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1、第第5 5章章 胀形与翻边胀形与翻边5.1 胀形胀形 利用胀形模具，使板平面或圆柱面内局部利用胀形模具，使板平面或圆柱面内局部区域坯料在双向拉应力作用下，产生两向伸长区域坯料在双向拉应力作用下，产生两向伸长变形，厚度减薄，表面积增大，以获得所需要变形，厚度减薄，表面积增大，以获得所需要几何形状和尺寸制件的冲压工序。生产中起伏几何形状和尺寸制件的冲压工序。生产中起伏成形、圆柱形空心毛坯的鼓肚成形，波纹管及成形、圆柱形空心毛坯的鼓肚成形，波纹管及平板毛坯张拉成形均属胀形成形。平板毛坯张拉成形均属胀形成形。胀形常与其它方式的成形同时发生。某些汽胀形常与其它方式的成形同时发生。某些汽车、拖拉机覆盖件和
2、一些复杂形状零件成形，车、拖拉机覆盖件和一些复杂形状零件成形，常常包含一定程度胀形成分。胀形加工中，常常包含一定程度胀形成分。胀形加工中，金属流动量小，因此，使坯料变形均匀以及金属流动量小，因此，使坯料变形均匀以及控制整个成形工序中胀形变形量是决定成败控制整个成形工序中胀形变形量是决定成败及制件质量的关键。及制件质量的关键。a）弯曲、局部胀形）弯曲、局部胀形 b）胀形扩展至变形结束）胀形扩展至变形结束图图5-1 胀形变形过程胀形变形过程(1)(1)平板毛坯胀形变形特点平板毛坯胀形变形特点 1)1)变形过程变形过程 凸模下降与毛坯接触时，在弯矩凸模下降与毛坯接触时，在弯矩和拉应力作用下，凹模圆角
3、处坯料发生弯曲变和拉应力作用下，凹模圆角处坯料发生弯曲变形。与此同时，凸模底部少量毛坯承受了全部形。与此同时，凸模底部少量毛坯承受了全部胀形变形力，应力达到屈服点时，便产生了变胀形变形力，应力达到屈服点时，便产生了变形。与凸模底部接触坯料屈服后产生硬化，变形。与凸模底部接触坯料屈服后产生硬化，变形向外扩展，贴模坯料逐渐增加，表面积增大形向外扩展，贴模坯料逐渐增加，表面积增大,厚度减薄，直至坯料全部包敷凸模，完成加厚度减薄，直至坯料全部包敷凸模，完成加工。胀形变形是弯曲，局部胀形及由于加工硬工。胀形变形是弯曲，局部胀形及由于加工硬化，贴模面积增加，胀形向外扩展的过程。化，贴模面积增加，胀形向外扩
4、展的过程。2)2)胀形变形区及应力应变状态胀形变形区及应力应变状态 如图如图5-15-1所示，所示，胀形变形过程中，毛坯被带凸筋的压边圈压胀形变形过程中，毛坯被带凸筋的压边圈压紧，外部材料无法流入，变形被限制在凸筋紧，外部材料无法流入，变形被限制在凸筋或凹模圆角以内的局部区域。或凹模圆角以内的局部区域。图图5-25-2显示了平板毛坯局部胀形成形时，显示了平板毛坯局部胀形成形时，变形区内的应力应变状态。在变形区内，坯变形区内的应力应变状态。在变形区内，坯料在双向拉应力作用下，沿切向和径向产生伸料在双向拉应力作用下，沿切向和径向产生伸长变形，厚度变薄，表面积增大。长变形，厚度变薄，表面积增大。a）
5、应力状态）应力状态 b）应变状态）应变状态图图5-2 变形区应力和应变状态变形区应力和应变状态 3)3)变形力变形力行程曲线行程曲线 与拉深不同，胀形时变与拉深不同，胀形时变形区是在不断扩大的。由于加工硬化，胀形变形区是在不断扩大的。由于加工硬化，胀形变形力行程曲线是单调增曲线，产生破裂时胀形力行程曲线是单调增曲线，产生破裂时胀形力达到最大值。形力达到最大值。a）径向和厚度方向应变分布）径向和厚度方向应变分布 b）切向和径向应变分布）切向和径向应变分布图图5-3 胀形件的应变分布和应变状态图胀形件的应变分布和应变状态图 4)4)应变和板厚的分应变和板厚的分布布 图图5-35-3是平板毛是平板毛
