凸模下對板料加反壓力和模具潤滑等都有影響。三、沖裁模間隙Z指凸、凹模之間的間隙，其對沖裁件的質(zhì)量影響極大，同時影響：沖裁力、模具壽命。1、對沖裁件質(zhì)量的影響1）對沖裁件斷面的影響圖2—5沖裁模間隙較大時，材料中的拉應(yīng)力也較大，容易產(chǎn)生裂紋，塑性變形階段結(jié)束較早，因此光亮帶較小，而剪裂帶、塌角和毛刺都較大，沖裁件的翹曲也較顯著。間隙較小，情況剛好相反。間隙過大或過小均導(dǎo)致上、下兩面的剪裂紋不能相交重合于一線。圖2-52）對沖裁件尺寸精度的影響沖裁模間隙較大時，材料受拉伸作用大，沖裁后材料的彈性恢復(fù)也較大，因此，使落料尺寸小于凹模尺寸，沖孔孔徑大于凸模直徑。另一方面，沖裁模間隙較大使翹曲嚴(yán)重，而翹曲的彈性恢復(fù)使落料尺寸增大，沖孔孔徑減小，與材料受拉伸的彈性恢復(fù)正好相反．沖裁模間隙較小時，材料受凸、凹模擠壓力大，沖裁后材料的彈性恢復(fù)使落料件尺寸增大，沖孔孔徑減小。2、對沖裁力的影響

間隙正常時，沖裁過程中的沖裁力達(dá)到最大值之后急劇減小，這是因為可以使上、下裂紋重合。沖裁模間隙較小時，材料所受的彎矩和拉應(yīng)力較小，材料不易產(chǎn)生斷裂分離，因而使沖裁力增加。沖裁模間隙對卸料力和推件力的影響比較大。間隙增大后，從凸模上卸料或從凹?？卓谥型瞥隽慵几×?。3、對模具壽命的影響間隙較小時，凸模與被沖孔之間、凹模與落料件之間的摩擦較大，卸料和推件時的摩擦也較大，將加劇凸、凹模側(cè)面的磨損。另外，模具刃口受壓應(yīng)力較大，還容易造成刃口變形，甚至崩刃。所以，常采用較大的沖模間隙來延長模具壽命。4、沖裁模間隙值的確定由于沖裁模間隙對沖裁件質(zhì)量、模具壽命、卸料力、推件力和沖裁力的影響規(guī)律均不相同，因此不存在一個絕對的合理間隙值能滿足各方面的要求。選定間隙值時通常只考慮沖裁件斷面質(zhì)量和模具壽命這兩個主要因素。表2—3是依據(jù)沖裁時上、下裂紋重合而確定的合理間隙值，適用于汽車車身等尺寸公差范圍較大的零件。表2-3四、沖裁時各種力的計箅1、沖裁力

沖裁力是指在沖裁中為使材料分離所需的最大沖壓力。沖壓力在沖裁過程中不斷變化，在塑性變形階段結(jié)束時達(dá)到最大值，與沖裁件的周邊長度、板厚、材料力學(xué)性能、沖模間隙和模具刃口的利鈍狀況有關(guān)。1）平刃沖模的沖裁力：

P=KLtτ

式中P——沖裁力，N；L——沖裁周邊長度，mm；t——材料厚度，mm;τ——材料抗剪強(qiáng)度，MPa；K——系數(shù)。系數(shù)K是考慮到?jīng)_模間隙的波動和不均勻、刃口的鈍化、材料厚度及力學(xué)性能的波動等因素而給出的一個修正系數(shù)。一般可取K=1.3。對鋼材來說：∵τ＝o．8σb∴P≈Ltσb式中：σb——材料的抗拉強(qiáng)度，MPa。2）沖裁力過大時，可以采取以下一些措施：（1）加熱沖裁：（2）斜刃沖模和沖裁力圖2-6圖2-6表2-4表2-5四、沖裁件的結(jié)構(gòu)工藝性1)沖孔形狀應(yīng)盡量簡單，最好是規(guī)則的幾何形狀或由規(guī)則的幾何形狀(如圓弧和直線)組成，以方便模具的制造。2)避免過長的懸臂與狹槽。懸臂和狹槽的寬度b要大于材料厚度t的2倍(圖2-7a)。以增加模具相應(yīng)部位處的強(qiáng)度。3)孔與孔之間或孔與零件邊緣之間的距離a(圖2—7b)受到模具強(qiáng)度和沖裁件質(zhì)量的限制，不能過小，一般應(yīng)取a≥2t，且a>3-4mm。4)沖裁輪廓線的轉(zhuǎn)角處要避免尖角，而采用圓弧轉(zhuǎn)角，以避免模具在熱處理或沖壓時轉(zhuǎn)角處開裂，防止尖角部位刃口磨損過快。在轉(zhuǎn)角的夾角大于900時，圓角半徑應(yīng)大于(0.3-0.5)t；夾角小于900時，圓角半徑應(yīng)大于(0.6～0.7)t。如補(bǔ)圖所示。5)沖孔尺寸不能過小，以保證沖裁凸模的強(qiáng)度和剛度，對于低碳鋼，最小孔徑應(yīng)大于材料的厚度。6)沖裁件的外形應(yīng)盡可能符合少廢料或無廢料的排樣要求，以降低材料消耗。圖2-7補(bǔ)2-7-2補(bǔ)2-7-3補(bǔ)2-7-4補(bǔ)2-7-5補(bǔ)2-7-6一、概述

把平板毛坯、型材或管材彎成一定的曲率和角度，以形成一定形狀零件的工序稱為彎曲。彎曲成形在汽車車身制造中應(yīng)用很廣。圖2-8是幾種典型的彎曲件。在生產(chǎn)中，彎曲成形因采用不同的工具設(shè)備而形成不同的彎曲方法。如在普通壓力機(jī)上使用彎曲模的壓彎，折彎機(jī)上的折彎，滾彎機(jī)上的滾彎以及拉彎設(shè)備上拉彎等。各種彎曲方法雖然不同，但其變形過程和變形特點有一些共同的規(guī)律。下面主要對壓彎進(jìn)行分析。二、彎曲變形分析1、彎曲變形過程2-4彎曲工藝圖2-8圖2-9圖2-102、彎曲變形特點由板料側(cè)壁的坐標(biāo)網(wǎng)格在彎曲變形前后的變化以及彎曲件圓角部分的斷面形狀(圖2—10)可見，彎曲變形有以下幾個特點：1）彎曲變形區(qū)主要在圓角部分，在直邊部分“沒有變形”（僅在靠近圓角的直邊部分有少量變形）。2）變形區(qū)內(nèi)，板料的外區(qū)(靠凹摸一側(cè)的部分)受切向拉伸而伸長，bb弧長>bb間距；內(nèi)區(qū)(靠凸模一側(cè)的部分)受切向壓縮而縮短，aa弧長<aa間距。由內(nèi)、外表面至板料中心，伸長和縮短的程度逐漸變小。在內(nèi)、外區(qū)之間，有一長度不發(fā)生變化的應(yīng)變中性層。3）當(dāng)相對彎曲半徑(彎曲半徑r與板厚t之比r/t)較小時，彎曲變形區(qū)中的板料厚度變薄。4）窄板(板料寬度B<3t板料厚度)彎曲后：原矩形斷面變成了內(nèi)區(qū)寬、外區(qū)窄的扇形，圖2—10c；寬板(B>3t)彎曲后：橫斷面幾乎不變?nèi)詾榫匦?，圖2—10d。3、彎曲變形時的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)彎曲變形時的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)如表2—6所示。

