第5章 1其他成形工藝及模具設計（5-1）

第五章其它成形工藝與模具設計內容簡介：學習目的與要求：1．

了解脹形、翻邊、縮口、校形等工序的變形特點；2．

了解脹形模、翻邊模、縮口模、校形模的結構特點。重點：脹形、翻邊工序的變形特點、工藝計算和模具結構特點。

難點：翻邊工序的變形特點、工藝計算。

在掌握沖裁、彎曲、拉深成形工藝與模具設計的基礎之上，本章介紹其它成形工藝特點和模具結構特點。涉及脹形、翻邊、縮口、校形等成形工序的變形特點、工藝與模具設計特點。1

在沖壓生產(chǎn)中，通過板料或坯料的局部變形來改變毛坯的形狀和尺寸的沖壓成形工序有：脹形、翻邊、縮口、擴口、整形、旋壓等統(tǒng)稱為其他成形。其中，脹形、擴口和伸長類翻邊主要是伸長變形，常因拉應力超出了材料的抗拉強度而使零件破裂；縮口和壓縮類翻邊主要是壓縮類變形，常因坯料壓應力過大失穩(wěn)，而出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；而旋壓是一種特殊的沖壓成形工藝，可利用旋壓來完成類似于拉深、脹形、翻邊和縮口的成形。這些工藝方法的變形特點不盡相同，常和沖裁、彎曲、拉深等工序組合，完成一些復雜形狀零件的沖壓加工。應用這些工序可以加工許多復雜零件。第五章其它成形工藝與模具設計2第一節(jié)脹形當坯料外徑與成形直徑的比值Ｄ/ｄ＞３時，其成形完全依賴于直徑為ｄ的圓周以內金屬厚度的變薄實現(xiàn)表面積的增大而成形。第五章其它成形工藝與模具設計一、脹形的變形特點脹形：是利用模具使毛坯厚度減薄和表面積增大，以獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法。脹形變形區(qū)脹形方法主要用于平板毛坯的局部成形或稱起伏成形，如壓凸起、加強肋、凹坑、花紋圖案及標記等。另外，還有管類空心毛坯的脹形（如波紋管）以及平板毛坯的張拉成形等。曲面零件拉深時毛坯的中間部分也要產(chǎn)生脹形變形。在大型覆蓋件的沖壓成形過程中，為使毛坯能夠很好地貼模，提高成形件的精度和剛度，必須使零件獲得一定的脹形量，因此，脹形如同前面的彎曲、拉深，也是沖壓成形的基本成形方法之一。脹形變形特點3第五章其它成形工藝與模具設計第一節(jié)脹形一、脹形的變形特點2.脹形成形極限

脹形時，由于毛坯變形區(qū)的材料受徑向和切向的雙向拉應力作用，其平均應力σm的數(shù)值較大。因此脹形成形極限以零件是否發(fā)生破裂來判別，即材料拉伸失穩(wěn)后，因強度不足而引起的破裂（屬于脹形破裂，也稱α破裂）。一般來講，脹形破裂總是發(fā)生在厚度減薄最大的部位，所以變形區(qū)的應變分布是影響脹形成形極限的重要因素。成形極限的表示方法亦不相同。局部脹形時常用極限脹形高度表示成形極限；對于其他脹形方法，成形極限可分別用許用斷面變形程度εp（壓肋）、極限脹形系數(shù)Kp（圓柱形空心毛坯脹形）以及極限張拉系數(shù)K1max等表達。破裂是沖壓成形的主要失效形式,分為α破裂、β破裂和彎曲破裂。

α破裂：板料所受的拉應力超過板料的強度極限所引起的破裂；β破裂：板料的伸長變形超過材料的局部延伸率，引起的破裂。彎曲破裂：彎曲變形區(qū)的外層金屬中拉應力過大引起的破裂。4第五章其它成形工藝與模具設計第一節(jié)脹形一、脹形的變形特點2.脹形成形極限雖然脹形成形極限表示方法不同，但變形區(qū)的應變性質都是一樣的，破裂也總是發(fā)生在材料厚度減薄最嚴重的部位。且破裂直接與變形區(qū)應變情況有關，所以影響因素基本相似。歸納起來影響脹形成形極限的主要參數(shù)有：均勻伸長率δu、應變硬化指數(shù)n、潤滑條件和變形速度等。5第一節(jié)脹形

