1、第 五 章 其它成形工艺及模具设计在冲压生产中，除常用的冲裁、弯曲和拉深等工序外，还有胀形、翻边、缩口、旋压、校形等基本工序。每种工序都有各自的变形特点，它们可以是独立的冲压工序，如空心零件胀形、钢管缩口、封头旋压等，但在生产中往往和它还和其它冲压工序组合在一起成形一些复杂形状的冲压零件。这些成形工序的共同特点是通过材料的局部变形来改变皮料或工序间的形状，但各自的变形特点差异较大。下面分别介绍胀形、翻边和缩口等成形工序的变形特点、成形工艺和模具设计的基本方法。5.1 胀形胀形与其它冲压成形工序的主要不同之处是，胀形时变形区在板面方向呈双向拉应力状态，在板厚方向上是减薄，即厚度减薄表面积增加。胀
2、形主要用于加强筋、花纹图案、标记等平板毛坯的局部成形；波纹管、高压气瓶、球形容器等空心毛坯的胀形；管接头的管材胀形；飞机和汽车蒙皮等薄板的拉张成形。汽车覆盖件等曲面复杂形状零件成形时也常常包含胀形成分。常用的胀形方法有钢模胀形和以液体、气体、橡胶等作为施力介质的软模胀形。软模胀形由于模具结构简单，工件变形均匀，能成形复杂形状的工件，如液压胀形、橡胶胀形；另外高速、高能特种成形的应用越来越受到人们的重视，爆炸胀形、电磁胀形等。5.2.1 胀形变形特点与胀形极限变形程度 1.胀形变形特点图 5.1.1 所示，为球头凸模胀形平板毛坯时的胀形变形区及其主应力和主应变图。图中涂黑部分表示胀形变形区。胀形
3、变形具有如下特点：图 5.1.1? 胀形变形区及其应力应变示意图 （1）在毛坯胀形的变形区内，切向应力 0，径向应力 0，周向应变 0，径向应变 0，厚向应变 t0，且在球头凸模胀形时的底部 = 和=0.5|t |。所以，胀形变形属板平面方向的双向拉伸应力状态，变形主要是由材料厚度方向的减薄量支持板面方向的伸长量而完成的，变形后材料厚度减薄表面积增大。胀形属伸长类变形。（2）胀形变形时由于毛坯受到较大压边力的作用或由于毛坯的外径超过凹模孔直径的34 倍，使塑性变形仅局限于一个固定的变形范围，板料不向变形区外转移也不从变形区外进入变形区。（3）由于胀形变形时材料板面方向处于双向受拉的应力状态，所
4、以变形不易产生失稳起皱现象，成品零件表面光滑，质量好。成形极限主要受拉伸破裂的限制。（4）由于毛坯的厚度相对于毛坯的外形尺寸极小，胀形变形时拉应力沿板厚方向的变化很小，因此当胀形力卸除后回弹小，工件几何形状容易固定，尺寸精度容易保证。对汽车覆盖件等较大曲率半经的零件的成形和有些零件的冲压校形，常采用胀形方法或加大其胀形成分的成形方法。2.胀形极限变形程度胀形的极限变形程度是零件在胀形时不产生破裂所能达到的最大变形。各种胀形的成形极限的表示方法，因不同的变形区分布及模具结构、工件形状、润滑条件、材料性能等因素的影响各不相同，如胀形系数、胀形深度、双向拉应力下的成形极限图（FLD）等，管形毛坯胀形
5、时常用胀形系数表示成形极限，压凹坑等板料胀形时常用胀形深度表示成形极限。胀形系数、胀形深度等方法是以材料发生破裂时试样的某些总体尺寸达到的极限值来表示的。胀形极限变形程度主要取决于材料的塑性和变形的均匀性：塑性好，成形极限可提高；应变硬化指数 n 值大，可促使变形均匀，成形极限也可提高；润滑、制件的几何形状、模具结构等，凡是可以使胀形变形均匀的各种因素，均能提高成形极限，如平板毛坯的局部胀形，同等条件下圆形比方形或其它形状的胀形高度值要大。此外，材料厚度增加，也可以使成形极限提高。?5.1.2 平板毛坯的起伏成形 平板毛坯在模具的作用下发生局部胀形而形成各种形状的凸起或凹下的冲压方法称为起伏成
6、形，起伏成形主要用于加工加强筋、局部凹槽、文字、花纹等，如图 5.1.2 所示。由宽凸缘圆筒形零件的拉深可知，当毛坯的外径超过凹模孔直径的 34 倍时，拉深就变成了胀形。平板毛坯起伏成形时的局部凹坑或凸台，主要是由凸模接触区内的材料在双向拉应力作用下的变薄来实现的。起伏成形的极限变形程度，多用胀形深度表示，对于形状比较简单的零件可以近似地按单向拉伸变形处理，即： 极= 100% （5.1.1）式中 极起伏成形的极限变形程度；材料单向拉伸的延伸率；起伏成形变形区变形前后截面的长度（图 5.1.3）；形状系数，加强筋 = 0.70.75（半圆加强筋取大值，梯形加强筋取小值）。a) b） 图 5.1
