板料成形工藝及模具.ppt

第6章 塑性成形技術(shù),分為板料成形和體積成形兩大類。板料成形是對金屬板料在室溫下加壓獲得所需形狀和尺寸零件的成形方法，稱為沖壓或冷沖壓。體積成形是對金屬塊料、棒料或厚板在高溫或室溫下進(jìn)行成形加工的方法，塑性成形方法分類見表6-1。,表6-1 基本塑性形成方法分類,6.1 板料成形方法及其模具,6.1.1 沖裁,1)沖裁加工特點(diǎn) (1)沖裁過程 如圖所示，沖裁包括彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個階段。,(2)主要變形區(qū),如圖所示，沖裁加工時，板料的主要變形區(qū)是以凸模與凹模刃口連線為中心的紡錘形區(qū)域。變形區(qū)的大小與材料特性、模具間隙和約束條件等因素有關(guān)。,a ) v場 b) u場 圖63 變形區(qū)云紋圖,（3）變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài),圖6-4顯示了無壓料沖變形區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，由于刃口側(cè)面的軸向應(yīng)力為拉應(yīng)力，故裂紋往往先從側(cè)面產(chǎn)生，形成毛刺。,圖64 變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài),（4）沖裁力行程曲線,由圖6-5可見，塑性材料在最大剪切力之后產(chǎn)生裂紋，低塑性材料在剪切力上升階段就產(chǎn)生了裂紋。在合理間隙( C合理）條件下，裂紋產(chǎn)生到斷裂，沖裁力急劇下降。小間隙時，會產(chǎn)生二次剪切，使沖裁力下降緩慢，嚴(yán)重時會在力的下降階段產(chǎn)生局部回升。,（5）沖裁件斷面特征,沖裁件斷面由圓角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺四部分組成。圓角帶是刃口附近板料彎曲和伸長變形的結(jié)果，是變形區(qū)對這部分坯料作用而產(chǎn)生的。光亮帶是在側(cè)壓力作用下板料相對滑移的結(jié)果。由于裂紋的產(chǎn)生一般在刃口側(cè)面，故在普通沖裁加工中總有毛刺產(chǎn)生。,圖6-6 沖裁件斷面特征,2）主要工藝參數(shù),沖裁加工時，變形區(qū)集中在凸模與凹模刃口連線為中心的狹窄區(qū)域。凸模與凹模間隙的微小變化對變形區(qū)大小及變形區(qū)內(nèi)材料所受應(yīng)力狀態(tài)都有很大影響。因此，凸、凹模間隙c 是沖裁工藝計(jì)算及模具設(shè)計(jì)中的主要工藝參數(shù)。一般，合理間隙值為材料厚度的510。,6.1.2 彎曲 1）彎曲變形特點(diǎn)（1）彎曲變形過程 圖6-7顯示了V形件彎曲變形過程。包括彈性彎曲，彈塑性彎曲、塑性彎曲和校正彎曲四個階段。,圖6-7 彎曲變形過程,圖6-8 彎曲變形區(qū),圖6-9 彎曲變形區(qū)及應(yīng)力狀態(tài)變化,（2）主要變形區(qū) 板料主要變形區(qū)是曲率發(fā)生變化的圓角部分。此處，原正方形網(wǎng)格變成了扇形。在圓角區(qū)，板料內(nèi)層受壓縮短，外層受拉伸長。由內(nèi)、外層表面至板料中心，各層的縮短和伸長程度不同，變形是極不均勻的。在縮短和伸長層之間存在一長度不變的應(yīng)變中性層。,（3）變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 與板料相對寬度有關(guān)。