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
中压工艺与模具设计 工序件/半成品 制件图 图5.8无凸模机械胀形 1—上凹模:2一芯轴:3—顶杆:4—推件块:5—顶件块:6—下凹模 (2)橡皮胀形 橡皮胀形如图59所示。在压力作用下橡皮变形,使制件沿凹模胀出所需形状。所用 橡皮应具有弹性好、强度髙和耐油等特点,以聚氨酯橡胶为好。 (3)液压胀形 液压胀形如图5.10所示。压力机滑块下行时,先将灌注有定量液体的工序件/半成品口 部密封(可采用橡胶垫),滑块继续下行,通过液体将高压传递给工序件/半成品内腔,使其 变形。这种方法靠液体传力,在无摩擦状态下成形,受力均匀且流动性很好,因此可以制 作很复杂的胀形件(如皮带轮等)。这种方法工艺较复杂,成本较高。 图5.9橡皮胀形 图5.10液压胀形 l一凸模:2一凹模(2块):3一橡皮 凸模:2一凹模:3一油 橡皮胀形和液压胀形又称软凸模胀形 4.胀形力 软凸模胀形所需的单位压力p,可由变形区内单元体的平衡条件求得 当坯料两端固定,且不产生轴向收缩时 当坯料两端不固定,允许轴向自由收缩时,可近似按下式计算:
178 冲压工艺与模具设计 图 5.8 无凸模机械胀形 1—上凹模；2—芯轴；3—顶杆；4—推件块；5—顶件块；6—下凹模 (2) 橡皮胀形 橡皮胀形如图 5.9 所示。在压力作用下橡皮变形，使制件沿凹模胀出所需形状。所用 橡皮应具有弹性好、强度高和耐油等特点，以聚氨酯橡胶为好。 (3) 液压胀形 液压胀形如图 5.10 所示。压力机滑块下行时，先将灌注有定量液体的工序件/半成品口 部密封(可采用橡胶垫)，滑块继续下行，通过液体将高压传递给工序件/半成品内腔，使其 变形。这种方法靠液体传力，在无摩擦状态下成形，受力均匀且流动性很好，因此可以制 作很复杂的胀形件(如皮带轮等)。这种方法工艺较复杂，成本较高。 图 5.9 橡皮胀形 图 5.10 液压胀形 1—凸模；2—凹模(2 块)；3—橡皮 1—凸模；2—凹模；3—油 橡皮胀形和液压胀形又称软凸模胀形。 4. 胀形力 软凸模胀形所需的单位压力 p，可由变形区内单元体的平衡条件求得。 当坯料两端固定，且不产生轴向收缩时 s max t t p r R 骣ç ÷ = + ç ÷ ç ÷ ç桫 ÷ 当坯料两端不固定，允许轴向自由收缩时，可近似按下式计算： p=(t/rmax) s
第5章其他冲压成形方法 式中:p—软凸模胀形所需的单位压力(MPa) σ、——材料屈服点,胀形的变形程度大时,其值应由材料硬化曲线确定(MPa) 一板料厚度(mm) rmx,R——胀形制件纬向和经向曲率半径(mm)。 刚模胀形所需压力的近似计算可参考有关手册。 52翻边 翻边主要用于制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等),或者为了提高制件的刚度 而加工出的特定形状,在大型板金成形时,也可作为控制破裂或褶皱的手段。 按工艺特点,翻边可分为内孔(圆孔/非圆孔)翻边、外缘翻边(含内曲翻边和外曲翻边) 等;按变形性质可分为伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。伸长类 翻边的变形区为二向拉应力状态,沿切向作用的拉应力是最大主应力,在该方向发生伸长 变形,而厚度变薄,在边缘易发生破裂。压缩类翻边的变形区为切向受压、径向受拉的应 力状态,沿切向作用的压应力为绝对值最大主应力,在该方向发生压缩变形,而厚度增厚 在边缘易发生起皱 按坯料的状况,翻边还可分为平面翻边和曲面翻边。本书只讨论平面翻边。 521圆孔翻边 圆孔翻边的变形情况及极限翻边系数 圆孔翻边是在制件或板料上将制好的孔直接冲制出竖立边缘的成形方法(如图5.11所 示)。翻边的变形区为凹模圆角区之内的环形区,其变形情况是,把板料内孔边缘向凹模洞 口弯曲的同时,将内孔沿圆周方向拉长而形成竖边。从坐标网格的变化看出,不同直径的 同心圆平面,变成了直径相同的柱面,厚度变薄,而同心圆之间的距离变化则不显著。因 此,在通过翻边后得到的柱面轴心线的平面内,可以将翻边变形近似看作弯曲(但厚度变 化规律不同)。 ar+don 图5.11圆孔翻边时的应力与变形情况
