冲压工艺与模具设计第5章其他冲压成形方法.docx
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冲压工艺与模具设计第5章其他冲压成形方法
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
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
——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
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
K
式中：
P——冲压力（N）；
L——胀形区的周边长度（mm）；
t——板料厚度（mm）；
——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
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）
]+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
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
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）
式中：
p——软凸模胀形所需的单位压力（MPa）；
——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
翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力
和径向拉应力
的作用。
切向拉应力
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
=t
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。
后续翻边的极限翻边系数
=（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
。
按中性层长度不变原则计算翻边高度
h=
－
≈
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。
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
t（D－d）
球形凸模P=1.2
Dtm
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）；
——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）。
图5.14外缘翻边
外曲翻边的变形状况近似于浅拉深，变形区主要为切向受压，属于压缩类变形，压应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递减。
内曲翻边的变形状况近似于圆孔翻边，变形区主要为切向受拉，属于伸长类变形，拉应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递增。
可见，对于精度要求较高的外缘翻边制件，变形区坯料要给一定的修正量（可查手册或由试验确定）。
外曲翻边变形程度
，可以表述为
=b/（R+b）
内曲翻边变形程度
，可以表述为
=b/（R－b）
表5.5给出了几种常用材料在外缘翻边时的允许变形程度。
表5.5外缘翻边允许的变形程度
材料名称及牌号
×100
×100
材料名称及牌号
×100
×100
橡皮
成形
模具
成形
橡皮
成形
模具
成形
橡皮
成形
模具
成形
橡皮
成形
模具
成形
铝
合
金
L4软
25
30
06
40
黄
铜
H62软
30
40
8
45
L4硬
05
08
03
12
H62半硬
10
14
4
16
LF21软
23
30
06
40
H68软
35
45
8
55
LF21硬
05
08
03
12
H68半硬
10
14
4
16
LF2软
20
25
06
35
钢
10
—
38
—
10
LF2硬
05
08
03
12
20
—
22
—
10
LY12软
14
20
06
30
1Cr18Ni9软
—
15
—
10
LY12硬
06
08
0.5
09
1Cr18Ni9硬
—
40
—
10
LY11软
14
20
04
30
2Cr18Ni9软
—
40
—
10
LY11硬
05
06
00
00
5.2.3非圆孔翻边
图5.15为非圆孔翻边。
从变形情况看，可以沿孔边分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3种性质不同的变形区，其中Ⅰ型区属于圆孔翻边变形，Ⅱ型区为直边，可看作弯曲变形，而Ⅲ型区属于压缩类变形。
因此，非圆孔翻边通常是由伸长类变形、压缩类变形、弯曲组合起来的复合成形。
由于Ⅱ和Ⅲ型区两部分的变形性质可以减轻I型部分的变形程度，因此非圆孔翻边系数Kf（一般指小圆弧部分的翻边系数）可小于圆孔翻边系数K，两者的关系大致是：
Kf=（0.85~0.95）K
图5.15非圆孔翻边
低碳钢非圆孔的极限翻边系数，可根据各圆弧段的圆心角
大小，查表5.6。
表5.6低碳钢非圆孔的极限翻边系数Kfmin
/（°）
比值r/（2t）
50
33
20
12.5~8.3
6.6
5
3.3
180~360
0.80
0.60
0.52
0.50
0.48
0.46
0.45
165
0.73
0.55
0.48
0.46
0.44
0.42
0.41
150
0.67
0.50
0.43
0.42
0.40
0.38
0.375
135
0.60
0.45
0.39
0.38
0.36
0.35
0.34
120
0.53
0.40
0.35
0.33
0.32
0.31
0.30
105
0.47
0.35
0.30
0.29
0.28
0.27
0.26
90
0.40
0.30
0.26
0.25
0.24
0.23
0.225
75
0.33
0.25
0.22
0.21
0.20
0.19
0.185
60
0.27
0.20
0.17
0.17
0.16
0.15
0.15
45
0.20
0.15
0.13
0.13
0.12
0.12
0.11
30
0.14
0.10
0.09
0.08
0.08
0.08
0.08
15
0.07
0.05
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0
弯曲变形
非圆孔翻边坯料的预制孔，可以按圆孔翻边、外缘翻边和弯曲各型区分别展开，然后用作图法把各展开线交接处光滑连接起来。
5.3扩口
扩口也称扩径，它是将管状坯料或空心坯料的口部通过扩口模加以扩大的一种成形方法。
一些较长制件中很难采用缩口或阶梯拉深的方法实现变径，采用扩口方法可以比较方便有效地解决。
对于两端直径相差较大的管件也可采用直径介于两端之间的坯料，一端缩口，另一端扩口的方法达到成形目的。
对于一些内孔尺寸精度要求较高的管料还可采用这种方法整形，以提高内孔的精度和降低粗糙度。
几种扩口制件实例如图5.16所示。
图5.16扩口制件实例
扩口模较为简单，一般没有凹模，如图5.17所示。
为了工作稳定和定位准确，一般在传力区设有支承装置或夹紧装置，对于长度较短、壁较厚的制件也可不用支承固定，但应设有可靠的定位装置。
图5.17扩口变形示意及变形区的应力应变状态
A—已变形区；B—变形区；C—传力区
5.3.1扩口变形特点与扩口系数
扩口变形区的应力应变状态如图5.17所示。
在凸模施加力的作用下，坯料口部直径扩大而长度变短。
扩口变形区受切向拉应力和轴向压应力的双重作用，其中切向拉应力较大，轴向压应力较小，带来的应变为，切向拉伸应变最大，孔径扩大，板厚方向是压应变，厚度变薄。
这种应力应变状态的最本质特征与内曲翻边、胀形是相同的。
因此，扩口也属于伸长类成形。
扩口变形程度一般用扩口系数表示，即
K＝d/d0
式中：
d——扩口后的直径（中径）；
d0——扩口前坯料/工序件/半成品的直径（中径）。
极限扩口系数是在传力区不失稳、变形区不开裂的条件下，所能达到的最大扩口系数。
用Kmax来表示。
此系数也是衡量扩口能否顺利进行的重要参数。
图5.18给出了15钢的极限扩口系数值。
极限扩口系数的大小取决于坯料材料的种类、坯料的厚度、坯料口部规整程度、扩口角度
及扩口时采用的设备等因素。
常用的扩口角
一般取20°~30°。
在一般情况下，软料、厚料的系数会大一些。
图5.18极限扩口系数（15钢，扩口角
＝20°）
5.3.2扩口坯料尺寸和制件精度
文献中记载的几种计算扩口坯料尺寸的理论公式实用性不强。
依据体积不变条件和几何关系，推导并提出的扩口件坯料长度的计算实验公式，经生产实践验证有一定的指导意义，但由于影响扩口变形的因素较复杂，在具体应用时还需作相应的调整。
下面介绍几种计算实验公式。
（1）锥口形扩口件（如图5.19所示）
H0=（0.97~1.00）
（2）带圆筒形扩口件（如图5.20所示）
H0=（0.97~1.0）
图5.19锥口形扩口件的坯料计算
图5.20带圆筒形扩口件的坯料计算
（3）平口形扩口件（如图5.21所示）
H0=（0.97~1.0）
（4）整体扩
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