板料成形工艺及模具.ppt

第6章 塑性成形技术,分为板料成形和体积成形两大类。板料成形是对金属板料在室温下加压获得所需形状和尺寸零件的成形方法，称为冲压或冷冲压。体积成形是对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，塑性成形方法分类见表6-1。,表6-1 基本塑性形成方法分类,6.1 板料成形方法及其模具,6.1.1 冲裁,1)冲裁加工特点 (1)冲裁过程 如图所示，冲裁包括弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。,(2)主要变形区,如图所示，冲裁加工时，板料的主要变形区是以凸模与凹模刃口连线为中心的纺锤形区域。变形区的大小与材料特性、模具间隙和约束条件等因素有关。,a ) v场 b) u场 图63 变形区云纹图,（3）变形区应力状态,图6-4显示了无压料冲变形区的应力状态，由于刃口侧面的轴向应力为拉应力，故裂纹往往先从侧面产生，形成毛刺。,图64 变形区应力状态,（4）冲裁力行程曲线,由图6-5可见，塑性材料在最大剪切力之后产生裂纹，低塑性材料在剪切力上升阶段就产生了裂纹。在合理间隙( C合理）条件下，裂纹产生到断裂，冲裁力急剧下降。小间隙时，会产生二次剪切，使冲裁力下降缓慢，严重时会在力的下降阶段产生局部回升。,（5）冲裁件断面特征,冲裁件断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分组成。圆角带是刃口附近板料弯曲和伸长变形的结果，是变形区对这部分坯料作用而产生的。光亮带是在侧压力作用下板料相对滑移的结果。由于裂纹的产生一般在刃口侧面，故在普通冲裁加工中总有毛刺产生。,图6-6 冲裁件断面特征,2）主要工艺参数,冲裁加工时，变形区集中在凸模与凹模刃口连线为中心的狭窄区域。凸模与凹模间隙的微小变化对变形区大小及变形区内材料所受应力状态都有很大影响。因此，凸、凹模间隙c 是冲裁工艺计算及模具设计中的主要工艺参数。一般，合理间隙值为材料厚度的510。,6.1.2 弯曲 1）弯曲变形特点（1）弯曲变形过程 图6-7显示了V形件弯曲变形过程。包括弹性弯曲，弹塑性弯曲、塑性弯曲和校正弯曲四个阶段。,图6-7 弯曲变形过程,图6-8 弯曲变形区,图6-9 弯曲变形区及应力状态变化,（2）主要变形区 板料主要变形区是曲率发生变化的圆角部分。此处，原正方形网格变成了扇形。在圆角区，板料内层受压缩短，外层受拉伸长。由内、外层表面至板料中心，各层的缩短和伸长程度不同，变形是极不均匀的。在缩短和伸长层之间存在一长度不变的应变中性层。,（3）变形区应力、应变状态 与板料相对宽度有关。b/t 3 称为窄板，弯曲时，变形区处于平面应力和立体应变状态；b/t 3 称为宽板，弯曲时，变形区处于平面应变和立体应力状态。,图6-10 变形区应力、应变状态,（4）弯曲力行程曲线 图6-11显示了弯曲时的力行程曲线。从曲线中可以看出，板料首先发生弹性弯曲，之后进入弹塑性和塑性弯曲。在此阶段，变形程度增大，硬化加剧，但与此同时变形区范围减小，故弯曲力基本不变或略有减小。当凸、凹模与板料贴合并进行校正弯曲时，弯曲力将急剧增大。,图6-11 弯曲力-行程曲线,（5）尺寸与厚度变化特征 以中性层为界，外层受拉伸长而厚度减薄，内层受压缩短使板料增厚。在r/t4时，中性层位置内移。结果使外层拉伸变薄区扩大，内层压缩增厚区减小，外层的减薄量大干内层的增厚量，从而使板料变薄，总长度有所增加。,2）主要工艺参数 弯曲加工中，相对弯曲半径r/t反映弯曲变形程度，当r/t(r/t)min时，弯曲件会开裂；r/t大时，回弹严重，制件形状与尺寸难控制。生产中，r/t是弯曲工艺计算和模具设计最主要工艺参数。（r/t)min表示弯曲加工极限。,6.1.3 拉深 1）拉深变形特点（1）拉深变形过程 如图6-12所示，凸模与毛坯接触时，毛坯首先弯曲，与凸模圆角接触处的材料发生胀形。凸模继续下降，法兰部分坯料在切向压应力、径向拉应力作用下通过凹模圆角向直壁流动，进行拉深变形。