6、坯局部胀形时的应坯局部胀形时的应变分布图。由图中变分布图。由图中可见，变形区内径可见，变形区内径向应变向应变r和切向应和切向应变变全部大于零，全部大于零，而厚度方向的应变而厚度方向的应变小于零，坯料变薄。小于零，坯料变薄。5)5)胀形变形服从材料的变形规律胀形变形服从材料的变形规律 当存在多种变形可能性时，实际的变形方式当存在多种变形可能性时，实际的变形方式使得载荷最小。毛坯的外径足够大，内孔较小使得载荷最小。毛坯的外径足够大，内孔较小时，拉深变形阻力和扩孔、翻边变形阻力大于时，拉深变形阻力和扩孔、翻边变形阻力大于胀形变形阻力时，变形性质由胀形决定。胀形变形阻力时，变形性质由胀形决定。图图4-
7、6 毛坯尺寸和工序类型的关系毛坯尺寸和工序类型的关系 a）b）a）加强筋和凸包压制）加强筋和凸包压制 b）汽车前围压字）汽车前围压字图图5-4 起伏成形的例子起伏成形的例子(2)平板毛坯胀形成形极限平板毛坯胀形成形极限1)起伏成形起伏成形 是一种使材料变薄，表面积增大，形是一种使材料变薄，表面积增大，形成局部凹进或凸起来改变毛坯形状的方法。如图成局部凹进或凸起来改变毛坯形状的方法。如图5-4所示，起伏成形主要用于压制凸包、加强筋和艺术所示，起伏成形主要用于压制凸包、加强筋和艺术装饰品浮雕。装饰品浮雕。在宽法兰件的成形中，法兰宽度大于某值在宽法兰件的成形中，法兰宽度大于某值后，法兰部分不再产生塑
8、性流动，法兰尺寸后，法兰部分不再产生塑性流动，法兰尺寸保持不变。成形靠凹模圆角以内材料的变薄，保持不变。成形靠凹模圆角以内材料的变薄，极限成形高度与毛坯直径无关，这一阶段就极限成形高度与毛坯直径无关，这一阶段就是胀形变形阶段。它与拉深的分界点取决于是胀形变形阶段。它与拉深的分界点取决于毛坯尺寸，材料性能，模具几何参数和压边毛坯尺寸，材料性能，模具几何参数和压边力大小，如图力大小，如图5-55-5所示，所示，d/Dd/D0 0约在约在0.380.380.350.35之间。曲线以上为破裂区，以下为安全区，之间。曲线以上为破裂区，以下为安全区，线上为临界状态。线上为临界状态。图图5-5 拉深与起伏成
9、形的分界拉深与起伏成形的分界2)平板毛坯胀形变形程度及成形极限平板毛坯胀形变形程度及成形极限压凸包压凸包:胀形深度胀形深度h；最大胀形深度最大胀形深度hmax压筋压筋:(:(图图5-6)5-6)伸长率伸长率最大伸长率最大伸长率(0.70.75)图图5-6 冲制加强筋时的伸长率冲制加强筋时的伸长率 如图如图5-75-7所示所示,如果凸包深度大于最大胀形深如果凸包深度大于最大胀形深度，则应增加工序。与拉深加工不同度，则应增加工序。与拉深加工不同,由于胀形由于胀形时材料变薄严重时材料变薄严重,工序数不会太多。前道工序主工序数不会太多。前道工序主要目的是使变形均匀要目的是使变形均匀,为后道工序准备材料