起伏成形俗稱局部脹形，是板料在模具作用下，通過局部脹形而產(chǎn)生凸起或凹下的沖壓加工方法。起伏成形主要用來增強零件的剛度和強度。常見的起伏成形有加強筋、壓凸包、壓字和壓花等可以壓制加強筋、凸包、凹坑、花紋圖案及標記等。

1．壓加強筋第五章其它成形工藝與模具設計二、平板坯料的起伏成形起伏成形大多采用金屬沖模，對厚度較小的板料、薄料和膜片等可采用橡皮膜或液壓脹形裝置成形。簡單的起伏成形零件，其極限變形程度可按下式近似確定：若零件的加強筋超過極限變形程度時，可以采用多次成形的方法壓制加強筋所需的沖壓力，可用下式近似計算：6第一節(jié)脹形沖壓凸包時，凸包高度受到材料性能參數(shù)、模具幾何形狀及潤滑條件的影響，一般不能太大。材料一次成形極限程度用極限脹形深度hmax表示。用半圓形凸模對低碳鋼、軟鋁等圓凸模成形時，可能達到的極限深度為凸模球直徑的1/3，用平端面凸模成形時，達到的極限深度見表5-2。第五章其它成形工藝與模具設計二、平板坯料的起伏成形7壓凸包時，沖壓力可按下式計算：式中

F——沖壓力（N）；

K——系數(shù)，對鋼為200~300N/mm4，對銅為50~200N/mm4；

A——局部脹形面積（mm2）；

t——板材厚度（mm）。1.脹形方法第五章其它成形工藝與模具設計三、管形凸肚剛性模具脹形軟模脹

軸向壓縮和高壓液體聯(lián)合作用的脹形

空心坯料的脹形俗稱凸肚如圖所示，它是使材料沿徑向拉伸，將空心工序件或管狀坯料向外擴張，脹出所需的凸起曲面，如壺嘴、皮帶輪、波紋管等。采用這種工藝方法可獲得形狀復雜的空心曲面零件。生產(chǎn)中常采用剛模脹形、固體軟模脹形或液（氣）壓脹形等方法。8圓柱空心毛坯脹形a)波紋管b)凸肚第五章其它成形工藝與模具設計三、管形凸肚

很顯然采用剛性凸模，模具結構不但比較復雜而且變形的均勻性較差，脹形后零件的內壁往往留有凸模分瓣的痕跡，影響零件的表面質量。因此，剛體分瓣凸模脹模一般適用于工件要求不高和形狀簡單的工件。為了克服鋼性凸模的上述缺點發(fā)展了軟凸模脹形模（用液體、氣體或橡膠）進行圓柱空心毛坯脹形。采用軟凸模脹形時，由于軟凸模傳力均勻，毛坯變形比較均勻，容易保證工件成形的幾何形狀，便于成形復雜形狀的空心件，零件的表面質量也明顯優(yōu)于剛性凸模脹形。為使毛坯脹形后能充分貼模，應在凹模壁上的適當位置開設通氣孔。軟凸模的壓縮量應控制在10%~35%之間。常用的固體軟凸模的材料有橡膠、聚氨脂或PVC塑料等材料，此外，還有液體、氣體充當凸模的脹形。軟凸模脹形模的凹模大都采用金屬剛性凹模，剛性凹?？勺龀烧w式或可分式兩種。9第五章其它成形工藝與模具設計三、管形凸肚

液壓脹形時，毛坯放在凹模內，利用高壓液體充入毛坯空腔，使其直徑脹大，最后貼靠凹模成形如圖5-9所示。液壓脹形是在無摩擦狀態(tài)下成形的，傳力均勻，極少出現(xiàn)不均勻變形，機動性好，液體易反復使用，適用于表面質量和精度要求較高的復雜形狀零件。因此生產(chǎn)中應用較多的是液壓脹形。10加軸向壓縮的液體脹形1－上模2－軸頭3－下模4－管坯第五章其它成形工藝與模具設計2.脹形的變形程度圓柱空心毛坯脹形時，材料主要受切向伸長變形，材料的破壞形式主要為開裂。脹形變形程度用脹形系數(shù)Ｋ表示：Ｋ和坯料伸長率的關系為：11三、管形凸肚第一節(jié)脹形第五章其它成形工藝與模具設計3.脹形的坯料尺寸計算