b/t 3 稱為窄板，彎曲時，變形區(qū)處于平面應(yīng)力和立體應(yīng)變狀態(tài)；b/t 3 稱為寬板，彎曲時，變形區(qū)處于平面應(yīng)變和立體應(yīng)力狀態(tài)。,圖6-10 變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài),（4）彎曲力行程曲線 圖6-11顯示了彎曲時的力行程曲線。從曲線中可以看出，板料首先發(fā)生彈性彎曲，之后進(jìn)入彈塑性和塑性彎曲。在此階段，變形程度增大，硬化加劇，但與此同時變形區(qū)范圍減小，故彎曲力基本不變或略有減小。當(dāng)凸、凹模與板料貼合并進(jìn)行校正彎曲時，彎曲力將急劇增大。,圖6-11 彎曲力-行程曲線,（5）尺寸與厚度變化特征 以中性層為界，外層受拉伸長而厚度減薄，內(nèi)層受壓縮短使板料增厚。在r/t4時，中性層位置內(nèi)移。結(jié)果使外層拉伸變薄區(qū)擴(kuò)大，內(nèi)層壓縮增厚區(qū)減小，外層的減薄量大干內(nèi)層的增厚量，從而使板料變薄，總長度有所增加。,2）主要工藝參數(shù) 彎曲加工中，相對彎曲半徑r/t反映彎曲變形程度，當(dāng)r/t(r/t)min時，彎曲件會開裂；r/t大時，回彈嚴(yán)重，制件形狀與尺寸難控制。生產(chǎn)中，r/t是彎曲工藝計(jì)算和模具設(shè)計(jì)最主要工藝參數(shù)。（r/t)min表示彎曲加工極限。,6.1.3 拉深 1）拉深變形特點(diǎn)（1）拉深變形過程 如圖6-12所示，凸模與毛坯接觸時，毛坯首先彎曲，與凸模圓角接觸處的材料發(fā)生脹形。凸模繼續(xù)下降，法蘭部分坯料在切向壓應(yīng)力、徑向拉應(yīng)力作用下通過凹模圓角向直壁流動，進(jìn)行拉深變形。拉深是彎曲、脹形、拉深的變形過程。,圖6-12 拉深變形過程,（2）主要變形區(qū) 如圖6-13所示，拉深成形件可分為底部、壁部和法蘭三個部分。在拉深過程中，底部為承力區(qū)，很少發(fā)生變形。壁部為傳力區(qū)，也是已變形區(qū)。法蘭部分是拉深的主要變形區(qū)。,圖6-13 拉深件的區(qū)域劃分,（3）變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 如圖6-13所示，在拉深過程中，主要變形區(qū)坯料所受應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)為：切向應(yīng)力和應(yīng)變均為負(fù)；徑向應(yīng)力和應(yīng)變均為正；在有壓邊存在時，厚向應(yīng)力為負(fù)，應(yīng)變?yōu)檎?（4）拉深力行程曲線 由圖6-14可見，變形初到中期，硬化使拉深力增大的速度超過法蘭面積減小使拉深力降低的速度，拉深力增加。此后，面積減小使拉深力降低的速度超過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。,圖6-14 拉深力-行程曲線,（5）拉深變形規(guī)律 圖6-15顯示了毛坯幾何尺寸和板料成形工序類型的關(guān)系。由圖可見，若毛坯底部帶有底孔時，坯料在外力作用下可能產(chǎn)生拉深、脹形和內(nèi)孔翻邊三種形式的變形。坯料進(jìn)行哪種形式的變形由金屬的變形規(guī)律所決定，即金屬的變形對應(yīng)于最低的載荷值。,圖6-15 拉深變形規(guī)律,2)主要工藝參數(shù) 拉深系數(shù)md/D或它的倒數(shù)拉深比RD/d反映了拉深變形程度。當(dāng)mmmin或RRmax時，制件會開裂。在生產(chǎn)中，m或R是進(jìn)行工藝計(jì)算和模具設(shè)計(jì)最主要工藝參數(shù)。