10、。为后道工序准备材料。图图5-7 两道工序完成的凸形两道工序完成的凸形(2)(2)圆柱形空心毛坯的胀形圆柱形空心毛坯的胀形1)1)胀形方式胀形方式a a橡皮（或聚氨酯）凸模橡皮（或聚氨酯）凸模胀形胀形 该胀形方式如图该胀形方式如图5-85-8所示。由于聚氨酯橡胶优所示。由于聚氨酯橡胶优良的物理机械性能，用它良的物理机械性能，用它作工作介质的胀形得到愈作工作介质的胀形得到愈来愈广泛的应用。来愈广泛的应用。图图5-8 橡皮凸模胀形橡皮凸模胀形 b.b.分块式凸模胀形分块式凸模胀形 如图如图5-95-9所示，采用刚性凸模，所示，采用刚性凸模，凸模必须作成分块式，以便出模时由楔状心块凸模必须作成分块式
11、，以便出模时由楔状心块将其分开。将其分开。图图5-9 分块式凸模胀形分块式凸模胀形c.c.液压胀形液压胀形 如图如图5-5-1010所示，用液体作所示，用液体作为凸模的胀形方式为凸模的胀形方式称做液压胀形。称做液压胀形。d.d.石蜡胀形石蜡胀形 除采用除采用橡皮和液体等软模橡皮和液体等软模来成形外来成形外,还可采用还可采用石蜡作为传力介质石蜡作为传力介质进行胀形。进行胀形。a）直接倾注液体法）直接倾注液体法 b）充液橡皮囊法）充液橡皮囊法图图5-10 液压胀形液压胀形2)2)圆柱形空心毛坯胀形的成形极限圆柱形空心毛坯胀形的成形极限 生产中用生产中用胀形系数胀形系数K K表示圆柱形空心毛坯胀形的
12、变形程表示圆柱形空心毛坯胀形的变形程度。用最大胀形系数度。用最大胀形系数K Kmaxmax表示其破裂成形极表示其破裂成形极限。限。胀形系数胀形系数:K=K=d dmaxmax/d/d 在胀形时对毛坯轴向加压的话，胀形成形在胀形时对毛坯轴向加压的话，胀形成形极限可以增大。对毛坯变形区局部加热会显极限可以增大。对毛坯变形区局部加热会显著增大胀形变形程度。著增大胀形变形程度。(3)(3)影响胀形成形极限的因素影响胀形成形极限的因素1)1)材料性能材料性能 加工硬化指数加工硬化指数n n值对胀形成形极限值对胀形成形极限影响极大。影响极大。n n值大，加工硬化能力强，可促使值大，加工硬化能力强，可促使应
13、变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局部强度，故成形极限也大。部强度，故成形极限也大。2)2)变形均匀程度变形均匀程度 胀形破裂发生在板料厚度减薄胀形破裂发生在板料厚度减薄最大部位。变形均匀，板料厚度减薄均匀能获最大部位。变形均匀，板料厚度减薄均匀能获得较大的胀形变形程度。得较大的胀形变形程度。3)3)制件形状和尺寸制件形状和尺寸 就就球形凸模和平底凸模而球形凸模和平底凸模而言言,球形凸模胀形时，应变分布比较均匀，能球形凸模胀形时，应变分布比较均匀，能获得较大的胀形变形程度。获得较大的胀形变形程度。4)4)润滑条件、变形速度及材料厚度润滑条件、变形速度及
14、材料厚度 (4)(4)胀形力的计算胀形力的计算1)1)平板毛坯胀形成形力的计算平板毛坯胀形成形力的计算 压制加强筋时压制加强筋时,近近似按下式计算。似按下式计算。在曲柄压机上对薄料在曲柄压机上对薄料(t t1.5mm)1.5mm)、小零件、小零件(面积面积2000mm2000mm2 2)胀形时胀形时,其胀形力可用经验其胀形力可用经验公式计算公式计算。2)2)圆柱形空心毛坯胀形力的计算圆柱形空心毛坯胀形力的计算 可按下式可按下式计算。计算。胀形单位压力胀形单位压力p可按下式计算。可按下式计算。5.2 翻边翻边 利用模具把板料孔缘或外缘翻成竖边利用模具把板料孔缘或外缘翻成竖边,或将或将圆柱形空心毛