第 5 章 其他冲压成形方法 179 式中：p——软凸模胀形所需的单位压力(MPa)； s ——材料屈服点，胀形的变形程度大时，其值应由材料硬化曲线确定(MPa)； t——板料厚度(mm)； rmax，R——胀形制件纬向和经向曲率半径(mm)。 刚模胀形所需压力的近似计算可参考有关手册。 5.2 翻 边 翻边主要用于制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等)，或者为了提高制件的刚度 而加工出的特定形状，在大型板金成形时，也可作为控制破裂或褶皱的手段。 按工艺特点，翻边可分为内孔(圆孔/非圆孔)翻边、外缘翻边(含内曲翻边和外曲翻边) 等；按变形性质可分为伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。伸长类 翻边的变形区为二向拉应力状态，沿切向作用的拉应力是最大主应力，在该方向发生伸长 变形，而厚度变薄，在边缘易发生破裂。压缩类翻边的变形区为切向受压、径向受拉的应 力状态，沿切向作用的压应力为绝对值最大主应力，在该方向发生压缩变形，而厚度增厚， 在边缘易发生起皱。 按坯料的状况，翻边还可分为平面翻边和曲面翻边。本书只讨论平面翻边。 5.2.1 圆孔翻边 1. 圆孔翻边的变形情况及极限翻边系数 圆孔翻边是在制件或板料上将制好的孔直接冲制出竖立边缘的成形方法(如图 5.11 所 示)。翻边的变形区为凹模圆角区之内的环形区，其变形情况是，把板料内孔边缘向凹模洞 口弯曲的同时，将内孔沿圆周方向拉长而形成竖边。从坐标网格的变化看出，不同直径的 同心圆平面，变成了直径相同的柱面，厚度变薄，而同心圆之间的距离变化则不显著。因 此，在通过翻边后得到的柱面轴心线的平面内，可以将翻边变形近似看作弯曲(但厚度变 化规律不同)。 图 5.11 圆孔翻边时的应力与变形情况
冲压工艺与模具设计 翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力a和径向拉应力a的作用。切向拉应力a是 最大主应力,在孔口处达到最大值,此值若超过材料的允许值,翻边即会破裂。因此孔口 边缘的许用变形程度决定了翻边能否顺利进行。变形程度以翻边系数K表示,即 =dID 式中:d—翻边前预制孔直径; D—翻边后直径(中径) K值愈小变形程度愈大。翻边时孔口不破裂可能达到的最小值称为极限翻边系数Kmin 影响Kmin的因素有材料塑性、孔的边缘状况、翻边凸模的形式、d(相对厚度)等。翻边工 艺设计时可针对这些因素采用工艺措施以利于翻边进行。 表5.3是低碳钢圆孔翻边的极限翻边系数。 表5.3低碳钢的圆孔极限翻边系数K。 凸模型式|孔的加工 球形钻孔去毛刺07060052045104003610310310301025020 冲孔0706507020480450441043042042 圆柱形[钻孔去毛刺|0800700600501045042040103703503002 冲孔0.850.750.650600.550.520.500.500.48047 翻边后竖边边缘的厚度小于坯料厚度,其值可按下式估算: D 式中:t′—一翻边后竖边边缘厚度 一板料或坯料的原始厚度; K一翻边系数。 2.圆孔翻边的工艺计算 平板坯料圆孔翻边的尺寸计算参见图5.11。翻边前需在坯料上加工预制孔,按弯曲成 形展开料的原则可求出预制孔直径 d=D-2(H-0.43r-0.721) 式中符号表示参见图5.11。 翻边高度 H=(D-d2+0.43r+0.721 将K=dD代入可得 H=D(1-K2+0.43r+0.72r 若以极限翻边系数Kmn代入,即可求出一次翻边可达到的极限翻边高度H Hma=D(1-Kmin)/2+0.43r+0.721 当制件高度大于Hm时,说明不可能在一次翻边中直接成形,需增加其他工序,如加 热翻边、多次翻边或先拉深、冲孔再翻边等方法。 多次翻边的制件应在2次工序之间进行退火,以消除前次翻边的冷作硬化。后续翻边