mmin或Rmax表示拉深的加工極限。一般而言，圓筒形件的首次極限拉深系數(shù)mmin為0.5左右。,6.1.4 脹形1）脹形變形特點(diǎn)(1)脹形變形過程 如圖6-16，凸模與毛坯接觸，凹模圓角處坯料彎曲的同時，凸模底部毛坯產(chǎn)生脹形變形。坯料屈服后硬化，變形向外擴(kuò)展。隨后，材料全部進(jìn)入塑性變形。脹形變形是彎曲、局部脹形以及由于加工硬化，貼模面積增加，脹形向外擴(kuò)展的過程。,圖6-16 脹形變形過程,（2）主要變形區(qū) 如圖6-16所示，在脹形變形過程中，毛坯被帶有凸筋的壓邊圈壓緊，變形區(qū)被限制在凸筋以內(nèi)的局部區(qū)域內(nèi)。與拉深不同，脹形時，變形區(qū)是在不斷擴(kuò)大的。,（3）變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 如圖6-16所示，在變形區(qū)內(nèi)，坯料在雙向拉應(yīng)力作用下，沿切向和徑向產(chǎn)生伸長變形，厚度變薄，表面積增大。生產(chǎn)中的起伏成形、壓凸包、壓筋、圓柱形空心毛坯的鼓肚成形、波紋管及平板毛坯的張拉成形等都屬于脹形成形。,(4)脹形力行程曲線 與拉深不同，脹形時變形區(qū)是在不斷擴(kuò)大的。因此，脹形變形的力行程曲線是單調(diào)增曲線，產(chǎn)生破裂時，脹形力達(dá)到最大值。脹形破裂也屬于強(qiáng)度破裂。,(5)脹形變形規(guī)律 如圖6-17所示，在無凸筋強(qiáng)制壓邊的條件下，坯料也會產(chǎn)生脹形變形。此時，脹形變形的性質(zhì)和脹形在整個工序中所占的比例與毛坯尺寸有關(guān)。當(dāng)毛坯的外徑足夠大、內(nèi)徑較小時，拉深與內(nèi)孔翻邊變形阻力大于脹形變形阻力，變形的性質(zhì)由脹形來決定。,圖6-17 脹形變形規(guī)律,如圖6-18所示，當(dāng)相對法蘭直徑比df/d2.5 時，法蘭處進(jìn)行拉深變形的阻力大于底部脹形變形所需的力，工序性質(zhì)屬于脹形。與拉深加工相同，除了毛坯幾何尺寸外，壓邊力大小、潤滑和摩擦條件、模具的形狀與幾何尺寸等因素也會在不同程度上影響到工序的變形性質(zhì)。,2)主要工藝參數(shù) 脹形工序種類繁多，表示脹形變形程度的參數(shù)也不相同。 在生產(chǎn)中，常用工程應(yīng)變:=（l-l0）/l0100% (壓筋：l0原始長度，l變形后弧長)；脹形深度:h(壓凸包),脹形系數(shù):K=dmax/d(圓柱空心件脹形，dmax脹形后最大直徑，d圓筒毛坯直徑)等參數(shù)來表示脹形變形程度。 制件出現(xiàn)裂紋或縮頸時的最大參數(shù) max、hmax、和Kmax作為脹形變形的加工極限。,圖6-19 圓柱空心件脹形示意圖,6.1.5 翻邊1）翻邊變形特點(diǎn)(1)翻邊變形過程 如圖6-20a，帶圓孔環(huán)形毛坯被壓邊圈壓緊，滑塊下行，板料彎曲同時，底孔不斷擴(kuò)大，凸模下材料向側(cè)面轉(zhuǎn)移，到完全貼靠凹模形成直立豎邊。翻邊變形過程實(shí)質(zhì)是彎曲、擴(kuò)孔和翻邊的變形的過程。,圖6-20 翻邊變形過程與變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài),（2）主要變形區(qū) 如圖6-20a所示，內(nèi)孔翻邊時，主要變形區(qū)被限制在凹模圓角以內(nèi)的(dd0)環(huán)形區(qū)域內(nèi)。與拉深成形相同，在內(nèi)孔翻邊過程中，變形區(qū)在不斷縮小。