15、坯口部翻出法兰的冲压工序。圆柱形空心毛坯口部翻出法兰的冲压工序。翻边总是与弯曲变形同时发生。如图翻边总是与弯曲变形同时发生。如图5-115-11所示，所示，根据翻边件形状及变形区应力应变状态的不根据翻边件形状及变形区应力应变状态的不同，翻边可分为直线翻边、伸长类翻边、压同，翻边可分为直线翻边、伸长类翻边、压缩类翻边和复合翻边四种形式。直线翻边即缩类翻边和复合翻边四种形式。直线翻边即弯曲，压缩类翻边的本质与拉深相同。此外，弯曲，压缩类翻边的本质与拉深相同。此外，按翻边材料厚度变化情况，翻边还可分为普按翻边材料厚度变化情况，翻边还可分为普通翻边与变薄翻边两类。通翻边与变薄翻边两类。a）b）c）d）
16、a）直线翻边）直线翻边 b）伸长类翻边）伸长类翻边 c）压缩类翻边）压缩类翻边 d）复合翻边）复合翻边图图5-11 四种基本翻边形式四种基本翻边形式(1)(1)内孔翻边的变形特点内孔翻边的变形特点 1)1)变形过程变形过程 图图5-125-12是内孔翻边变形过程示是内孔翻边变形过程示意图。翻边加工时，带有圆孔的环形毛坯意图。翻边加工时，带有圆孔的环形毛坯被压边圈压紧，当压力机滑块下行时，板被压边圈压紧，当压力机滑块下行时，板料在凸模作用下产生弯曲的同时，毛坯中料在凸模作用下产生弯曲的同时，毛坯中心孔不断扩大，凸模下面的材料向侧面转心孔不断扩大，凸模下面的材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模侧壁形成
17、直立的竖移，直到完全贴靠凹模侧壁形成直立的竖边。因此，边。因此，内孔翻边的变形过程实质上是内孔翻边的变形过程实质上是弯曲、扩孔和翻边的复合变形过程弯曲、扩孔和翻边的复合变形过程。a）翻边过程）翻边过程 b）变形区应力）变形区应力,应变状态应变状态图图5-12 内孔翻边内孔翻边2)2)翻边变形区及变形区的应力应变状态翻边变形区及变形区的应力应变状态 内内孔翻边时，变形区被限制在凹模圆角以内的孔翻边时，变形区被限制在凹模圆角以内的环状区域内。与拉深成形通过将板料沿圆周环状区域内。与拉深成形通过将板料沿圆周方向压缩来形成侧壁相反，内孔翻边是在板方向压缩来形成侧壁相反，内孔翻边是在板料向凹模圆角弯曲的
18、同时，通过将板料沿圆料向凹模圆角弯曲的同时，通过将板料沿圆周方向拉长形成侧壁的过程。周方向拉长形成侧壁的过程。如图如图5-12b5-12b所示，变形区应力状态为双向拉应力所示，变形区应力状态为双向拉应力状态，即状态，即 0 0、r r00。孔边缘处，由于径。孔边缘处，由于径向材料可以自由变形，向材料可以自由变形，r r为零而为零而 达到最大达到最大值。由孔边缘向凹模圆角处过渡，径向应力逐值。由孔边缘向凹模圆角处过渡，径向应力逐渐增大而切向应力逐渐减小。与胀形变形时板渐增大而切向应力逐渐减小。与胀形变形时板平面的双向伸长变形不同，内孔翻边成形时，平面的双向伸长变形不同，内孔翻边成形时，在双向拉应
19、力作用下，板料沿圆周方向伸长，在双向拉应力作用下，板料沿圆周方向伸长，0 0，径向收缩，径向收缩，r r0 0。3)3)翻边变形力翻边变形力行程曲线行程曲线 翻边变形力主要由凹翻边变形力主要由凹模圆角处坯料的弯曲力和扩孔、翻边变形阻力模圆角处坯料的弯曲力和扩孔、翻边变形阻力两部分组成。如图两部分组成。如图5-135-13所示，在变形过程中，所示，在变形过程中，由于变形区域的减小和加工硬化对扩孔、翻边由于变形区域的减小和加工硬化对扩孔、翻边力影响的相反效果，力力影响的相反效果，力-行程曲线也呈现出先升行程曲线也呈现出先升后降的趋势。此外，由图中可见，翻边力还受后降的趋势。此外，由图中可见，翻边力
