成形模设计成形工艺与成形模块

模块五模块五 成形工艺与成形模成形工艺与成形模中原工学院材料与化工学院中原工学院材料与化工学院概述概述一、概念一、概念 成形工序是指用各种局部变形的方法来改变坯料或成形工序是指用各种局部变形的方法来改变坯料或工序件形状的加工方法，他们常和其他冲压工序组合在一工序件形状的加工方法，他们常和其他冲压工序组合在一起，加工某些复杂形状的零件。起，加工某些复杂形状的零件。二、具体工序二、具体工序 主要包括胀形、翻边、缩口、校形、旋压等加工工序。主要包括胀形、翻边、缩口、校形、旋压等加工工序。三、成形工序加工的零件三、成形工序加工的零件学习项目一学习项目一 胀形胀形 一般将空心件或管状件沿径向向外扩张以及在坯料的平面一般将空心件或管状件沿径向向外扩张以及在坯料的平面或曲面上使之凸起或凹进的成形统称为胀形。或曲面上使之凸起或凹进的成形统称为胀形。a)、b)平板坯料胀形平板坯料胀形c)、d)管状件胀形管状件胀形一、变形特点一、变形特点 变形区位置：胀形凸模下方材料。变形区位置：胀形凸模下方材料。 变形特点：变形区大部分材料受变形特点：变形区大部分材料受双向拉应力作用而变形，其厚度变薄、双向拉应力作用而变形，其厚度变薄、表面积增大，形成一个凸起。表面积增大，形成一个凸起。 应力分析：径向和切向受双向拉应力分析：径向和切向受双向拉应力作用。应力作用。 主要破坏形式：胀裂。主要破坏形式：胀裂。 二、起伏成形二、起伏成形 平板坯料在模具的作用下，产生局部凸起的冲压方法称为平板坯料在模具的作用下，产生局部凸起的冲压方法称为起伏成形起伏成形。 1. 压加强筋压加强筋 由于压筋后零件惯性矩的改变和材料加工后的硬化，能够由于压筋后零件惯性矩的改变和材料加工后的硬化，能够有效地提高零件的刚度和强度，压加强筋的工艺在生产中应用有效地提高零件的刚度和强度，压加强筋的工艺在生产中应用广泛。广泛。 （1）极限变形程度的表示方法）极限变形程度的表示方法 式中式中 分别为起伏成形前后的材料长度。分别为起伏成形前后的材料长度。 材料的伸长率。材料的伸长率。)75. 07 . 0(00lllll 、0（2）冲压加强筋的变形力计算）冲压加强筋的变形力计算 式中式中 F变形力（变形力（N）；）； K系数，系数，K=0.71（加强筋形状窄而深时取大值，宽（加强筋形状窄而深时取大值，宽而浅时取小值）；而浅时取小值）； L加强筋的周长（加强筋的周长（mm）；）； 材料厚度（材料厚度（mm）；）； 材料的抗拉强度（材料的抗拉强度（MPa）。bbKLF 2. 压凸包压凸包 压凸包时，有效坯料直径与凸模直径的比值应大于压凸包时，有效坯料直径与凸模直径的比值应大于4。此时。此时坯料外区是相对的强区，不会向里收缩。变形属于局部胀形，坯料外区是相对的强区，不会向里收缩。变形属于局部胀形，否则便成为拉深。否则便成为拉深。 冲压凸包的高度因受材料塑性的限制不能太大，平板坯料冲压凸包的高度因受材料塑性的限制不能太大，平板坯料压凸包时的许用成形高度可由书中表查得。压凸包时的许用成形高度可由书中表查得。 如果零件凸包高度超出极限如果零件凸包高度超出极限值，则可采用右图所示的方法，值，则可采用右图所示的方法，第一道工序用大直径的球形凸模第一道工序用大直径的球形凸模胀形，达到在较大范围内聚料和胀形，达到在较大范围内聚料和均匀变形的目的，用第二道工序均匀变形的目的，用第二道工序最后成形得到所要求的尺寸。最后成形得到所要求的尺寸。 三、空心坯料的胀形三、空心坯料的胀形 空心坯料胀形是迫使材料沿径向伸展，胀出所需的凸起曲空心坯料胀形是迫使材料沿径向伸展，胀出所需的凸起曲面，可用于制造许多形状较为复杂的零件。面，可用于制造许多形状较为复杂的零件。 1. 胀形方法胀形方法 刚性凸模胀形刚性凸模胀形：模具结构复杂，成本高，零件精度差。：模具结构复杂，成本高，零件精度差。 软凸模胀形软凸模胀形：模具结构简单，坯料变形均匀，能成形复杂：模具结构简单，坯料变形均匀，能成形复杂形状的零件形状的零件 。 液压胀形液压胀形：可加工大型零件，且液体的传力均匀，零件表：可加工大型零件，且液体的传力均匀，零件表面质量好。面质量好。 2. 胀形的变形程度胀形的变形程度 胀形系数：胀形系数：式中式中 胀形处最大直径；胀形处最大直径； D空心坯料原来的直径。空心坯料原来的直径。 胀形系数胀形系数K和材料伸长率的关系为和材料伸长率的关系为DdKmaxmaxd1maxKDDd1K 3. 胀形的坯料计算胀形的坯料计算 为便于材料的流动，减少变形区材料的变薄率，在胀形时为便于材料的流动，减少变形区材料的变薄率，在胀形时坯料端头一般不予固定，使其能自由收缩，因此坯料高度要考坯料端头一般不予固定，使其能自由收缩，因此坯料高度要考虑增加一个必缩量并留有切边余量。