180 冲压工艺与模具设计 翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力 θ 和径向拉应力 r 的作用。切向拉应力 θ 是 最大主应力，在孔口处达到最大值，此值若超过材料的允许值，翻边即会破裂。因此孔口 边缘的许用变形程度决定了翻边能否顺利进行。变形程度以翻边系数 K 表示，即 K=d/D 式中：d——翻边前预制孔直径； D——翻边后直径(中径)。 K 值愈小变形程度愈大。翻边时孔口不破裂可能达到的最小值称为极限翻边系数 Kmin。 影响 Kmin 的因素有材料塑性、孔的边缘状况、翻边凸模的形式、d/t(相对厚度)等。翻边工 艺设计时可针对这些因素采用工艺措施以利于翻边进行。 表 5.3 是低碳钢圆孔翻边的极限翻边系数。 表 5.3 低碳钢的圆孔极限翻边系数 Kmin 凸模型式 孔的加工 方法 比 值 d/t 100 50 35 20 15 10 8 6.5 5 3 1 球 形 钻孔去毛刺 0.70 0.60 0.52 0.45 0.40 0.36 0.33 0.31 0.30 0.25 0.20 冲 孔 0.75 0.65 0.57 0.52 0.48 0.45 0.44 0.43 0.42 0.42 － 圆柱形 平底 钻孔去毛刺 0.80 0.70 0.60 0.50 0.45 0.42 0.40 0.37 0.35 0.30 0.25 冲 孔 0.85 0.75 0.65 0.60 0.55 0.52 0.50 0.50 0.48 0.47 － 翻边后竖边边缘的厚度小于坯料厚度，其值可按下式估算： t′= t d D = t K 式中：t′——翻边后竖边边缘厚度； t——板料或坯料的原始厚度； K——翻边系数。 2. 圆孔翻边的工艺计算 平板坯料圆孔翻边的尺寸计算参见图 5.11。翻边前需在坯料上加工预制孔，按弯曲成 形展开料的原则可求出预制孔直径 d = D－2(H－0.43r－0.72t) 式中符号表示参见图 5.11。 翻边高度 H =(D－d)/2＋0.43r＋0.72t 将 K=d/D 代入可得 H=D(1－K)/2＋0.43r＋0.72t 若以极限翻边系数 Kmin 代入，即可求出一次翻边可达到的极限翻边高度 Hmax Hmax=D(1－Kmin)/2 + 0.43r ＋0.72t 当制件高度大于 Hmax 时，说明不可能在一次翻边中直接成形，需增加其他工序，如加 热翻边、多次翻边或先拉深、冲孔再翻边等方法。 多次翻边的制件应在 2 次工序之间进行退火，以消除前次翻边的冷作硬化。后续翻边
第5章其他冲压成形方法 的极限翻边系数 KSn=(1.15~120)Kmi 先拉深,再在底部冲孔再翻边的方法如图512所示 图5.12拉深后再翻边 在拉深件底部冲孔翻边时,应先决定翻边所能达到的最大高度h,根据翻边高度h及 制件高度H来确定拉深高度h。按中性层长度不变原则计算翻边高度 d d 极限翻边高度 hmax=D(1-Kmin )/2+0.57r 预制孔直径 d=D-2h+1.14r 拉深高度 h=h-h+r+t 上述各式中符号表示如图5.12所示 由于圆孔翻边的变形区材料在切向拉应力及径向压应力的作用下会产生变薄及伸长, 按上述板料中性层长度不变原则推导出的关系式有不同程度的误差。还有一种按体积不变 原则推导出的计算关系式,但也不十分精确。同时,需要指出的是,影响圆孔翻边高度的 因素还有很多,如不同的板料、不同的凸模都可能产生不同的影响。若预制孔在拉深之前 加工好,拉深过程中,该孔的尺寸可能产生变化,也会影响计算的翻边高度。因此,在生 产实际中往往通过现场试验来检验和校正上述关系式的计算值。 3.无预制孔翻边 无预制孔翻边多应用于薄板小孔翻边件。翻边前不预先加工孔,翻边时,凸模的尖锥 形头部先刺破板料,继而进行翻边。这种翻边形式得到的翻边件口部不易规整,但生产 率较高,在电器产品的零件中常有应用 4.翻边凸模翻边力与压边力 翻边凸模的形状(如图5.13所示)对翻边力的影响很大,理论分析与实践证明,抛物线 形凸模的翻边力最小,依次增大的为球形凸模、锥形凸模、柱形凸模。抛物线形凸模的加 工难度最大。如设备吨位足够大,应尽量采用形状简单的凸模