窄板彎曲時，板料變形區(qū)內(nèi)切向上的應(yīng)力和應(yīng)變?yōu)樽畲?，且?yīng)力和應(yīng)變的方向一致。內(nèi)區(qū)的切向應(yīng)力σ1是壓應(yīng)力，切向應(yīng)變ε1是壓縮應(yīng)變；外區(qū)的切向應(yīng)力σ1是拉應(yīng)力，切向應(yīng)變ε1是拉伸應(yīng)變。由于窄板在寬度方向上能自由變形，所以材料在寬度方向上的應(yīng)力接近于零。在寬度方向上，內(nèi)區(qū)的應(yīng)變ε2是拉伸應(yīng)變，外區(qū)的應(yīng)變ε2是壓縮應(yīng)變。在厚度方向上，由于外區(qū)的材料有向內(nèi)移動的趨勢，使內(nèi)、外區(qū)都受到壓應(yīng)力σ3作用，內(nèi)區(qū)的應(yīng)變ε3是拉伸應(yīng)變，外區(qū)的應(yīng)變ε3是壓縮應(yīng)變。由此可見，窄板彎曲變形區(qū)處于平面應(yīng)力狀態(tài)和立體應(yīng)變狀態(tài)。

寬板彎曲時，切向和厚度方向的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)與窄板相同。但寬板在寬度方向上變形困難，寬度基本不變，內(nèi)、外區(qū)的寬度方向應(yīng)變都接近于零。內(nèi)區(qū)寬度方向的應(yīng)力σ2是壓應(yīng)力，阻止材料變寬；外區(qū)寬度方向的應(yīng)力σ2是拉應(yīng)力，阻止材料變窄。寬板彎曲變形區(qū)處于立體應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)。表2-6圖2-11三、彎曲件的回彈1、回彈及其影響因素回彈是彎曲件質(zhì)量的主要問題之一。和任何一種塑性變形一樣，在外載荷作用下，彎曲件產(chǎn)生的變形由塑性變形和彈性變形兩部分組成。當(dāng)外載荷卸除后，彎曲件的塑性變形保留下來，而彈性變形則完全消失。彎曲件的形狀和尺寸都會發(fā)生與加載時變形方向相反的變化(圖2-11)，這種現(xiàn)象稱為彎曲件的回彈。彎曲件回彈時，彎曲角由α變?yōu)棣?(圖2—11)，彎曲半徑由r變?yōu)榱藃0。通常用回彈角Δα來表示彎曲件的回彈程度：

Δα=α0—α(2—11)回彈角Δα越大，表示回彈越嚴(yán)重。影響回彈的因素主要有以下幾點：1)材料的力學(xué)性能材料的屈服極限較大、彈性模數(shù)較小或硬化指數(shù)較大時，回彈角較大。2)相對彎曲半徑r／tr／t越大，彎曲件的變形程度越小，但其中彈性變形所占的比例卻越大，因此回彈角越大。3)彎曲中心角θ彎曲件圓角部分的中心角越大，表示變形區(qū)的長度越大，回彈角也越大。4)彎曲力、彎曲方式當(dāng)對毛坯施加的彎曲力超過彎曲變形所需的力時，就對毛坯有一個校正作用。這種校正彎曲比自由彎曲的回彈角小。校正力越大，回彈角越小。5)形狀復(fù)雜的彎曲件若一次彎成，由于各部分互相牽制，回彈角減小。如雙角壓彎的U形件比單角壓彎的V形件回彈角要小些。6)模具間隙

在U形件的彎制中，模具間隙越大，回彈角就越大。此外，材料性能的波動、板厚的偏差等，都會引起回彈角的變化。2、控制回彈的措施由于塑性變形的同時總是存在著彈性變形，所以要完全消除彎曲件的回彈是不可能的。在生產(chǎn)中，可以采取一些措施來減少回彈或補(bǔ)償回彈所產(chǎn)生的誤差。彎曲回彈主要導(dǎo)致成形零件的形狀和尺寸精度低。因此我們要設(shè)計合理的彎曲成形工藝和模具來降低回彈的影響，提高彎曲件的精度等級。具體是根據(jù)影響回彈的各個因素，先算出回彈角，以此來修正模具角度，補(bǔ)償回彈產(chǎn)生的誤差。減小回彈的措施：1）選用合適材料及改進(jìn)零件局部結(jié)構(gòu)彎曲零件的回彈量大小與板料的力學(xué)性能間有著直接的關(guān)系。加強(qiáng)彎曲件變形部位的剛度：例如(圖2—12)壓制加強(qiáng)筋、翻邊、或采用較小的彎曲半徑。以改變變形區(qū)材料應(yīng)力、應(yīng)變分布，不僅可以增加零件的剛度，而且可以減小彎曲回彈量。在滿足產(chǎn)品使用要求的前提下，從彎曲件的結(jié)構(gòu)設(shè)計上加以改進(jìn)，增加變形部位的剛度和提高材料的塑料變形程度，以減輕回彈。

圖2-122）校正法彎曲成形終了時，板料坯料與模具貼合以后，對坯料施加一定的附加壓力以校正彎曲變形區(qū)，迫使變形區(qū)內(nèi)層纖維沿切向產(chǎn)生拉伸應(yīng)變。這樣經(jīng)校正后的板料內(nèi)、外層纖維都被伸長變形，卸載后，內(nèi)、外層纖維都要縮短，其回彈趨勢互相抵消，從而達(dá)到減少回彈量的目的。調(diào)整機(jī)械壓力機(jī)滑塊的下止點位置或延長油壓機(jī)保壓時間，從而改變校正力或增加校正作用時間，以控制回彈。3)改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)

在凸模上作出補(bǔ)償角Δα(圖2—13)，使彎曲件回彈后達(dá)到要求的形狀尺寸。另外，做成弧形(圖2—14)，局部凸起(圖2—15)，突肩(圖2—16)。圖2-13圖2-14圖2-15圖2-16圖2-17圖2-18彎曲半徑越小，板料的切向變形程度越大。如果彎曲半徑太小，板料外區(qū)表面的變形將超過材料的許可范圍而產(chǎn)生裂紋。在保證板料表面不發(fā)生破壞的條件下，工件能夠彎成的內(nèi)表面最小圓角半徑稱為最小彎曲半徑rmin。影響最小相對彎曲半徑rmin/t的因素有：1)材料的力學(xué)性能

材料的塑性越好，塑性指標(biāo)(延伸率δ、斷面收縮率ψ等)越高，其rmin/t越小。2)彎曲線方向彎曲件的彎曲線與板料軋制方向垂直時，rmin/t最??；彎曲線與軋制方向平行時，rmin/t最大。如補(bǔ)圖2-18-1所示。四、最小相對彎曲半徑rmin/t3)板料邊緣斷面質(zhì)量彎曲件毛坯在下料時產(chǎn)生的硬化使邊緣的材料塑性降低，下料形成的毛刺使彎曲時應(yīng)力集中，從而使rmin/t值增大。4)彎曲中心角彎曲件上靠近圓角部分的直邊也有一定的變形，可以起到減輕圓角部分的變形程度的作用。彎曲中心角越小，圓角部分的切向長度越小，這種減輕作用就越顯著，rmin/t就越小。5)板料厚度在相同條件下，板料厚度越小，切向應(yīng)變在厚度方向上的變化梯度越大。厚度較小時，與切向變形最大的外表面相鄰的部分變形較小，可以起到阻止板料外表面產(chǎn)生局部不穩(wěn)定變形的作用。因而，可以允許較大的彎曲變形，板料厚度越小，rmin/t就越小。表2—7給出了鋼板的最小相對彎曲半徑。補(bǔ)2-18-6表2-7彎曲件毛坯長度可以根據(jù)應(yīng)變中性層在彎曲前后長度不變的特點來確定，即應(yīng)變中性層的展開長度就是毛坯長度。