,（3）變形區(qū)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 由圖6-20b，變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)為雙向拉應(yīng)力狀態(tài)?？走吘壧?，板料徑向可自由變形，故r為零而達(dá)最大值。與脹形不同，翻邊成形時，在雙向拉應(yīng)力作用下，板料沿圓周方向伸長，板厚減薄，因厚度減薄量小于圓周方向的伸長量，故徑向收縮。,（4）內(nèi)孔翻邊力行程曲線 在翻邊變形過程中，由于變形區(qū)的減少和加工硬化對擴(kuò)孔、翻邊力的相反效果，力行程曲線與拉深時類似，也會出現(xiàn)由上升到下降的起伏形狀。,圖6-21 翻邊力-行程曲線,（5）翻邊變形規(guī)律 如圖6-15所示，當(dāng)毛坯外徑足夠大，預(yù)制孔徑也較大時，拉深變形和脹形變形阻力大于擴(kuò)孔變形阻力，變形的性質(zhì)由擴(kuò)孔和翻邊來決定。摩擦與潤滑條件、壓邊力、模具的幾何形狀等因素也會在不同程度上影響到工序的變形性質(zhì)及翻邊在整個成形過程中所占的比例。,2）主要工藝參數(shù) 翻邊系數(shù)Kf=d0/d反映了翻邊加工的變形程度。當(dāng)Kf<Kfmin時，翻邊件會產(chǎn)生破裂。在生產(chǎn)中，翻邊系數(shù)Kf是進(jìn)行翻邊工藝計(jì)算和模具設(shè)計(jì)的最主要工藝參數(shù)。Kfmin表示內(nèi)孔翻邊的加工極限。,6.1.6 復(fù)合成形 指同時或分先后具有兩種或兩種以上變形性質(zhì)的沖壓工序。前面論述的沖裁、彎曲、拉深、脹形、翻邊都是最基本的沖壓工序。嚴(yán)格地說，幾乎所有的沖壓工序都是由基本工序以不同的方式和不同的比例組合起來的復(fù)合成形工序。,在加工球面、錐面和拋物面等曲面形狀的零件，矩形盒和寬法蘭拉深件，汽車、拖拉機(jī)上的許多覆蓋件和一些復(fù)雜形狀的零件時，很難確定其占主導(dǎo)地位的沖壓工序性質(zhì)，我們稱這類零件為復(fù)合成形件。,在復(fù)合成形加工中，掌握金屬的變形規(guī)律，控制金屬的流動及變形模式的轉(zhuǎn)換，把握問題的主要方面是決定工序成敗及制件質(zhì)量的關(guān)鍵。在生產(chǎn)中、復(fù)合成形的加工極限通常由起主導(dǎo)作用成形工序的加工極限和材料的復(fù)合成形性能來決定。,然而，因?yàn)橛绊憶_壓加工和金屬變形的因素較多，故在難以識別占主導(dǎo)地位的沖壓工序性質(zhì)時，目前，還主要靠人們的直覺和經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，有時需要反復(fù)的試驗(yàn)。,1）半球形件的變形特點(diǎn)（1）半球形件的變形過程 球面形狀零件的成形過程為：彎曲、脹形、脹形拉深復(fù)合成形、拉深成形的變形過程。一般而言，對這類零件，確定其成形過程中脹形占主導(dǎo)地位、還是拉深占主導(dǎo)地位是有一定難度的。稱這類成形為脹形拉深復(fù)合成形。,a） b）初始狀態(tài)與變形過程 c) 應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 圖6-22（1） 球面零件的變形過程,c),(2)主要變形區(qū) 與拉深變形集中在法蘭部分，平板毛坯脹形變形集中在凹模圓角以內(nèi)的局部不同，半球形件的變形區(qū)為整個坯料。,(3)變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài) 如圖6-21c所示，在整個毛坯中，徑向應(yīng)力均為拉應(yīng)力,r0；應(yīng)變?yōu)樯扉L應(yīng)變,r0。