拉深是弯曲、胀形、拉深的变形过程。,图6-12 拉深变形过程,（2）主要变形区 如图6-13所示，拉深成形件可分为底部、壁部和法兰三个部分。在拉深过程中，底部为承力区，很少发生变形。壁部为传力区，也是已变形区。法兰部分是拉深的主要变形区。,图6-13 拉深件的区域划分,（3）变形区应力、应变状态 如图6-13所示，在拉深过程中，主要变形区坯料所受应力、应变状态为：切向应力和应变均为负；径向应力和应变均为正；在有压边存在时，厚向应力为负，应变为正。,（4）拉深力行程曲线 由图6-14可见，变形初到中期，硬化使拉深力增大的速度超过法兰面积减小使拉深力降低的速度，拉深力增加。此后，面积减小使拉深力降低的速度超过加工硬化使拉深力增大的速度，拉深力下降。拉深力先增后降。,图6-14 拉深力-行程曲线,（5）拉深变形规律 图6-15显示了毛坯几何尺寸和板料成形工序类型的关系。由图可见，若毛坯底部带有底孔时，坯料在外力作用下可能产生拉深、胀形和内孔翻边三种形式的变形。坯料进行哪种形式的变形由金属的变形规律所决定，即金属的变形对应于最低的载荷值。,图6-15 拉深变形规律,2)主要工艺参数 拉深系数md/D或它的倒数拉深比RD/d反映了拉深变形程度。当mmmin或RRmax时，制件会开裂。在生产中，m或R是进行工艺计算和模具设计最主要工艺参数。mmin或Rmax表示拉深的加工极限。一般而言，圆筒形件的首次极限拉深系数mmin为0.5左右。,6.1.4 胀形1）胀形变形特点(1)胀形变形过程 如图6-16，凸模与毛坯接触，凹模圆角处坯料弯曲的同时，凸模底部毛坯产生胀形变形。坯料屈服后硬化，变形向外扩展。随后，材料全部进入塑性变形。胀形变形是弯曲、局部胀形以及由于加工硬化，贴模面积增加，胀形向外扩展的过程。,图6-16 胀形变形过程,（2）主要变形区 如图6-16所示，在胀形变形过程中，毛坯被带有凸筋的压边圈压紧，变形区被限制在凸筋以内的局部区域内。与拉深不同，胀形时，变形区是在不断扩大的。,（3）变形区应力、应变状态 如图6-16所示，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长变形，厚度变薄，表面积增大。生产中的起伏成形、压凸包、压筋、圆柱形空心毛坯的鼓肚成形、波纹管及平板毛坯的张拉成形等都属于胀形成形。,(4)胀形力行程曲线 与拉深不同，胀形时变形区是在不断扩大的。因此，胀形变形的力行程曲线是单调增曲线，产生破裂时，胀形力达到最大值。胀形破裂也属于强度破裂。,(5)胀形变形规律 如图6-17所示，在无凸筋强制压边的条件下，坯料也会产生胀形变形。此时，胀形变形的性质和胀形在整个工序中所占的比例与毛坯尺寸有关。当毛坯的外径足够大、内径较小时，拉深与内孔翻边变形阻力大于胀形变形阻力，变形的性质由胀形来决定。,图6-17 胀形变形规律,如图6-18所示，当相对法兰直径比df/d2.5 时，法兰处进行拉深变形的阻力大于底部胀形变形所需的力，工序性质属于胀形。与拉深加工相同，除了毛坯几何尺寸外，压边力大小、润滑和摩擦条件、模具的形状与几何尺寸等因素也会在不同程度上影响到工序的变形性质。,2)主要工艺参数 胀形工序种类繁多，表示胀形变形程度的参数也不相同。 在生产中，常用工程应变:=（l-l0）/l0100% (压筋：l0原始长度，l变形后弧长)；胀形深度:h(压凸包),胀形系数:K=dmax/d(圆柱空心件胀形，dmax胀形后最大直径，d圆筒毛坯直径)等参数来表示胀形变形程度。 制件出现裂纹或缩颈时的最大参数 max、hmax、和Kmax作为胀形变形的加工极限。,图6-19 圆柱空心件胀形示意图,6.1.5 翻边1）翻边变形特点(1)翻边变形过程 如图6-20a，带圆孔环形毛坯被压边圈压紧，滑块下行，板料弯曲同时，底孔不断扩大，凸模下材料向侧面转移，到完全贴靠凹模形成直立竖边。翻边变形过程实质是弯曲、扩孔和翻边的变形的过程。,图6-20 翻边变形过程与变形区应力、应变状态,（2）主要变形区 如图6-20a所示，内孔翻边时，主要变形区被限制在凹模圆角以内的(dd0)环形区域内。