應(yīng)變中性層的位置與彎曲變形程度有關(guān)。當(dāng)變形程度較小(相對彎曲半徑r／t較大)時，應(yīng)變中性層在板料厚度的中間，其曲率半徑為：ρ=r+0.5t(2—12)式中:ρ——應(yīng)變中性層的曲率半徑，mm；r——彎曲件的彎曲半徑，mm；t——板料厚度，mm。當(dāng)彎曲變形程度較大(相對彎曲半徑r／t較小)時，應(yīng)變中性層不在板料厚度的中間，而是向內(nèi)側(cè)偏移。五、彎曲件毛坯尺寸的確定生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗公式來計算此時的中性層曲率半徑ρ：ρ＝r+Kt(2—13)式中:K——中性層位移系數(shù)，其值可參照表2—8選取。應(yīng)變中性層的曲率半徑確定以后，可由此算出圓角部分應(yīng)變中性層的長度。將彎曲件各直邊長度和各圓角中性層長度加起來就是毛坯長度。

對于圓角半徑很小(r<0.3t)的直角彎曲，可以利用變形前后體積不變的條件確定毛坯長度?？紤]到圓角及其相鄰的直邊要變薄，通常用下式來計算圓角很小的直角彎曲件毛坯長度:L＝l+xt(2—14)式中:L——毛坯長度，mm；l——彎曲件各直邊長度總和，mm；x——系數(shù)，可取x＝0.4~0.6；t——毛坯厚度，mm。表2-8六、彎曲力的計算彎曲力是設(shè)計沖壓工藝過程和選擇設(shè)備的重要依據(jù)之—。由于影響彎曲力的因素很多——主要有：材料的力學(xué)性能、彎曲件形狀尺寸、彎曲方法和模具結(jié)構(gòu)等，很難用理論分析方法進(jìn)行準(zhǔn)確的計算，所以在生產(chǎn)中常采用經(jīng)驗公式來估算。

自由彎曲時(圖2—19)的彎曲力P可用下式計算：V形件U形件圖2-19式中：P——自由彎曲力，N；B——彎曲件寬度，mm；t——材料厚度，mm；σb——材料的抗拉強(qiáng)度，MPa；r——彎曲件內(nèi)角彎曲半徑，mm；K——安全系數(shù)，一般取K=1.3。

校正彎曲時(圖2—20)的彎曲力P?？捎孟率接嬎悖篜校=qF式中：P校——校正彎曲力，N；q——單位校正壓力，MPa，按表2—9選??；F——材料校正部分投影面積，mm2。圖2-20表2-9七、彎曲件的結(jié)構(gòu)工藝性良好的結(jié)構(gòu)工藝性可以簡化彎曲的工藝過程和提高彎曲件精度。彎曲件的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足如下要求：1)彎曲件的圓角半徑不能小于最小彎曲半徑，否則會產(chǎn)生裂紋。圓角半徑也不宜過大，否則回彈嚴(yán)重，不易保證形狀和尺寸精度。2)彎曲件的直邊長度不宜過小，其值應(yīng)為h>2t(圖2—21)。h過小時，彎邊在模具上支持的長度過小，不易形成足夠的彎矩，很難得到形狀準(zhǔn)確的制件。零件的使用功能要求h很小時，可先加高直邊，彎曲后再切掉；也可先在彎曲線上壓槽(圖2—21)，以減小彎曲所需的彎矩。如果彎曲件直邊側(cè)面帶有斜邊，而且斜邊到達(dá)了變形區(qū)(圖2—22a)，則在直邊高度小于2t的區(qū)段不能彎曲到要求的角度，而且此處易開裂。必須改變零件形狀，加高直邊，使h=(2~4)t>3mm(圖2—22b)。圖2-21圖2-223)局部彎曲時，彎曲根部容易開裂。此時應(yīng)減小不彎曲部分的寬度B(圖2—23a)，使其退出彎曲變形區(qū)；或者在彎曲部分與不彎曲部分之間切槽(圖2—23b)。4)彎曲有孔的板料時，如果孔位于彎曲變形區(qū)附近，則在彎曲時孔的形狀會改變。因此，應(yīng)盡量使這些孔分布在變形區(qū)以外。如果孔邊至彎曲變形區(qū)太近，可在彎曲線上沖工藝孔或切槽，以減少對孔的影響。若對孔的精度要求較高，則應(yīng)把孔的加工安排在彎曲工序之后。5)彎曲件形狀應(yīng)對稱，以保證彎曲時板料不會因摩擦阻力不均勻而產(chǎn)生滑動。若工件不對稱時，必須在設(shè)計模具時考慮增設(shè)壓料板或定位裝置。

圖2-23補(bǔ)2-23-1補(bǔ)2-23-2補(bǔ)2-23-3補(bǔ)2-23-4補(bǔ)2-23-5補(bǔ)2-23-6拉深又叫拉延或壓延,是利用拉深模將已沖裁好的平板毛坯（或?qū)⒁褖褐频拈_口空心毛坯——淺的空心杯）壓制成各種所需形狀和尺寸的開口空心零件（板料厚度基本不變）的沖壓成形工序。用拉深工藝可以制成筒形、階梯形、錐形、球形、方盒形和其它不規(guī)則形狀的開口空心薄壁類零件，如補(bǔ)圖2-24-4所示。拉深件種類很多，形狀各異，各種零件的變形區(qū)位置、受力情況、變形特點和成形機(jī)理等也不相同，甚至有本質(zhì)的區(qū)別。因此確定工藝參數(shù)、工序順序及設(shè)計模具的原則和方法也有很大差異。為了便于工藝分析，在設(shè)計模具時，可按拉深件的變形力學(xué)特點，將其分為：直壁旋轉(zhuǎn)體(如圓筒形)零件、曲面旋轉(zhuǎn)體(如球形)零件、直壁非旋轉(zhuǎn)體(如盒形)零件和曲面非旋轉(zhuǎn)體(如復(fù)雜曲面的汽車車身覆蓋件——不規(guī)則形狀)零件等四種類型。2-5拉深（拉延）補(bǔ)2-24-4拉深變形特點補(bǔ)2-24-11、圓筒形零件拉深的變形分析圓筒形零件的拉深是平板毛坯在凸模的作用于逐漸被壓入凹模而形成圓筒的形狀。下面來分析拉深前平板圓形毛坯上的一個扇形部分(圖2—24a)在拉深過程中的變形特點。扇形毛坯的OC0D0部分在全部拉深過程中都與凸模端面相接觸，始終保持其平面形狀，基本上不產(chǎn)生塑性變形或只產(chǎn)生很小的塑性變形，最終成為圓筒形的底部。這個部分在拉深過程中把凸模的作用力傳遞給圓筒側(cè)壁，起到傳遞拉深力作用。它本身處于兩向拉應(yīng)力狀態(tài)（切向、徑向，圖2—25)。在拉深過程中形成的圓筒形側(cè)壁部分C'D'F'E'(圖2—24b)是平板毛坯扇形的C0D0F0E0部分變形而成的，它是結(jié)束了塑性變形的已變形區(qū)。在以后的拉深過程中，這個部分起傳遞拉深力作用，一、直壁類零件的拉深把凸模的作用力傳遞到平面法蘭A‘B’F‘E’部分，側(cè)壁部分是單向拉應(yīng)力狀態(tài)(圖2-25)。平面法蘭部分A‘B’F‘E’(圖2—24b）是拉深時的主要變形區(qū)。它在徑向拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生塑性變形，并向中心移動，逐漸進(jìn)入凸、凹模之間的間隙而形成圓筒形側(cè)壁。變形區(qū)在向模具中心移動時，圓周方向上的尺寸隨之減小，由于受相鄰材料的作用，在圓周方向上產(chǎn)生切向壓應(yīng)力。因此，變形區(qū)處于徑向受拉和切向受壓的應(yīng)力狀態(tài)(圖2—25)。變形區(qū)在切向產(chǎn)生壓縮變形，其外邊緣由初始長度R0α縮小為dα／2(圖2—24)；變形區(qū)在徑向產(chǎn)生伸長變形，由毛坯的初始尺寸R0一d0／2變?yōu)閳A筒形的高度H(H>R0一d0／2)。在拉深時，板料的厚度也發(fā)生變化(圖2—26)。在圓筒形拉深件的側(cè)壁上部厚度增加最多，這是因為變形區(qū)的材料除了向徑向延展外，在切向壓應(yīng)力作用下還向厚度方向流動，越靠毛坯外緣，加厚的趨勢越大。在側(cè)壁下端靠圓角處的厚度減小量最大，這是由于這個部位受拉應(yīng)力作用的持續(xù)時間最長。這里是最容易被拉裂的危險斷面。圖2-24圖2-25圖2-26拉深件毛坯除了在法蘭部分產(chǎn)生主要的變形之外，還在凸模圓角處和凹模圓角處產(chǎn)生彎曲變形。板料進(jìn)入凹模圓角區(qū)時要產(chǎn)生彎曲變形，通過凹模圓角區(qū)后又被反向彎曲而拉直。側(cè)壁的拉伸作用使處于凸模圓角區(qū)的板料也有類似的雙向彎曲變形。除拉裂(如補(bǔ)圖2-26-3/4）以外，起皺(如補(bǔ)圖2-26-5，與因為金屬材料力學(xué)性能各向異性導(dǎo)致的拉深件的制耳或稱凸耳不同。）也是拉深中經(jīng)常出現(xiàn)的一個主要質(zhì)量問題。拉深變形區(qū)的板料在切向壓應(yīng)力作用下，很容易失穩(wěn)而發(fā)生起皺現(xiàn)象。毛坯厚度越薄，拉深變形程度越大，就越易起皺。產(chǎn)生嚴(yán)重起皺后，材料不能流入凸、凹模間隙，毛坯會被拉斷。即使輕微起皺，材料勉強(qiáng)進(jìn)入凹模，也會在拉深件側(cè)壁留下起皺的痕跡，影響其表面質(zhì)量。最常用的防皺方法是在毛坯的法蘭面上加壓料圈(圖2—27)，使毛坯在壓料圈與凹模面之間的縫隙中通過。單動壓力機(jī)上，壓料力Q是彈性壓料裝置的彈性力或氣墊中的壓縮空氣作用力；雙動壓力機(jī)上的壓料力Q則由壓力機(jī)的壓料滑塊直接提供。圖2-27補(bǔ)2-27-1補(bǔ)2-27-2補(bǔ)2-27-3補(bǔ)2-27-4補(bǔ)2-27-51)拉深系數(shù)m由于各種拉深件的深度與直徑的比值不同，有的可以只用一次拉深工序制成，也有需要進(jìn)行多次拉深工序才能制成的。拉深的次數(shù)關(guān)系到拉深件的經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量。拉深次數(shù)的確定，既要保證拉深能夠正常進(jìn)行，不發(fā)生拉裂或起皺，又要充分利用材料的塑性變形能力。在確定拉深次數(shù)和進(jìn)行拉深工序過程設(shè)計時，通常用拉深系數(shù)作為計算的依據(jù)。拉深系數(shù)m是指拉深后的圓筒形零件直徑d與拉深前毛坯直徑D之比：