切向應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，毛坯中心部位為拉應(yīng)力,0；靠近凹模的口部和法蘭部分為壓應(yīng)力， 0。中間存在0 的分界圓，在變形過程中，這個分界圓的位置是變化的。,同樣，從毛坯中心到法蘭部分，厚向應(yīng)變由壓縮應(yīng)變,t0，逐漸過渡到伸長應(yīng)變,t0。坯料由底部變薄過渡到法蘭變厚。t0 的分界圓將變形區(qū)分成了伸長類變形和壓縮類變形兩個部分。底部坯料變薄的區(qū)域?qū)偕扉L類變形區(qū)，而法蘭部分坯料增厚域?qū)賶嚎s類變形區(qū)。,（4）半球形件的變形規(guī)律 根據(jù)選擇準(zhǔn)則（最適當(dāng)?shù)慕鈱?yīng)于最低的載荷值）和最小阻力定律（當(dāng)變形體的質(zhì)點(diǎn)有可能沿不同方向移動時，則每一點(diǎn)沿最小阻力方向移動），只有當(dāng)脹形變形阻力和拉深變形阻力相等時，才會同時產(chǎn)生脹形和拉深變形。,在半球面零件的成形過程中，變形模式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變的遲早，以及脹形和拉深在整個成形中所占的比例除了與材料的性能有關(guān)外，還與毛坯的尺寸、模具參數(shù)和潤滑條件等因素有關(guān)。,2）復(fù)合度與復(fù)合成形性能 從成形角度看，如圖6-22(2)，復(fù)合成形由凸模頭部坯料脹形成分ls 和流入量ld ，即拉深成分構(gòu)成。對脹形和拉深成分的判別，可按斷面線長ls和ld來區(qū)分，也可按面積As和Ad來區(qū)分?？捎脧?fù)合度來表示脹形或拉深在整個變形中所占的比例。,圖6-22（2） 復(fù)合成形的構(gòu)成,脹形復(fù)合度: 或 拉深復(fù)合度： 或,不能單純根據(jù)復(fù)合度大小確定占主導(dǎo)地位工序的性質(zhì)。從破裂來看，脹形成分小于拉深成分，也會造成制件破裂；從起皺來看，即使有少量拉深變形，也可能會使制件產(chǎn)生折皺。即使脹形成分大，但脹形成分隨材料不同變化很小時，對破裂加工極限影響小。因此，還應(yīng)考慮由于材料不同而引起拉深和脹形成分的變化率。,6.1.7 典型沖壓模具結(jié)構(gòu)1）典型沖壓模具結(jié)構(gòu)組成 各種類型沖模復(fù)雜程度不同，所含零件各有差異。根據(jù)零件的作用，典型沖壓模具由如下五部分組成：（1）工作零件；（2）定位零件；（3）壓料、卸料和頂料零件；（4）導(dǎo)向零件；（5）固定零件,1導(dǎo)柱；2導(dǎo)套；3擋料銷；4模柄；5凸模；6上模板； 7凸模固定板；8剛性卸料板；9凹模；10下模板 圖6-23 導(dǎo)柱式簡單落料模,2）典型沖壓模具的組合方式 按沖壓工序的組合方式可分為：單工序模：在壓力機(jī)一次沖壓行程內(nèi)，完成一道沖壓工序的模具。 復(fù)合模：在壓力機(jī)一次行程內(nèi)，在模具一個工位上完成兩道以上沖壓工序的模具。級進(jìn)模（連續(xù)模）：在壓力機(jī)一次沖程內(nèi)，在模具不同工位上完成多道沖壓工序的模具。,圖6-24 墊圈復(fù)合沖裁模（倒裝）,表6-2 多工序組合復(fù)合模示例,圖6-25 落料拉深沖孔復(fù)合模,圖626 落料沖孔級進(jìn)模,表6-3 多工序組合級進(jìn)模示例,6.1.8 工藝及模具設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟 1）典型沖壓工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 圖6-26顯示了玻璃升降器外殼沖壓件的形狀和尺寸，該零件的材料為08鋼，板厚1.5mm，中批量生產(chǎn)?