坯料直徑Ｄ坯料長度Ｌ式中――變形區(qū)母線長度；

――坯料切向拉伸的伸長率；ｂ――切邊余量，一般取ｂ＝10～20ｍｍ。

12三、管形凸肚第一節(jié)脹形第五章其它成形工藝與模具設計4.脹形力的計算脹形時，所需的脹形力Ｆ可按下式計算：脹形單位面積壓力ｐ可用下式計算：

――脹形變形區(qū)實際應力，近似估算時取式中≈（材料的抗拉強度）13三、管形凸肚第一節(jié)脹形第五章其它成形工藝與模具設計生產(chǎn)中常有一些底部曲率半徑很大的制件，如汽車覆蓋件和飛機蒙皮等，沖壓時底部材料的脹形變形程度不大，不易產(chǎn)生破裂，但此類件脹形后回彈很大，而出現(xiàn)貼模不良或形狀凍結性不好，造成較大的形狀誤差。為解決這類零件的回彈問題，生產(chǎn)中常采用張拉成形（簡稱拉形）。張拉成形示意圖如圖所示。張拉成形原理與拉彎成形相似，即在毛坯貼靠凸模曲面成形時，對毛坯附加張力F，一方面可以增大材料變形程度，另一方面能夠減小甚至消除彎曲時材料內部的壓應力成分，從而達到減小零件回彈，增強零件剛度的目的。14四、張拉成形張拉成形示意a）開始階段b）中間階段c）終了階段第一節(jié)脹形第五章其它成形工藝與模具設計張拉成形變形程度計算

K1==1+=1+δ

K1max=1+0.8δ15四、張拉成形式中

δ—材料的平均伸長率。K1的值越大，表明變形程度也越大。生產(chǎn)中允許使用的極限張拉系數(shù)K1max的數(shù)值可用下式計算：

由上式可知。張拉系數(shù)K1與材料的伸長率δ、硬化指數(shù)n、摩擦系數(shù)μ、包角α以及鉗口的形狀有關。當n和δ大時，K1大，當α和μ小時，K1也大。第五章其它成形工藝與模具設計第一節(jié)脹形四、工藝實例——自行車中接頭聚氨酯脹形工藝1617第二節(jié)翻邊

翻邊：是指在模具的作用下，把坯料上的的孔緣或外緣沿直線或曲線沖制成豎立邊的成形方法。翻邊主要用于成形與其他零件的裝配部分，零件的邊部強化，切邊以及成形具有復雜形狀的立體零件，同時提高零件的剛度。在大型鈑金成形時，還能利用翻邊改善材料塑性流動，控制破裂或折皺的出現(xiàn)。所以在汽車、航空航天、電子及家用電器等工業(yè)部門中得到十分廣泛的應用。第五章其它成形工藝與模具設計18按其工藝特點劃分，翻邊可分為內孔（圓孔和非圓孔）翻邊、外緣翻邊和變薄翻邊等。外緣翻邊又可分為內曲翻邊和外曲翻邊。按變形性質可分為伸長類翻邊、壓縮類翻邊以及屬于體積成形的變薄翻邊等。伸長類翻邊的特點是：變形區(qū)材料受拉應力，切向伸長，厚度減薄，易發(fā)生破裂，如圓孔翻邊和外緣翻邊中的內曲翻邊等。壓縮類翻邊的特點是：變形區(qū)材料切向受壓縮應力，產(chǎn)生壓縮變形，厚度增厚，易起皺，如外緣翻邊中的外曲翻邊。非圓孔翻邊經(jīng)常是由伸長類翻邊、壓縮類翻邊和彎曲組合起來的復合成形。第二節(jié)翻邊1．圓孔翻邊的變形特點與變形程度翻邊時，帶有圓孔的環(huán)形毛坯被壓邊圈壓死。變形區(qū)基本上限制在凹模圓角以內，并在凸模輪廓的約束下受單向或雙向拉應力作用（忽略板厚方向的應力），隨著凸模下降，毛坯中心的圓孔不斷脹大，凸模下面的材料向側面轉移，直到完全貼靠凹模側壁，形成直立的豎邊。第五章

其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊變形程度極限翻邊系數(shù)

翻邊后豎邊邊緣的厚度，可按下式估算：

19圓孔翻邊的示意圖K值愈小，豎邊孔緣厚度減薄愈大，也就愈容易發(fā)生破裂。當翻邊系數(shù)減小到小于其極限翻邊系數(shù)K時，則孔的邊緣將發(fā)生破裂。