与拉深成形相同，在内孔翻边过程中，变形区在不断缩小。,（3）变形区应力、应变状态 由图6-20b，变形区应力状态为双向拉应力状态。孔边缘处，板料径向可自由变形，故r为零而达最大值。与胀形不同，翻边成形时，在双向拉应力作用下，板料沿圆周方向伸长，板厚减薄，因厚度减薄量小于圆周方向的伸长量，故径向收缩。,（4）内孔翻边力行程曲线 在翻边变形过程中，由于变形区的减少和加工硬化对扩孔、翻边力的相反效果，力行程曲线与拉深时类似，也会出现由上升到下降的起伏形状。,图6-21 翻边力-行程曲线,（5）翻边变形规律 如图6-15所示，当毛坯外径足够大，预制孔径也较大时，拉深变形和胀形变形阻力大于扩孔变形阻力，变形的性质由扩孔和翻边来决定。摩擦与润滑条件、压边力、模具的几何形状等因素也会在不同程度上影响到工序的变形性质及翻边在整个成形过程中所占的比例。,2）主要工艺参数 翻边系数Kf=d0/d反映了翻边加工的变形程度。当Kf<Kfmin时，翻边件会产生破裂。在生产中，翻边系数Kf是进行翻边工艺计算和模具设计的最主要工艺参数。Kfmin表示内孔翻边的加工极限。,6.1.6 复合成形 指同时或分先后具有两种或两种以上变形性质的冲压工序。前面论述的冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边都是最基本的冲压工序。严格地说，几乎所有的冲压工序都是由基本工序以不同的方式和不同的比例组合起来的复合成形工序。,在加工球面、锥面和抛物面等曲面形状的零件，矩形盒和宽法兰拉深件，汽车、拖拉机上的许多覆盖件和一些复杂形状的零件时，很难确定其占主导地位的冲压工序性质，我们称这类零件为复合成形件。,在复合成形加工中，掌握金属的变形规律，控制金属的流动及变形模式的转换，把握问题的主要方面是决定工序成败及制件质量的关键。在生产中、复合成形的加工极限通常由起主导作用成形工序的加工极限和材料的复合成形性能来决定。,然而，因为影响冲压加工和金属变形的因素较多，故在难以识别占主导地位的冲压工序性质时，目前，还主要靠人们的直觉和经验来进行判断，有时需要反复的试验。,1）半球形件的变形特点（1）半球形件的变形过程 球面形状零件的成形过程为：弯曲、胀形、胀形拉深复合成形、拉深成形的变形过程。一般而言，对这类零件，确定其成形过程中胀形占主导地位、还是拉深占主导地位是有一定难度的。称这类成形为胀形拉深复合成形。,a） b）初始状态与变形过程 c) 应力、应变状态 图6-22（1） 球面零件的变形过程,c),(2)主要变形区 与拉深变形集中在法兰部分，平板毛坯胀形变形集中在凹模圆角以内的局部不同，半球形件的变形区为整个坯料。,(3)变形区的应力、应变状态 如图6-21c所示，在整个毛坯中，径向应力均为拉应力,r0；应变为伸长应变,r0。切向应力由拉应力逐渐变为压应力，毛坯中心部位为拉应力,0；靠近凹模的口部和法兰部分为压应力， 0。中间存在0 的分界圆，在变形过程中，这个分界圆的位置是变化的。,同样，从毛坯中心到法兰部分，厚向应变由压缩应变,t0，逐渐过渡到伸长应变,t0。坯料由底部变薄过渡到法兰变厚。t0 的分界圆将变形区分成了伸长类变形和压缩类变形两个部分。底部坯料变薄的区域属伸长类变形区，而法兰部分坯料增厚域属压缩类变形区。,（4）半球形件的变形规律 根据选择准则（最适当的解对应于最低的载荷值）和最小阻力定律（当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则每一点沿最小阻力方向移动），只有当胀形变形阻力和拉深变形阻力相等时，才会同时产生胀形和拉深变形。,在半球面零件的成形过程中，变形模式发生了转变。这种转变的迟早，以及胀形和拉深在整个成形中所占的比例除了与材料的性能有关外，还与毛坯的尺寸、模具参数和润滑条件等因素有关。,2）复合度与复合成形性能 从成形角度看，如图6-22(2)，复合成形由凸模头部坯料胀形成分ls 和流入量ld ，即拉深成分构成。对胀形和拉深成分的判别，可按断面线长ls和ld来区分，也可按面积As和Ad来区分。