m=d/D(2—18)拉深系數(shù)反映了拉深前后毛坯直徑的變化量，和毛坯邊緣在拉深時切向壓縮變形的大小。是拉深變形程度的一種表示方法。m越小，表示拉深變形程度越大。2、圓筒形零件拉深工藝參數(shù)對于第二次及其以后各次的拉深工序，拉深系數(shù)也用類似的公式表示(如圖2-28所示)：

mn=dn/

dn-1(2—19)

式中:mn——第n次拉深工序的拉深系數(shù)；dn——第n次拉深工序后所得到的圓筒形零件直徑，mm；dn-1——第n次拉深工序所用的圓筒形毛坯直徑，mm。為了減少拉深次數(shù)，通常希望采用盡可能小的拉深系數(shù)。但是當(dāng)拉深系數(shù)過小時，毛坯變形區(qū)產(chǎn)生塑性變形就需要很大的拉應(yīng)力，可能導(dǎo)致傳力區(qū)產(chǎn)生不允許的塑性變形，甚至被拉裂，變形區(qū)也容易起皺。在保證變形區(qū)為弱區(qū)，使拉深過程能正常進(jìn)行的條件下，可能采用的最小拉深系數(shù)稱為極限拉深系數(shù)。表2—10是適用于低碳鋼的極限拉深系數(shù)。圖2-28表2-10影響拉深系數(shù)的主要因素：（1）材料的力學(xué)性能強(qiáng)度高、塑性好(即屈強(qiáng)比σs/σb小)的材料，拉深性能好，拉深系數(shù)可取小些。（2）材料的相對厚度材料相對厚度t／D較大時，拉深過程中不易起皺，所需壓料力小，拉深系數(shù)可取小些。（3）模具圓角凸、凹模圓角半徑較大時，毛坯在圓角處的彎曲變形小，拉深變形所需的拉應(yīng)力相應(yīng)減小，毛坯不易拉裂，因此拉深系數(shù)可以取小些。（4）潤滑毛坯與凹模、壓料圈之間的潤滑較好時，可降低毛坯側(cè)壁所受的拉應(yīng)力，拉深系數(shù)可以取小些。而毛坯與凸模之間的摩擦力有減小危險斷面?zhèn)鬟f拉應(yīng)力的作用，所以生產(chǎn)中常采用毛坯單面潤滑法。實際上，具體為只潤滑凹模腔和凹模上平面。2）拉深力拉深力和壓料力是選擇設(shè)備的主要依據(jù)之一。拉深力與拉深系數(shù)、材料的力學(xué)性能、零件的尺寸、模具的結(jié)構(gòu)以及潤滑等有關(guān)。生產(chǎn)中常用經(jīng)驗公式計算拉深力：P1=πd1tσbK1(2—20)Pn=πdntσbKn(2—21)

式中：P1、Pn——分別為第一次拉深力和以后各次拉深力，N；d1、dn——分別為第一次拉深和以后各次拉深所得到的拉深件直徑，mm；t——材料厚度，mm；σb——材料的強(qiáng)度極限，MPa；K1、Kn——系數(shù)，可從表2—11和表2—12中查取。表2-11表2-12圖2-293）壓料力壓料力的大小對拉深過程有顯著的影響。壓料力太小，防皺效果不好；壓料力太大，會增加毛坯的內(nèi)應(yīng)力，增加拉裂的危險。通常取壓料力稍大于防皺所需的最低值，可按下式確定：

Q=Fq(2—22)式中：Q——壓料力，N；F——拉深開始時的壓料面積，mm2；q——單位壓料力，MPa。單位壓料力q值決定于材料的力學(xué)性能、拉深系數(shù)、板料的相對厚度和潤滑等。一般說來，當(dāng)板料的強(qiáng)度高、相對厚度小、拉深系數(shù)小時，必需的q值較大。對于深拉深用鋼板，t<0.5mm時，取q=2.0~2.5MPa；t>0.5mm時，取q=2.5~3.0MPa。4）圓筒形拉深件毛坯尺寸的確定確定拉深件毛坯時，可以忽略毛坯厚度在拉深過程中的變化，按照拉深件的表面積與毛坯面積相等的原則計算毛坯尺寸。旋轉(zhuǎn)體拉深件的毛坯形狀是圓形的，如圖2—30所示計算毛坯尺寸。先把拉深件加上切邊余量Δh(可按表2—13選取)，再劃分成若干個便于計算的部分，分別算出各部分的面積，相加后即得到拉深件的總面積∑F，然后按下式計算出圓形毛坯的直徑D：

圖2-30表2-131）盒形零件的拉深變形特點盒形零件的拉深變形在性質(zhì)上是與圓筒形零件相同的，變形區(qū)也是一拉一壓的應(yīng)力狀態(tài)。但是圓筒形零件的拉深變形在周邊上是均勻的，而盒形零件的拉深變形在周邊上則是不均勻的。這就是這兩種零件拉深的主要差別。盒形零件可以劃分為長度分別為A—2r和B—2r的4個直邊部分和半徑為r的4個圓角部分(圖2—31)。若直邊部分和圓角部分的變形沒有聯(lián)系，則盒形件的拉深就是由直邊部分的彎曲和圓角部分的拉深所組成。但直邊部分和圓角部分是一整體，必然有相互的作用和影響——協(xié)調(diào)變形，因此它們的成形不是簡單的彎曲和拉深，兩部分之間并不存在明確的界限。3、盒形零件的拉深圖2-31