，F(xiàn)以此零件為例簡要介紹其沖壓工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟。,圖626,（1）沖壓件工藝性分析 該零件為一帶法蘭的成形件，其主要形狀和尺寸可由拉深、沖孔和翻邊工序獲得。作為拉深成形件，其相對法蘭直徑比df /d和相對高度比h/d都比較合適。,16.5+0.12 mm配合尺寸公差等級高，為IT1112級，底部及口部的圓角半徑R1.5mm偏小，應(yīng)在拉深之后加整形工序，采用精度高、間隙小的模具。 16.5+0.12 mm 區(qū)段可用多種方法成形，由于高度尺寸21mm公差等級低，可采用簡單沖孔、翻邊來實(shí)現(xiàn)。翻邊孔尺寸公差要求較高，翻邊模的精度應(yīng)相應(yīng)提高。,三個小孔3.2mm 與翻邊孔之間有形位公整要求，故從沖裁工藝性來看，應(yīng)以內(nèi)徑22.3 mm 定位，用高精度(IT7級以上)沖裁模在一道工序中同時沖出。,（2）工藝方案的確定a、工藝方案分析 該件基本工序?yàn)槔罟ば?。法蘭上三個小孔由沖孔工序完成。 16.5+0.12 mm 區(qū)段既可由拉深、切底獲得，又可由預(yù)沖孔、翻邊來實(shí)現(xiàn)，這需由工藝計(jì)算來確定。計(jì)算可知，此件能由沖孔后直接翻邊成形。,b、毛坯直徑計(jì)算及拉深次數(shù)確定 根據(jù)表面積不變原則，算得毛坯直徑D=65mm。計(jì)算出相關(guān)參數(shù)，查資料可知該件需兩次拉深，考慮到需要整形的具體情況，確定采用三道拉深。第三道拉深兼作整形工序。,c、工藝方案的比較與確定 提出了五種方案，經(jīng)分析比較后，確定采用的方案是：落料與首次拉深復(fù)合二次拉深三次拉深（帶整形）沖底孔翻邊（帶整形）沖三個小孔修邊（3）編制工藝卡片,2）沖壓模具設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 在進(jìn)行模具設(shè)計(jì)之前，必須作好設(shè)計(jì)資料的準(zhǔn)備和審查工作。這些資料主要包括：,沖壓件的圖樣及技術(shù)條件； 原材料的尺寸規(guī)格、力學(xué)性能和成形性能； 生產(chǎn)綱領(lǐng)(批量)； 設(shè)備型號、規(guī)格、技術(shù)參數(shù)及使用說明書； 模具制造條件及技術(shù)水平； 各種技術(shù)、模具標(biāo)準(zhǔn)、工藝文件和設(shè)計(jì)手冊。,主要設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟如下：（1）根據(jù)沖壓工藝設(shè)計(jì)選定模具種類，確定模具結(jié)構(gòu)形式。（2）計(jì)算確定模具壓力中心。（3）計(jì)算確定模具閉合高度。,（4）關(guān)鍵零件強(qiáng)度計(jì)算及彈簧、橡皮等彈性零件的計(jì)算和選用。（5）選擇沖壓設(shè)備。（6）繪制模具總圖，列出零件明細(xì)表，繪制模具零件圖，提出各項(xiàng)技術(shù)要求。,主要參考書1郭成、儲家佑 主編：現(xiàn)代沖壓技術(shù)手冊，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005年版2姜奎華 主編：沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社，1997年版,