可用复合度来表示胀形或拉深在整个变形中所占的比例。,图6-22（2） 复合成形的构成,胀形复合度: 或 拉深复合度： 或,不能单纯根据复合度大小确定占主导地位工序的性质。从破裂来看，胀形成分小于拉深成分，也会造成制件破裂；从起皱来看，即使有少量拉深变形，也可能会使制件产生折皱。即使胀形成分大，但胀形成分随材料不同变化很小时，对破裂加工极限影响小。因此，还应考虑由于材料不同而引起拉深和胀形成分的变化率。,6.1.7 典型冲压模具结构1）典型冲压模具结构组成 各种类型冲模复杂程度不同，所含零件各有差异。根据零件的作用，典型冲压模具由如下五部分组成：（1）工作零件；（2）定位零件；（3）压料、卸料和顶料零件；（4）导向零件；（5）固定零件,1导柱；2导套；3挡料销；4模柄；5凸模；6上模板； 7凸模固定板；8刚性卸料板；9凹模；10下模板 图6-23 导柱式简单落料模,2）典型冲压模具的组合方式 按冲压工序的组合方式可分为：单工序模：在压力机一次冲压行程内，完成一道冲压工序的模具。 复合模：在压力机一次行程内，在模具一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。级进模（连续模）：在压力机一次冲程内，在模具不同工位上完成多道冲压工序的模具。,图6-24 垫圈复合冲裁模（倒装）,表6-2 多工序组合复合模示例,图6-25 落料拉深冲孔复合模,图626 落料冲孔级进模,表6-3 多工序组合级进模示例,6.1.8 工艺及模具设计内容和步骤 1）典型冲压工艺设计的内容和步骤 图6-26显示了玻璃升降器外壳冲压件的形状和尺寸，该零件的材料为08钢，板厚1.5mm，中批量生产。现以此零件为例简要介绍其冲压工艺设计的内容和步骤。,图626,（1）冲压件工艺性分析 该零件为一带法兰的成形件，其主要形状和尺寸可由拉深、冲孔和翻边工序获得。作为拉深成形件，其相对法兰直径比df /d和相对高度比h/d都比较合适。,16.5+0.12 mm配合尺寸公差等级高，为IT1112级，底部及口部的圆角半径R1.5mm偏小，应在拉深之后加整形工序，采用精度高、间隙小的模具。 16.5+0.12 mm 区段可用多种方法成形，由于高度尺寸21mm公差等级低，可采用简单冲孔、翻边来实现。翻边孔尺寸公差要求较高，翻边模的精度应相应提高。,三个小孔3.2mm 与翻边孔之间有形位公整要求，故从冲裁工艺性来看，应以内径22.3 mm 定位，用高精度(IT7级以上)冲裁模在一道工序中同时冲出。,（2）工艺方案的确定a、工艺方案分析 该件基本工序为拉深工序。法兰上三个小孔由冲孔工序完成。 16.5+0.12 mm 区段既可由拉深、切底获得，又可由预冲孔、翻边来实现，这需由工艺计算来确定。计算可知，此件能由冲孔后直接翻边成形。,b、毛坯直径计算及拉深次数确定 根据表面积不变原则，算得毛坯直径D=65mm。计算出相关参数，查资料可知该件需两次拉深，考虑到需要整形的具体情况，确定采用三道拉深。第三道拉深兼作整形工序。,c、工艺方案的比较与确定 提出了五种方案，经分析比较后，确定采用的方案是：落料与首次拉深复合二次拉深三次拉深（带整形）冲底孔翻边（带整形）冲三个小孔修边（3）编制工艺卡片,2）冲压模具设计的内容和步骤 在进行模具设计之前，必须作好设计资料的准备和审查工作。这些资料主要包括：,冲压件的图样及技术条件； 原材料的尺寸规格、力学性能和成形性能； 生产纲领(批量)； 设备型号、规格、技术参数及使用说明书； 模具制造条件及技术水平； 各种技术、模具标准、工艺文件和设计手册。,主要设计内容和步骤如下：（1）根据冲压工艺设计选定模具种类，确定模具结构形式。（2）计算确定模具压力中心。（3）计算确定模具闭合高度。,（4）关键零件强度计算及弹簧、橡皮等弹性零件的计算和选用。（5）选择冲压设备。（6）绘制模具总图，列出零件明细表，绘制模具零件图，提出各项技术要求。,主要参考书1郭成、儲家佑 主编：现代冲压技术手册，中国标准出版社，2005年版2姜奎华 主编：冲压工艺与模具设计，机械工业出版社，1997年版,