拉深前：在毛坯表面上的圓角部分劃上徑向放射線與同心圓組成的網(wǎng)格線，在直邊部分劃上相互垂直的等距網(wǎng)格線，距離分別為l和h(圖2—31)。觀察拉深后網(wǎng)格變化，可以了解盒形零件的拉深變形情況。

拉深后：直邊部分上的網(wǎng)格發(fā)生了橫向壓縮和縱向伸長。網(wǎng)格的橫向尺寸：l3‘<l2’<l1‘<l，縱向尺寸：h3’>h2‘>h1’>h。由尺寸變化可以看出，直邊部分的變形是不均勻的。不論是橫向壓縮還是縱向拉伸，都是直邊中間部分變形最小，靠近圓角部分變形最大，靠近底部部分變形最小，靠近上口部分變形最大。拉深后，圓角部分的網(wǎng)格不是與底面垂直的等距離平行線，而是上口處距離大，底部距離小的斜線。上述現(xiàn)象表明，由于直邊部分存在橫向壓縮變形，使圓角部分的拉深變形程度和變形引起的硬化程度都有所降低，變形所需要的徑向拉應(yīng)力也低于相同尺寸的圓筒形零件拉深。此外，在拉深過程中，變形區(qū)內(nèi)直邊部分材料的流動速度大于圓角部分材料的流動速度，直邊部分材料流動對圓角部分材料流動的帶動作用使圓角部分側(cè)壁底部危險斷面的拉應(yīng)力有所降低。2）盒形件拉深的極限變形程度由于盒形件的直邊部分緩解了圓角部分的變形程度，降低了危險斷面的拉應(yīng)力；因此，盒形件的極限變形程度大于圓筒形件。盒形件的相對圓角半徑r／B(圖2—31)越小，直邊部分的影響就越大，極限變形程度就越高；r／B越大，直邊部分的影響越小，而當(dāng)r／B=0.5時，盒形件變成圓筒形件，其極限變形程度也就是圓筒形件的極限變形程度了。盒形件初次拉深的極限變形程度可以用相對高度H／r來表示。由平板毛坯一次拉深可能沖成的盒形件高度決定于盒形件的相對圓角半徑r／B、相對厚度t／B和材料的沖壓性能。對深拉深用鋼板，可按表2—14查取一次拉深的最大相對高度。當(dāng)t／B<0.01，且A／B≈1時，取表中較小值；當(dāng)t／B>0.015，且A／B≥2時，取表中較大值。假如盒形件的相對高度H／r不超過表2—14中所列的數(shù)值，則盒形件可一次拉深成形。否則，必須采用多次拉深。表2-143）盒形件毛坯形狀和尺寸的確定盒形件毛坯的確定也按照毛坯面積等于零件表面積的原則。此外，毛坯的形狀還應(yīng)保證材料在周邊上的分布能夠滿足零件形成等高側(cè)壁的需要。由于盒形件拉深時變形的不均勻性以及零件尺寸、材料性能、模具結(jié)構(gòu)、工序數(shù)目等因素對變形的影響，現(xiàn)在還不可能比較精確地用理論計算來確定毛坯的形狀和尺寸。生產(chǎn)中常利用一些簡單的計算方法——經(jīng)驗公式初步確定一個供試驗用的毛坯形狀和尺寸，然后按試沖結(jié)果對毛坯形狀和尺寸進(jìn)行修正。拉深一般不可能得到上口十分平齊的零件，還要對其進(jìn)行修邊。一次拉深成形較淺的盒形件，可用下述方法初步計算毛坯的形狀和尺寸。先將盒形件的直邊按彎曲變形，圓角部分按四分之一圓筒形件拉深變形在盒形底部平面上展開(圖2—32)，得毛坯外形ABCDEF。直邊部分的展開長度l:l=H+0.57

rp(2—23)圖2-32式中:H——盒形件的沖壓高度，即盒形件高度h與修邊余量Δh之和，mm；(對于一次拉深成形，可取Δh=0.03h~0.04h)rp——盒形件底部的圓角半徑，mm。

圓角部分的展開半徑R:

此時的毛坯形狀不具有圓滑過渡的輪廓，也沒有考慮到材料由圓角部分向直邊部分的轉(zhuǎn)移。因此，再進(jìn)行如下的修正：分別從BC的中點G和DE的中點H向圓弧R作切線，再用圓弧將切線和直邊展開線聯(lián)接起來。于是就得到毛坯的外形ALGHMF。對于需要多次拉深的較深的方盒形件，可以采用圓形毛坯(圖2—33)，其直徑D：

對于高度和角部圓角半徑都較大的矩形盒，可以采用長圓形(圖2—34)或橢圓形毛坯。毛坯窄邊的曲率半徑按半個方盒計算，即取R′=D／2。圖2-33圖2-34曲面形狀零件包括球形零件、錐形零件、拋物面形狀零件和其它復(fù)雜形狀的曲面零件。車身覆蓋件大多是復(fù)雜曲面零件。曲面形狀零件拉深的變形區(qū)位置、受力情況、變形特點和成形機(jī)理都與圓筒形件拉深有很大的差別。下面以曲面旋轉(zhuǎn)體零件為例來分析曲面形狀零件的拉深特點。圓筒形件的拉深變形區(qū)僅僅限于壓料圈下的法蘭部分，即寬度為AB的環(huán)形部分(圖2－35)。而在曲面形狀零件的拉深中，除了法蘭部分為變形區(qū)外，毛坯中間半徑為OB的圓形部分將由平面變?yōu)榍?，也是變形區(qū)，在很多情況下甚至是主要變形區(qū)。圖2—36是一個曲面零件拉深后實測的變形分布結(jié)果。括號外的數(shù)字是緯向變形值(直徑的變化量)，括號內(nèi)的數(shù)字是經(jīng)向變形值；正號表示伸長，負(fù)號表示壓縮。圖中第5點在拉深前后直徑?jīng)]有變化，形成一個直徑為D分界的分界圓，把毛坯的中間部分(即圖2—35中的OB部分)劃分成兩個不同的變形區(qū)。分界圓以內(nèi)的毛坯處于二、曲面形狀零件的拉深兩向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，毛坯厚度變薄，表面積增大，其成形機(jī)理為脹形；分界圓以外的部分(即圖2—35中的BF部分)，毛坯處于經(jīng)向受拉和緯向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，其成形機(jī)理為本身的拉深變形與內(nèi)部的脹形變形。而在毛坯法蘭部分(即圖2—35中的AB部分)的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點則完全與圓筒形件的拉深相同。由此可知，曲面形狀零件拉深的成形機(jī)理同時存在著拉深和脹形兩種形式。圖2—35中的BF部分處于不與模具表面接觸的懸空狀態(tài)，抗失穩(wěn)能力較差，拉深時在緯向壓應(yīng)力作用下容易起皺，這種毛坯中間部分起皺的現(xiàn)象時常成為曲面零件拉深時必須解決的主要問題。加大毛坯直徑、增加壓料力和采用有拉深筋的沖模都可以減小毛坯中間部分起皺的趨勢。這三種措施的共同特點，都是用增大毛坯法蘭邊的變形阻力和摩擦阻力的方法來提高徑向拉應(yīng)力的數(shù)值，增大毛坯中間部分的脹形成分，從而減小毛坯中間部分受緯向壓應(yīng)力作用的區(qū)域，降低緯向壓應(yīng)力的值。圖2-35圖2-36一、脹形脹形是一種成形工序。在車身沖壓生產(chǎn)中，脹形主要用于平板毛坯的局部成形，如在沖壓件上壓制凹坑、凸臺、加強(qiáng)筋和文字等。脹形也是沖壓的一種基本變形形式，常常與其它變形形式一起出現(xiàn)在復(fù)雜形狀零件的沖壓過程中。如曲面形狀零件拉深時，毛坯中間部分就要產(chǎn)生脹形變形。在平板毛坯上局部脹形如圖2—37所示。當(dāng)毛坯外徑較大，超過凹模孔徑三倍以上時，由于毛坯外環(huán)發(fā)生切向收縮的阻力很大，外環(huán)成為相對的強(qiáng)區(qū)。而凸模直接作用下的毛坯部分則成為弱區(qū)，所以塑性變形就局限在這個范圍里。脹形時，變形區(qū)內(nèi)的板料處于雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，補(bǔ)圖2-37-2