20、还受到凸模底部形状的很大影响，平底凸模成形力到凸模底部形状的很大影响，平底凸模成形力较大，球底凸模的成形力较小。较大，球底凸模的成形力较小。图图5-13 内孔翻边的力内孔翻边的力-行程曲线行程曲线4)4)应变和板厚的分布应变和板厚的分布 由图中可见，内孔翻边由图中可见，内孔翻边时时,切向应变基本上都大于零，厚向应变均小切向应变基本上都大于零，厚向应变均小于零，属伸长类变形于零，属伸长类变形,孔边缘厚度减薄最为严孔边缘厚度减薄最为严重，变形区应变分布极不均匀。内孔翻边的孔重，变形区应变分布极不均匀。内孔翻边的孔缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起的缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起的厚度变
21、薄最严重，一旦变形超过了材料伸长率，厚度变薄最严重，一旦变形超过了材料伸长率，该处就会产生破裂。通常把这种因材料局部塑该处就会产生破裂。通常把这种因材料局部塑性变形量过大引起的破裂叫做塑性破裂，它决性变形量过大引起的破裂叫做塑性破裂，它决定了伸长类翻边的成形极限。孔边缘断面质量定了伸长类翻边的成形极限。孔边缘断面质量状况对这类翻边的成形极限影响很大。状况对这类翻边的成形极限影响很大。a）应变分布图）应变分布图 b）应变状态图）应变状态图图图5-14 内孔翻边的应变分布与应变状态图内孔翻边的应变分布与应变状态图5)5)内孔翻边的变形规律内孔翻边的变形规律 如图如图5-155-15所示所示,变形性
22、变形性质与毛坯尺寸、凸凹模圆角半径及形状、模具质与毛坯尺寸、凸凹模圆角半径及形状、模具间隙等因素有关。变形服从材料的变形规律间隙等因素有关。变形服从材料的变形规律,毛毛坯外径足够大，预制孔直径较大或压边力大时，坯外径足够大，预制孔直径较大或压边力大时，拉深变形和胀形变形阻力大于扩孔翻边变形阻拉深变形和胀形变形阻力大于扩孔翻边变形阻力。在这种情况下，变形的性质由内孔翻边或力。在这种情况下，变形的性质由内孔翻边或扩孔变形来决定。扩孔变形来决定。图图5-15 取决于取决于D0/d和和d0/d1组组合的各种翻合的各种翻边边情况情况(2)(2)内孔翻边的成形极限及其影响因素内孔翻边的成形极限及其影响因素
23、1)1)翻边系数翻边系数K Kf f 和最小翻边系数和最小翻边系数K Kfminfmin的概念的概念 生产生产中用翻边系数中用翻边系数K Kf f来表示图来表示图5-165-16圆孔翻边的变形圆孔翻边的变形程度。程度。翻边时孔边不破裂达到最大变形程度时的值称翻边时孔边不破裂达到最大变形程度时的值称为最小翻边系数，用为最小翻边系数，用K Kfminfmin表示，它表示了圆孔表示，它表示了圆孔翻边的成形极限。翻边的成形极限。图图5-16 内孔翻边内孔翻边2)2)影响最小翻边系数影响最小翻边系数K Kfminfmin的因素的因素a.a.材料性能材料性能 材料的伸长率材料的伸长率值、硬化指数值、硬化指