7、.2 起伏成形 a)加强筋；b) 局部凹坑 欲要提高胀形极限变形程度，可以采用图 5.1.4 所示的两次胀形法：第一次用大直径的球头凸模使变形区达到在较大范围内聚料和均化变形的目的，得到最终所需的表面积材料；第二次成形到所要求的尺寸。如果制件圆角半径超过了极限范围，还可以采用先加大胀形凸模圆角半径和凹模圆角半径，胀形后再整形的方法成形。另外，降低凸模表面粗糙度值、改善模具表面的润滑条件也能取得一定的效果。图 5.1.3 起伏成形变形区变形前后截面的长度 图 5.1.4 两次胀形示意图? 1.压加强筋常见的加强筋形式和尺寸见表 5.1.1。加强筋结构比较复杂，所以成形极限多用总体尺寸表示。当加强
8、筋与边框距离小于（33.5） 时，由于在成形过程中，边缘材料要向内收缩，成形后需增加切边工序，因此应预留切边余量。多凹坑胀形时，还要考虑到凹坑之间的影响。用刚性凸模压制加强筋的变形力按式（5.1.2）计算：b（5.1.2）式中? 变形力（N）；系数， =0.71，加强筋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值；加强筋的周长（ ）；料厚（ ）；b材料的抗拉强度（MPa）软模胀形的单位压力可按式（5.1.3）近似计算（不考虑材料厚度变薄）：= b（5.1.3）式中 单位压力；形状系数，球面形状 =2，长条形筋 =1；球半径或筋的圆弧半径；b材料的抗拉强度（考虑材料硬化的影响）。表 5.1.1? 加强筋形
9、式和尺寸 简图 R h B 或 D (34)t (23)t (12)t (710) t (1.52)t (0.51.5) t 3h 1503002.压凹坑压凹坑时，成形极限常用极限胀形深度表示，如果是纯胀形，凹坑深度因受材料塑性限制不能太大。用球头凸模对低碳钢、软铝等胀形时，可达到的极限胀形深度 h 约等于球头直径 d 的 1/3。用平头凸模胀形可能达到的极限深度取决于凸模的圆角半径，其取值范围见表 5.1.2。表 5.1.2 平板毛坯压凹坑的极限深度简图 材料 极限深度 h软钢 铝 黄铜 （0.150.20）d（0.100.15）d（0.150.22）d若工件底部允许有孔，可以预先冲出小孔，
10、使其底部中心部分材料在胀形过程中易于向外流动，以达到提高成形极限的目的，有利于达到胀形要求。5.1.3 空心毛坯的胀形 空心毛坯胀形是将空心件或管状坯料胀出所需曲面的一种加工方法。用这种方法可以成形高压气瓶、球形容器、波纹管、自行车多通接头（图 5.1.5）等产品或零件。图 5.5.6、图5.5.7 分别是钢模胀形和软模胀形示意图。圆柱形空心毛坯胀形时的应力状态如图 55.5.8所示，其变形特点仍然是厚度减薄，表面积增加。图 5.1.5 自行车多通接头图 5.1.6? 钢模胀形 图 5.1.7 自行车多通接头软模胀形 1-凹模；2-分瓣凸模；3-锥形芯轴 1、4-凸模压柱；2-分块凹模；3-模
11、套 4-拉簧；5-毛坯；6-顶杆；7-下凹模 图 5.1.6 所示刚模胀形中，分瓣凸模 2 在向下动时因锥形芯轴 3 的作用向外胀开，使毛坯5 胀形成所需形状尺寸的工件。胀形结束后，分瓣凸模在顶杆 6 的作用下复位，拉簧使分瓣凸模合拢复位，便可取出工件。凸模分瓣越多，所得到的工件精度越高，但模具结构复杂，成本也较高。因此，用分瓣凸模钢模胀形不宜加工形状复杂的零件。图 5.1.7 所示自行车多通接头软模胀形中，凸模压柱 1、4 将力传递给橡胶棒等软体介质，软体介质再将力作用于毛坯上使之胀形，材料向阻力最小的方向变形，并贴合于可以分开的凹模 2，从而得到所需形状尺寸的工件。冲床回程时，橡胶棒复原为