第 5 章 其他冲压成形方法 181 的极限翻边系数 Kmin ¢ = (1.15～1.20)Kmin 先拉深，再在底部冲孔再翻边的方法如图 5.12 所示。 图 5.12 拉深后再翻边 在拉深件底部冲孔翻边时，应先决定翻边所能达到的最大高度 h，根据翻边高度 h 及 制件高度 H 来确定拉深高度 h¢ 。按中性层长度不变原则计算翻边高度 h = 2 D d - － 2 t r 骣ç + ÷ ç ÷ ç桫 ÷ π 2 + 2 t r 骣ç + ÷ ç ÷ ç桫 ÷≈ 2 D 1 d D 骣ç ÷ ç - +÷ ç桫 ÷ 0.57r 极限翻边高度 hmax =D(1－Kmin)/2+0.57r 预制孔直径 d = D－2h + 1.14r 拉深高度 h′= H－h + r + t 上述各式中符号表示如图 5.12 所示。 由于圆孔翻边的变形区材料在切向拉应力及径向压应力的作用下会产生变薄及伸长， 按上述板料中性层长度不变原则推导出的关系式有不同程度的误差。还有一种按体积不变 原则推导出的计算关系式，但也不十分精确。同时，需要指出的是，影响圆孔翻边高度的 因素还有很多，如不同的板料、不同的凸模都可能产生不同的影响。若预制孔在拉深之前 加工好，拉深过程中，该孔的尺寸可能产生变化，也会影响计算的翻边高度。因此，在生 产实际中往往通过现场试验来检验和校正上述关系式的计算值。 3. 无预制孔翻边 无预制孔翻边多应用于薄板小孔翻边件。翻边前不预先加工孔，翻边时，凸模的尖锥 形头部先刺破板料，继而进行翻边。这种翻边形式得到的翻边件口部不易规整，但生产效 率较高，在电器产品的零件中常有应用。 4. 翻边凸模翻边力与压边力 翻边凸模的形状(如图 5.13 所示)对翻边力的影响很大，理论分析与实践证明，抛物线 形凸模的翻边力最小，依次增大的为球形凸模、锥形凸模、柱形凸模。抛物线形凸模的加 工难度最大。如设备吨位足够大，应尽量采用形状简单的凸模
中压工艺与模具设计 肩部 r2=0 (a)柱形 (b)球形 (c)抛物线形 不小于 部倒圆 (d)锥形带定位部分(e)锥形带定位部分(1)无预制孔用 图5.13圆孔翻边凸模的形状和尺寸 不同形状凸模翻边力的计算式为 柱形凸模 P=1.1π(D-d)σ 球形凸模 P=1.2πDmo 式中:P一一翻边力(N) 板料厚度mm) D—一翻孔中径(mm) d一—预制孔直径(mm) σ——材料的抗拉强度(MPa) m——系数(见表54) 表5.4翻边力计算的m值 翻边系数 0.2~0.25 14~0. 0.08-0.12 0.05~0.07 翻边时一般要采用压边圈施加压边力。压边力的作用是保证非翻边区不产生流动和变 形,所以压边力要较大。特别是外法兰部分面积较小的翻边件压力要更大。压边力的计算 可参照拉深压边力计算并取偏大值。外法兰部分面积比翻边孔大得愈多,压边力愈小,甚 至可不需压边力。 522外缘翻边 外缘翻边有外曲翻边和内曲翻边两种情况(如图5.14所示)
182 冲压工艺与模具设计 图 5.13 圆孔翻边凸模的形状和尺寸 不同形状凸模翻边力的计算式为： 柱形凸模 P = 1.1 π t(D－d) b 球形凸模 P = 1.2 π Dtm b 式中：P ——翻边力(N)； t ——板料厚度(mm)； D ——翻孔中径(mm)； d ——预制孔直径(mm)； b ——材料的抗拉强度(MPa)； m ——系数(见表 5.4)。 表 5.4 翻边力计算的 m 值 翻边系数 0.5 0.6 0.7 0.8 系数 m 0.2~0.25 0.14~0.18 0.08~0.12 0.05~0.07 翻边时一般要采用压边圈施加压边力。压边力的作用是保证非翻边区不产生流动和变 形，所以压边力要较大。特别是外法兰部分面积较小的翻边件压力要更大。压边力的计算 可参照拉深压边力计算并取偏大值。外法兰部分面积比翻边孔大得愈多，压边力愈小，甚 至可不需压边力。 5.2.2 外缘翻边 外缘翻边有外曲翻边和内曲翻边两种情况(如图 5.14 所示)