。變形過程中，材料不向變形區(qū)外轉(zhuǎn)移，也不從外部進(jìn)入變形區(qū)內(nèi)。變形區(qū)內(nèi)板料形狀的變化是由其厚度變薄、表面積增大來實現(xiàn)的。2－6其它成形工藝圖2-37補(bǔ)2-37-2由于脹形時板料處于雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，變形區(qū)的毛坯一般不會產(chǎn)生失穩(wěn)起皺現(xiàn)象，沖成的零件表面光滑、質(zhì)量好。由于脹形時在板料厚度方向上的拉應(yīng)力分布比較均勻，內(nèi)、外表面上的拉應(yīng)力之差較小，因而制件形狀穩(wěn)定，回彈很小，容易得到尺寸精度較高的零件。所以，有時還采用脹形的方法對沖壓成形之后的零件進(jìn)行校形，以提高尺寸精度。對于曲率不大，比較平坦的車身覆蓋件，也常用脹形方法或帶有很大脹形成分的拉深方法(如模具采用具有很強(qiáng)作用的拉深筋)來成形。脹形的極限變形程度主要取決于材料的塑性。塑性越好，延伸率越大，極限變形程度就越大。此外，材料的硬化指數(shù)n較大、凸模圓角半徑較大、或模具表面摩擦較小時，都有利于板料的變形均勻，可使脹形的極限變形程度提高。局部脹形的深度受極限變形程度的限制。為了避免裂紋產(chǎn)生，脹形深度不能過大。對于低碳鋼，若用球形凸模，即圖2—37中所示r=d／2時，脹形可達(dá)到的極限深度約為h≈d／3；若用平端面凸模，脹形可達(dá)到的深度為h≤(0.15~0.20)d，具體數(shù)值取決于凸模的圓角半徑r。在平板上壓制加強(qiáng)筋可能達(dá)到的深度決定于材料的塑性和加強(qiáng)筋的幾何形狀。對于低碳鋼，當(dāng)加強(qiáng)筋斷面具有圓滑過渡的形狀時，壓筋深度h可達(dá)到筋的寬度b的30%左右，即h≤0.3b。用剛體凸模時，平板毛坯脹形力可按下式估算：P=KLtσb(2—26)式中：P——脹形力，N;K——系數(shù)，可取0.7~1.0，變形程度大時取較大值；L——脹形區(qū)周邊長度，mm；t——板料厚度，mm；σb——材料的抗拉強(qiáng)度極限，MPa。翻邊是在毛坯的平面或曲面部分上使板料沿一定的曲線翻成豎立邊緣的沖壓方法。車身沖壓件常用翻邊來作為焊接和裝配面，用翻邊來增加零件的剛度，用翻邊使覆蓋件邊緣光滑、整齊和美觀。翻邊在車身沖壓中的應(yīng)用很普遍。按變形的性質(zhì)，翻邊可以分為伸長類翻邊和壓縮類翻邊。伸長類翻邊的切向變形是伸長變形，翻邊后的板料邊緣輪廓變長；壓縮類翻邊的切向變形是壓縮變形，翻邊后的板料邊緣輪廓變短。當(dāng)翻邊是在毛坯的平面部分上進(jìn)行時，又稱為平面翻邊；當(dāng)翻邊是在毛坯的曲而部分上進(jìn)行時，稱為曲面翻邊。二、翻邊圓孔翻邊(圖2—38)和常見的非圓孔內(nèi)凹曲線翻邊(圖2—39)屬于伸長類翻邊。圓孔翻邊前的毛坯孔直徑為d0(圖2—38)，翻邊變形區(qū)是內(nèi)徑為d0、外徑為D的環(huán)形部分。翻邊過程中，變形區(qū)的內(nèi)徑在凸模作用下不斷增大，直到等于凸模直徑dp時，翻邊結(jié)束，形成豎直的邊緣。翻邊過程中，變形區(qū)受切向拉應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力——兩向拉應(yīng)力作用。切向拉應(yīng)力是最大主應(yīng)力；徑向拉應(yīng)力值較小，它是由于毛坯與模具之間的摩擦而產(chǎn)生的。內(nèi)孔邊緣處于單向應(yīng)力狀態(tài)，它受到的切向拉應(yīng)力最大，產(chǎn)生的變形也最大，是翻邊破裂的危險部位。圓孔翻邊的變形程度用翻邊系數(shù)K來表示：K=d0/D(2—27)1、內(nèi)孔翻邊圖2-38式中：d0——翻邊前孔的直徑，mm；D——翻邊后孔的直徑，若考慮板厚，可取板厚中線處的直徑，mm。翻邊系數(shù)K值越大，變形程度越小；K值越小，變形程度越大。翻邊孔不致破裂所能達(dá)到的最小翻邊系數(shù)稱為極限翻邊系數(shù)。極限翻邊系數(shù)與許多因素有關(guān)：材料的塑性越好，極限翻邊系數(shù)越??；材料的相對厚度越大(即d。／t越小)，極限翻邊系數(shù)越??；凸模工作邊緣的圓角半徑越大，極限翻邊系數(shù)越??；毛坯孔邊緣表面質(zhì)量高，無撕裂、毛刺、硬化等現(xiàn)象時，極限翻邊系數(shù)較小。低碳鋼的極限圓孔翻邊系數(shù)可按表2—15選取。非圓孔的翻邊線是曲率變化的曲線(圖2—39)．在變形區(qū)內(nèi)，翻邊線的曲率半徑越大，切向拉應(yīng)力和切向伸長變形都越小。在直線上則僅在凹模圓角處產(chǎn)生彎曲變形，沒有切向伸長變形。但由于曲線部分和直線部分是一個整體，曲線部分上的翻邊變形在一定程度上擴(kuò)展到直線部分，使直線部分也產(chǎn)生一定的切向伸長，從而曲線部分的切向伸長變形程度得以減輕。因此，非圓孔的表2-15極限翻邊系數(shù)K，比圓孔的K小一些，其值可按下式近似計算:(2-28)式中:K——圓孔的極限翻邊系數(shù)；α——曲線部分的中心角，度。

當(dāng)α大于1800時，直線部分的影響已很不明顯，此時應(yīng)按圓孔翻邊來確定極限翻邊系數(shù)。圓孔翻邊的毛坯孔徑d0(圖2—40)可按彎曲變形長度展開的方法做近似的計算，計算公式: (2—29)式中符號的意義如圖2-40中所示。圖2-39圖2-40

外緣翻邊有伸長類翻邊，也有壓縮類翻邊。如圖2—41所示的沿內(nèi)凹曲線的平面翻邊和如圖2—42所示的曲面翻邊是伸長類翻邊；如圖2—43所示的沿外凸曲線的平面翻邊和如圖2-44所示的曲面翻邊是壓縮類翻邊。