12、柱状，下模推出分块凹模取出工件。1.胀形系数空心毛坯胀形的变形程度用（5.1.4）式胀形系数表示，即：= （5.1.4）式中, K 为胀形系数， 表示极限胀形系数（ 达到胀破时的极限值 max）；为毛坯直径； ?为胀形后工件的最大直径。极限胀形系数与工件切向延伸率的关系式为：= = -1（5.1.5）或 =1+（5.1.6）图 5.1.8? 圆柱形空心毛坯胀形时的应力 表 5.1.3 是一些材料的极限胀形系数和切向许用延伸率 的试验值。如采取轴向加压或对变形区局部加热等辅助措施，还可以提高极限变形程度。表 5.1.3? 极限胀形系数和切向许用延伸率 材料 厚度（ ） 极限胀形系数切向许用延伸率
13、100L1,L2纯铝?L3,L4L5,L61.01.52.01.281.321.32283232铝合金 LF21-M 0.5 1.25 25黄铜 H62H680.51.01.52.01.351.403540低碳钢 08F10,200.51.01.201.242024不锈钢 1Cr18Ni9T 0.51.0 1.261.28 26282.胀形力钢模胀形所需压力的计算公式可以根据力的平衡方程式推导得到，其表达式为：= b . （5.1.7）式中? 所需胀形压力；胀形后高度；材料厚度；摩擦系数，一般 =0.150.20；芯轴锥角，一般 =80、100、120、150；b材料的抗拉强度。软模胀形圆柱形
14、空心毛坯时，所需胀形压力 ， 为成形面积，单位压力 可按下式计算：b( ）(5.1.8）式中， 为约束系数，当毛坯两端不固定且轴向可以自由收缩时 =0，当毛坯两端固定且轴向不可以自由收缩时 =1；其它符号的意义见图 5.1.8 所示。3.胀形毛坯尺寸的计算圆柱形空心毛坯胀形时，为增加材料在周围方向的变形程度和减小材料的变薄，毛坯两端一般不固定，使其自由收缩。因此，毛坯长度 （见图 5.1.8）应比工件长度增加一定的收缩量。毛坯长度可按下式近似计算：= 1+（0.30.4）+ (5.1.9)式中? 工件的母线长度( )；工件切向延伸率（见式 5.1.5）； 修边余量，约 520( )。5.1.4
15、 胀形模设计举例 如图 5.1.9 所示胀形零件罩盖，生产批量为中批，材料为 10 号钢，料厚 0.5，设计该零件的模具。简图 5-9 所示；1.零件成形工艺分析该零件侧壁属空心毛坯胀形，底部属起伏成形，具有胀形工艺的典型特点，筒形半成品毛坯由拉深获得。2.工艺计算（1）底部压凹坑计算查表 5.1.2 并计算得：极限胀形深度 h=（0.150.20）d =（2.253 ） ，此值大于工件底部凹坑的实际高度 2，可以一次胀形就能获得底部压凹尺寸。压凹坑所需成形力由式（5.1.2）计算（取 b=430MPa）： =0.7150.5430=7088.55（N）（2）侧壁胀形计算胀形系数 由式（5.1
16、.4）计算：= = =1.2查表（5.1.3）得极限胀形系数为 1.24。该工序的胀形系数小于极限胀形系数，侧壁可以一次胀成型。侧壁胀形的单位压力近似按两端不固定形式计算，m=0、b=430MPa，由式（5.1.8）得：b( )=2430（0.546.800.5260）=9.19 MPa= = =3.1446.8409.19=54019.55N胀形前毛坯的原始长度 由式（5.1.9）计算，= = =0.2，可以计算工件母线长 =40.8 ，取修边余量 =3 ，则：= 1+（0.30.4）+ =40.81+0.350.2+3=46.66（ ）取整为 47 ，则胀形前毛坯取为外径为 39 、高 47 的圆筒形件。（3）总成形力=7088.55+54019.55= 61108.1N =61.11（KN） 3.模具结构设计胀形模如图 5.1.9 所示。侧壁靠聚氨脂橡胶 7 的胀压成形，底部靠压凹坑凸模 3 和压凹坑凹模 4 成形，为便于取件，将模具型腔侧壁设计成胀形下模 5 和胀形上模 6。图 5.1.9 罩盖胀形1下模板 2螺栓 3压凹坑凸模 4压凹坑凹模 5胀形下模 6胀形上模 7聚氨脂橡胶 8拉杆 9上固定板 10上模板 11螺栓 12模柄 13弹簧 14螺母 15拉杆螺栓 16导柱 17导套