第二節(jié)翻邊第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊20影響圓孔翻邊成形極限的因素有：（1）材料的力學性能

材料延伸率和應變硬化指數(shù)n大，k小，成形極限大；（2）預制孔的狀態(tài)孔緣無毛刺和硬化時，k較小，成形極限較大，為了改善孔緣情況，可采用鉆孔方法或沖孔后進行整修，有時還可在沖孔后退火，以消除孔緣表面的硬化。為了避免毛刺降低成形極限，翻邊時需將預制孔有毛刺的一側朝向凸模放置。（3）凸模的形狀

用球形，錐形和拋物形凸模翻邊時，孔緣會被圓滑地脹開，變形條件比平底凸模優(yōu)越，故k較小，成形極限較大。（4）板料的相對厚度板料相對厚度越大，k越小，成形極限愈大第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊（２）翻邊的工藝計算1）平板坯料翻邊的工藝計算預沖孔直徑d豎邊高度H或極限高度第二節(jié)翻邊211．圓孔翻邊（續(xù)）第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊（續(xù)）（２）翻邊的工藝計算（續(xù)）2）先拉深后沖底孔再翻邊的工藝計算

先拉深后翻邊的高度h預制孔直徑或翻邊的極限高度拉深高度221．圓孔翻邊（續(xù)）第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊（續(xù)）（３）翻邊力的計算用圓柱形平底凸模翻邊時，可按下式計算：用錐形或球形凸模翻邊的力略小于上式計算值第二節(jié)翻邊231．圓孔翻邊（續(xù)）第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊（續(xù)）（４）翻邊模工作部分的設計翻邊凹模圓角半徑可取該值等于零件的圓角半徑；翻邊凸模圓角半徑應盡量取大些，以便有利于翻邊變形。凸、凹模單邊間隙Ｚ/2＝（0.75～0.85）ｔ

圓孔翻邊凸模的形狀和主要尺寸第二節(jié)翻邊242．非圓孔翻邊第五章其它成形工藝與模具設計一、內孔翻邊（續(xù)）變形區(qū)分類

非圓孔翻邊系數(shù)

非圓孔的極限翻邊系數(shù)，可根據(jù)各圓弧段的圓心角ａ大小，查表獲得。

（一般指小圓弧部分的翻邊系數(shù)）可小于圓孔翻邊系數(shù)Ｋ第二節(jié)翻邊25第二節(jié)翻邊伸長類翻邊（內曲翻邊、內凹外緣翻邊）1.伸長類翻邊第五章其它成形工藝與模具設計二、外緣翻邊變形程度其成形極限根據(jù)翻邊后豎邊的邊緣是否發(fā)生破裂來確定。

按變形的性質分壓縮類翻邊（外曲翻邊、外凸外緣翻邊）ａ）伸長類平面翻邊ｂ）伸長類曲面翻邊

26第二節(jié)翻邊1.伸長類翻邊第五章其它成形工藝與模具設計二、外緣翻邊（續(xù)）ａ）伸長類平面翻邊ｂ）伸長類曲面翻邊伸長類翻邊也叫內凹輪廓翻邊，與孔的翻邊相似。翻邊時，凸緣內產(chǎn)生拉應力而容易破裂。27第二節(jié)翻邊2.壓縮類翻邊第五章其它成形工藝與模具設計二、外緣翻邊（續(xù)）變形程度壓縮類翻邊也稱為外凸輪廓翻邊。其變形性質和應力狀態(tài)類似于不用壓邊圈的淺拉深。翻邊時在翻邊的凸緣內產(chǎn)生壓應力，容易起皺。ａ）壓縮類平面翻邊ｂ）壓縮類曲面翻邊28第二節(jié)翻邊

變薄翻邊對生產(chǎn)豎邊較高的零件，既可提高生產(chǎn)率,又能節(jié)約材料。

變薄系數(shù)第五章其它成形工藝與模具設計三、變薄翻邊豎邊的高度應按體積不變定律進行計算。

沖制Ｍ５以下的小螺孔29第二節(jié)翻邊內孔翻邊模內、外緣同時翻邊的模具第五章其它成形工藝與模具設計四、翻邊模結構落料、拉深、沖孔、翻邊復合模

30第五章其它成形工藝與模具設計31第五章其它成形工藝與模具設計脹形變形區(qū)32第五章其它成形工藝與模具設計起伏