伸長類外緣翻邊變形區(qū)內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)與變形特點與圓孔翻邊是相同的，但與圓孔翻邊的不同之處是外緣翻邊的應(yīng)力和變形沿翻邊線的分布是不均勻的。在翻邊曲線的中間部分切向拉應(yīng)力和切向伸長變形最大，而在曲線兩端的邊緣上切向拉應(yīng)力和切向伸長變形都為零。切向伸長變形對毛坯在翻邊高度上變形的影響，使翻邊后的豎邊高度中間小，兩端大，而且豎邊的端線不垂直，向內(nèi)傾斜成一定角度，為了得到平齊一致的翻邊高度，應(yīng)對毛坯兩端的輪廓線做必要的修正，采用如圖2—45中虛線所示的形狀。修正量視r／R和α的大小而定。若翻邊高度不大，翻邊曲線曲率半徑很大，也可以不修正。2、外緣翻邊圖2-41圖2-42圖2-43圖2-44圖2-45

壓縮類翻邊過程中，在毛坯變形區(qū)內(nèi)除了靠近豎邊根部圓角半徑附近的部分產(chǎn)生彎曲變形外，其豎邊部分受到切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力的作用，產(chǎn)生切向壓縮和徑向伸長變形，而且是以受切向壓應(yīng)力和產(chǎn)生切向壓縮變形為主。實質(zhì)上，壓縮類翻邊的應(yīng)力狀態(tài)和變形特點與拉深是相同的。壓縮類翻邊可看作是沿不封閉曲線進(jìn)行的非軸對稱的拉深變形。其極限變形程度主要受變形區(qū)毛坯失穩(wěn)起皺的限制。壓縮類外緣翻邊變形區(qū)的切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力沿翻邊線的分布是不均勻的，在曲率半徑越小的部位或是越靠近曲線中間位置的部位，切向壓應(yīng)力和徑向拉應(yīng)力都越大，而在翻邊線的兩端則最小。如果采用等寬的毛坯翻邊邊緣，翻邊后會形成中間高兩端低的豎邊，兩端的豎邊邊緣線向外傾斜。這個情形正好與伸長類外緣翻邊相反。為了得到豎邊高度平齊而兩端邊緣垂直的零件，需要按如圖2—46中虛線所示形狀對毛坯做必要的修正。

曲面翻邊時，必須使凸模和壓料面的幾何形狀與毛坯的曲面形狀相同(圖2—47)，而凹模的形狀則應(yīng)根據(jù)翻邊變形的規(guī)律來確定。圖2-46圖2-47伸長類翻邊時，將凹模工作部分做成不同高度或斜度的斜面(圖2—47)，或者把凹模做成如圖2—48所示的形狀，使翻邊首先從毛坯的兩端開始，隨著凸模的下降，變形逐漸擴(kuò)展到毛坯的中間部分。這樣可以把材料向毛坯中間部分集中，防止開裂。壓縮類翻邊時，將凹模做成圖2—49所示的形狀，使翻邊首先從毛坯的中間部分開始，隨著沖壓的進(jìn)行，切向壓縮逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，這就把中間堆積的材料向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，從而減少了起皺的可能性。圖2-48圖2-49一、壓力機(jī)的類型1、壓力機(jī)的分類沖壓設(shè)備的種類很多，其中使用最普遍的是壓力機(jī)。壓力機(jī)可按下列方法進(jìn)行分類：1)按動力傳遞的形式可分為機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)。2)按床身型式可分為開式壓力機(jī)和閉式壓力機(jī)(圖2—50)。對于開式壓力機(jī)，操作者可以從三個方向接近工作臺，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，但是床身剛度小，易變形，對沖壓件的精度和模具的壽命有影響。因此，開式壓力機(jī)多為小型壓力機(jī)。還有一種開式可傾壓力機(jī)，床身可以傾斜，便于使工件自動滑下去落入料箱。2—7沖壓設(shè)備對于閉式壓力機(jī)，操作者只能從前后兩個方向接近工作臺，床身的強(qiáng)度和剛度好，多為大、中型壓力機(jī)。3)按曲柄壓力機(jī)的曲軸支承形式可分為單柱式壓力機(jī)和雙柱式壓力機(jī)(圖2—51)單柱式的曲軸僅在曲柄的一側(cè)有支承座；雙柱式的曲軸在曲柄的兩側(cè)都有支承座。顯然雙柱式的精度較高。4)按曲柄壓力機(jī)的連桿數(shù)目可分為單點壓力機(jī)、雙點壓力機(jī)、和四點壓力機(jī)。單點壓力機(jī)的滑塊由一個連桿帶動，通常是工作臺面較小的壓力機(jī)。雙點壓力機(jī)的滑塊由兩個連桿帶動(圖2—52)，有兩曲軸轉(zhuǎn)向相同和相反的兩種傳動形式。兩個曲軸轉(zhuǎn)向相反可使兩個連桿的水平作用力互相抵消，有利于滑塊運(yùn)動平穩(wěn)。雙點壓力機(jī)的工作臺面在左右方向上較寬。四點壓力機(jī)的滑塊由4個連桿帶動，它的工作臺面在前后、左右方向上都較大。圖2-50圖2-51圖2-525)按壓力機(jī)的公稱壓力可分為小型壓力機(jī)、中型壓力機(jī)和大型壓力機(jī)。公稱壓力在lOOt以下的是小型壓力機(jī)；在100~300t的是中型壓力機(jī)；在300t以上的大型壓力機(jī)。6)按滑塊數(shù)目可分為單動壓力機(jī)、雙動壓力機(jī)和三動壓力機(jī)。單動壓力機(jī)有一個滑塊，用于沖壓一般的沖壓件。雙動壓力機(jī)有兩個滑塊，其中一個用于拉深時壓料用，專門用于拉深大型復(fù)雜的制件。2、壓力機(jī)的技術(shù)參數(shù)與沖壓工藝有關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有：1)公稱壓力Pg：160/200/250/315/400/500/630/800/1000/1250/1600/2000/2500/3150/4000t等

壓力機(jī)的公稱壓力是指滑塊在離下死點某一特定距離(稱為公稱壓力行程Sp)或曲柄轉(zhuǎn)到某一特定角度位置(稱為公稱壓力角αp)時，滑塊所允許的最大作用力。公稱壓力按噸計量。2)滑塊行程S：250/315/400/500/630mm等滑塊行程是指從滑塊上死點至滑塊下死點的距離。它等于曲柄半徑的兩倍。3)滑塊行程次數(shù)n：20/16/12/10/8等滑塊行程次數(shù)是指壓力機(jī)在空載時，每分鐘內(nèi)滑塊從上死點到下死點、又回到上死點的連續(xù)運(yùn)行次數(shù)。4)最大閉合高度Hmax和最小閉合高度Hmin

把滑塊調(diào)整至最上位置，且滑塊位于下死點時，滑塊下平面至工作臺上平面的距離就是最大閉合高度Hmax。而把滑塊調(diào)整至最下位置且位于下死點時的滑塊下平面至工作臺上平面的距離則是最小閉合高度Hmin。5)閉合高度調(diào)節(jié)量ΔH閉合高度從最大到最小可以調(diào)節(jié)的范圍就是閉合高度調(diào)節(jié)量。除上述參數(shù)外，滑塊導(dǎo)軌間距、工作臺面尺寸、滑塊底面尺寸等，也都是壓力機(jī)使用性能的基本參數(shù)。它們對能夠沖壓的制件形狀和尺寸、模具的設(shè)計、生產(chǎn)中的操作與調(diào)整都有直接的關(guān)系。