24、数n n值值与塑性应变比与塑性应变比值愈大，则值愈大，则K Kfminfmin愈小，即翻边愈小，即翻边的极限变形程度越大。的极限变形程度越大。b.b.预制孔的状况预制孔的状况(钻孔或冲孔，有无毛刺钻孔或冲孔，有无毛刺)c.c.毛坯的相对厚度毛坯的相对厚度(以以t/Dt/D或或d/td/t表示表示)e.e.凸模工作部分形状凸模工作部分形状 例如例如,采用球（抛物线或锥）采用球（抛物线或锥）形凸模可得到比平底凸模小的翻边系数。形凸模可得到比平底凸模小的翻边系数。f.f.翻边孔的形状翻边孔的形状图图5-17 非圆形孔翻边非圆形孔翻边 图图5-18 非圆形孔翻边的实例非圆形孔翻边的实例(3)(3)内孔
25、翻边的工艺计算内孔翻边的工艺计算1)1)圆孔翻边的毛坯计算圆孔翻边的毛坯计算a.a.预制孔径计算预制孔径计算 翻边时材料主要是切向伸长，翻边时材料主要是切向伸长，厚度变薄，径向变形不大厚度变薄，径向变形不大,可根据弯曲件中性层可根据弯曲件中性层长度不变原则来求预制孔长度不变原则来求预制孔径。径。b.翻边高度计算翻边高度计算在翻边系数达到在翻边系数达到KfKfminmin时的最大翻边高度时的最大翻边高度h hmaxmax:制件要求高度制件要求高度h hh hmaxmax时，不能一次翻边时，不能一次翻边成形。如果是单个毛坯的小孔翻边，可采用成形。如果是单个毛坯的小孔翻边，可采用变薄翻边方法。对于大
26、孔的翻边或在带料上变薄翻边方法。对于大孔的翻边或在带料上连续拉深的翻边则可采用图连续拉深的翻边则可采用图5-195-19所示的先拉所示的先拉深、冲底孔、再翻边的办法。深、冲底孔、再翻边的办法。图图5-19 先拉深再翻边先拉深再翻边 先拉深后冲孔翻边时，应先决定翻边所能先拉深后冲孔翻边时，应先决定翻边所能达到的最大高度，然后根据翻边高度及制件高达到的最大高度，然后根据翻边高度及制件高度来确定拉深高度。由图中可知，翻边高度度来确定拉深高度。由图中可知，翻边高度h h2 2可由下式计算可由下式计算:最大翻边高度最大翻边高度h h2max2max为：为：预制孔直径预制孔直径d d0 0为：为：拉深高度
27、拉深高度h h1 1为为:2)2)翻边力计算翻边力计算 用圆柱形凸模进行翻边，翻边用圆柱形凸模进行翻边，翻边力按下式计算。力按下式计算。凸模形状和凸凹模间隙对翻边力有很大影凸模形状和凸凹模间隙对翻边力有很大影响，如用球形凸模或锥形凸模，所需的力略小响，如用球形凸模或锥形凸模，所需的力略小于用上式计算的数值。于用上式计算的数值。3)3)翻边凸、凹模间隙翻边凸、凹模间隙 平头凸模翻边时，侧壁平头凸模翻边时，侧壁可能成为曲面，故翻边凸凹模之间的单边间隙可能成为曲面，故翻边凸凹模之间的单边间隙c c可控制在可控制在0.750.75t t 0.850.85t t之间，使直壁稍有变之间，使直壁稍有变薄，以
28、保证竖边成为直壁。小的圆角半径和高薄，以保证竖边成为直壁。小的圆角半径和高竖边的翻边，仅仅应用在螺纹底孔或与轴配合竖边的翻边，仅仅应用在螺纹底孔或与轴配合小孔的翻边。此时单边间隙小孔的翻边。此时单边间隙c=0.65c=0.65t t。4)4)翻边凸模的形状及尺寸翻边凸模的形状及尺寸 图图5-205-20为几种常用为几种常用的圆孔翻边凸模形状及主要尺寸。的圆孔翻边凸模形状及主要尺寸。a）有预制孔的翻边）有预制孔的翻边 b）有预制孔的小孔翻边）有预制孔的小孔翻边c）小孔用穿孔翻边凸模）小孔用穿孔翻边凸模 d）冲孔翻边复合模）冲孔翻边复合模图图5-20 常用圆孔翻边凸模的形状和尺寸常用圆孔翻边凸模的形状和尺寸