大多數(shù)沖壓用機(jī)械壓力機(jī)都采用由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動滑塊的傳動形式，稱為曲柄壓力機(jī)。曲柄壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2—53所示。下面介紹壓力機(jī)的一些主要部件及其作用。1、飛輪壓力機(jī)工作時是間歇作功。在滑塊往返一周的行程中，實際沖壓作功只占很小一段行程。在滑塊不運(yùn)動時或在壓力機(jī)不作功的滑塊行程中，用飛輪把電動機(jī)供給的能量儲存起來，沖壓作功時主要靠飛輪提供能量。飛輪儲存能量時轉(zhuǎn)速升高，釋放能量時轉(zhuǎn)速降低。采用飛輪，就可以采用功率較小的電動機(jī)。2、離合器和制動器離合器和制動器的作用是在飛輪不停止旋轉(zhuǎn)的情況下，開動或停止壓力機(jī)滑塊。當(dāng)滑塊需要開動時，通過控制系統(tǒng)使制動器松開，離合器結(jié)合。當(dāng)需要滑塊停止時，通過控制系統(tǒng)使離合器脫開，制動器制動，將飛輪以后的運(yùn)動件制動住。二、曲柄壓力機(jī)圖2-53常用的離合器可分成剛性離合器和摩擦離合器兩大類。小型壓力機(jī)一般采用剛性離合器，而大、中型壓力機(jī)一般采用摩擦離合器（可以起到過載保護(hù)作用）。制動器按其結(jié)構(gòu)形式可分為帶式制動器和盤式制動器。帶式制動器一般用于小型壓力機(jī)，盤式制動器常用于大、中型壓力機(jī)。3、平衡裝置大、中型壓力機(jī)的滑塊部件和上模的重量較大，當(dāng)滑塊開始向下運(yùn)動時會因此而迅速下落，此時所有傳動系統(tǒng)的受力零件(如曲柄連桿機(jī)構(gòu)和傳動齒輪)均為非受力面接觸，受力面出現(xiàn)間隙。當(dāng)滑塊受到?jīng)_壓件變形抗力的阻礙時，所有受力面消除空隙并產(chǎn)生碰撞，因而產(chǎn)生附加應(yīng)力和磨損，引起振動和噪聲。為此，大、中型壓力機(jī)都安裝有平衡裝置。平衡裝置提供一個力來平衡滑塊和上模的重力，使受力零件的受力面保持正常接觸，傳動平穩(wěn)。另外，采用平衡裝置還可以減少回程時飛輪能量的消耗，提高制動器的靈敏性和可靠性，防止機(jī)件損壞時滑塊因自重下落而發(fā)生事故。常用的平衡裝置有重塊式、彈簧式和氣動式。圖2-54是一種氣動式平衡器的工作原理圖，氣缸缸體固定在床身上，氣缸活塞桿與滑塊相連，氣缸下腔通以壓縮空氣就可以把滑塊托住。氣缸里的氣壓可以根據(jù)上模的重量進(jìn)行調(diào)節(jié)。4、氣墊氣墊通常安裝在工作臺下面。氣墊的作用是在拉深工序中由下向上進(jìn)行壓料，還可以在沖壓終了時把制件從下模中頂出。氣墊的壓料力或頂件力來自壓縮空氣的作用力，其大小可以調(diào)節(jié)，而且在拉深過程中壓料力的變化不大。氣墊有空氣式和氣液式兩類。1）空氣式氣墊圖2—55是一個雙層氣缸的空氣式氣墊的工作原理示意圖。用雙層氣缸可以減小氣墊的外形尺寸。當(dāng)A腔和B腔進(jìn)入壓縮空氣后，活塞4上升，由托板3和托桿2將力傳遞到模具上去，進(jìn)行壓料或把已沖壓好的制件頂出。當(dāng)壓力機(jī)滑塊下行時，活塞4在滑塊的作用下隨之下降。一般來說其壓料力不大。圖2-54圖2-552）氣液式氣墊在大噸位壓力機(jī)上，若使用空氣式氣墊，結(jié)構(gòu)尺寸就會很大。因此，一般采用氣液式氣墊，氣液式氣墊的工作原理如圖2—56所示。在氣缸下腔C或氣缸上腔B通入壓縮空氣可使閥桿3上移或下移，從而使加壓油腔A與儲油器4斷開或接通。頂件時，加壓油腔A與儲油器4始終處于連通狀態(tài)，腔內(nèi)具有一定壓力。壓力機(jī)滑塊下行時，柱塞2被壓下；滑塊上升時，柱塞便上移頂件。為避免制件頂出時與上模碰撞，可采用滯動頂件方式，即在滑塊位于下死點時，由控制系統(tǒng)使閥桿3關(guān)閉加壓油腔A，當(dāng)滑塊帶動上模上升至一定位置后再讓閥桿3下移打開加壓油腔A，這時才在儲油器4的壓力作用下頂件。拉深壓料時，在滑塊上升的過程中加壓油腔A與儲油器4連通，托板1上升。當(dāng)滑塊下行時，讓閥桿2關(guān)閉加壓油腔A?；瑝K繼續(xù)下行，A腔的壓力在氣缸下腔C的氣壓作用下升高，達(dá)到需要的壓料力。當(dāng)A腔壓力在滑塊作用下繼續(xù)升高后便頂開閥桿3卸壓，使壓料力基本保持不變。拉深終了后，閥桿3下移，連通A腔與儲油器4，托板1上升頂件。圖2-561、雙動壓力機(jī)的特點雙動壓力機(jī)有雙動機(jī)械壓力機(jī)和雙動液壓機(jī)兩種。雙動壓力機(jī)有兩個滑塊，它們按各自的運(yùn)動規(guī)律分別進(jìn)行壓料和拉深。雙動壓力機(jī)主要用于大型復(fù)雜零件的拉深。它與單動壓力機(jī)相比，具有以下特點：1)雙動壓力機(jī)的壓料力大，一般為拉深力的0.6~1倍。而單動壓力機(jī)的壓料力由彈性壓料裝置提供，最大約為拉深力的0.3倍左右，拉深大型或復(fù)雜的覆蓋件時壓料力不夠。2)雙動壓力機(jī)可以在壓料滑塊的4個角上進(jìn)行調(diào)節(jié)，使壓料圈微量傾斜，從而調(diào)整各部位的壓料作用。而單動壓力機(jī)的壓料裝置只能整個地調(diào)整壓料力。三、雙動壓力機(jī)3)雙動壓力機(jī)的壓料滑塊在壓料時速度接近于零。行程幾乎不變化，只消耗很少的能量。而彈性壓料裝置在壓料時壓料圈要向下移動，需要消耗能量，使電動機(jī)的功率需增大20~30%。4)雙動壓力機(jī)的拉深凹模固定在工作臺上，毛坯在凹模上容易安放與定位，便于用機(jī)械手送料、取件。而采用彈性壓料裝置的單動壓力機(jī)一般是把凸模固定在工作臺上，凸模的凸起使毛坯不易定位，必須將毛坯頂彎。5)雙動壓力機(jī)的壓料剛度好，能充分發(fā)揮壓料面上拉深筋的作用。而單動壓力機(jī)的壓料不是剛性的，當(dāng)壓料面為不對稱曲面時，壓料效果差。6)雙動壓力機(jī)在開始壓料時，壓料滑塊的速度已接近于零，壓料沖擊小。而單動壓力機(jī)在開始拉深時的滑塊速度很高，由于氣墊和壓料圈的慣性，勢必產(chǎn)生很大的沖擊。雙動機(jī)械壓力機(jī)有一個外滑塊和一個內(nèi)滑塊。外滑塊上固定壓料圈，作壓料用；內(nèi)滑塊上固定凸模，進(jìn)行拉深。外滑塊一般由連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)其運(yùn)動。如DN1000／4000雙動壓力機(jī)的外滑塊的運(yùn)動機(jī)構(gòu)簡圖如圖2—57所示，曲柄1轉(zhuǎn)動時，依次通過由桿件1、2、3組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、由桿件4、5、6組成的雙搖桿機(jī)構(gòu)和由桿件7、8、9組成搖桿滑塊機(jī)構(gòu)，使外滑塊9按照一定規(guī)律上下移動。圖2—58是雙動壓力機(jī)內(nèi)、外滑塊的行程曲線圖?？梢钥闯?，外滑塊先于內(nèi)滑塊向下運(yùn)動，到達(dá)其下死點將毛坯壓緊，然后保持不動。此時內(nèi)滑塊相繼下行，到達(dá)外滑塊下死點處開始進(jìn)行拉深，直到內(nèi)滑塊到下死點時拉深結(jié)束。拉深結(jié)束后內(nèi)