虑增加一个必缩量并留有切边余量。 坯料直径：坯料直径： 坯料长度：坯料长度： 变形区母线长度（变形区母线长度（mm）；）； 坯料切向拉伸的切向伸长率（坯料切向拉伸的切向伸长率（%）；）； b切边余量，一般取切边余量，一般取515mm； 0.30.4为切向伸长伸长而引起的高度减小所需的系数。为切向伸长伸长而引起的高度减小所需的系数。KdDmaxblL)4 . 03 . 0(1 l 5. 胀形模的结构胀形模的结构 结构可分为整体式和分块式两大类。结构可分为整体式和分块式两大类。 整体式凹模必须有足够的强度，因为工作压力都由它承整体式凹模必须有足够的强度，因为工作压力都由它承受。受力较大的胀形凹模，可带有铸造加强筋或受。受力较大的胀形凹模，可带有铸造加强筋或 预应力圈。预应力圈。 分块式胀形凹模必须根据零件合理选择分模面，分块数应分块式胀形凹模必须根据零件合理选择分模面，分块数应尽量减少。在闭合状态下，分模面应紧密贴合，形成完整的凹尽量减少。在闭合状态下，分模面应紧密贴合，形成完整的凹模型腔，在对缝处不应有间隙和不平。分模块用整体模套固模型腔，在对缝处不应有间隙和不平。分模块用整体模套固紧。紧。 橡胶胀形凸模的结构尺寸需设计合理。由于橡胶凸模是主橡胶胀形凸模的结构尺寸需设计合理。由于橡胶凸模是主要的承力和传力件，所以必须采用具有一定强度、硬度和弹性要的承力和传力件，所以必须采用具有一定强度、硬度和弹性的橡胶。的橡胶。1-下模板下模板 2-螺栓螺栓 3-压包凸模压包凸模 4-压包凹模压包凹模 5-胀形下模胀形下模 6-胀形上模胀形上模7-橡胶橡胶 8-拉杆拉杆9-上固定板上固定板 10-上模板上模板 11-螺钉螺钉 12-模柄模柄13-弹簧弹簧 14-螺母螺母 15-拉杆螺钉拉杆螺钉16-导柱导柱 17-导套导套罩盖胀形模罩盖胀形模成形工序成形的零件成形工序成形的零件用刚性凸模的胀形用刚性凸模的胀形1-凹模凹模 2-分瓣凸模分瓣凸模 3-拉簧拉簧4-锥形芯块锥形芯块 5-零件零件软模胀形软模胀形1-凹模凹模 2-零件零件 3-橡胶凸模橡胶凸模 4-下凹模下凹模 5-软垫块软垫块 液体胀形液体胀形 加轴向压缩的液体胀形加轴向压缩的液体胀形 1-上模上模 2-轴头轴头 3-下模下模 4-管坯管坯 5-零件零件学习项目二学习项目二 翻边翻边 概念：翻边是在模具的作用下，将坯料的孔边缘或外边缘概念：翻边是在模具的作用下，将坯料的孔边缘或外边缘翻成竖立直边的成形方法。翻成竖立直边的成形方法。 分类：分类： 内孔翻边内孔翻边 伸长类翻边伸长类翻边 外缘翻边外缘翻边 压缩类翻边压缩类翻边 翻边零件翻边零件a）b）c）d）-内孔翻边内孔翻边 e）f）-外缘翻边外缘翻边 一、圆孔翻边一、圆孔翻边 1. 圆孔翻边的变形特点与翻边系数圆孔翻边的变形特点与翻边系数 变形区变形区：内径为：内径为d、外径为、外径为D的环形的环形部分。部分。 变形特点变形特点： 切向：切向： 材料伸长材料伸长 厚度减薄厚度减薄 易裂；易裂； 径向：径向： 同心圆之间的间距基本不变同心圆之间的间距基本不变 径向变形很小径向变形很小 翻边系数翻边系数：DdK d翻边前孔径；翻边前孔径；D翻边后孔径。翻边后孔径。 翻边系数的影响因素：翻边系数的影响因素： （1）材料的力学性能：塑性好的零件，极限翻边一系数可）材料的力学性能：塑性好的零件，极限翻边一系数可以小些。以小些。 （2） 孔的边缘状况：翻边前孔边表面质量高（无撕裂，无孔的边缘状况：翻边前孔边表面质量高（无撕裂，无毛刺）时就有利于翻边成形，极限翻边系数可小些。毛刺）时就有利于翻边成形，极限翻边系数可小些。 （3） 翻边的孔径翻边的孔径d和材料厚度的比值越小，即相对坯料厚和材料厚度的比值越小，即相对坯料厚度大时，在断裂前材料的绝对伸长可以大些。因此，较厚材料度大时，在断裂前材料的绝对伸长可以大些。因此，较厚材料的极限翻边系数可以小些。的极限翻边系数可以小些。 （4） 凸模的形状：球形（抛物线凸模的形状：球形（抛物线或锥形）凸模较平底凸模对翻边有利，或锥形）凸模较平底凸模对翻边有利，因为前者在翻边时，孔边圆滑地逐渐因为前者在翻边时，孔边圆滑地逐渐张开，所以极限翻边系数可以小些。张开，所以极限翻边系数可以小些。翻边凸模的头部形状翻边凸模的头部形状 2. 圆孔翻边的工艺计算圆孔翻边的工艺计算 （1）平板坯料翻边的工艺计算）平板坯料翻边的工艺计算 预冲孔直径预冲孔直径: 又有：又有： 带入后整理得：带入后整理得：)2(2 21hrDdrHhrDD，221)72. 043. 0(2rHDd72. 043. 0)1 (272. 043. 0)1 (2rKDrDdDH或或则：则：72. 043. 0)1 (2minmaxrKDH 上式为一次翻边所能达到的最大高度，可用于判定能否一次上式为一次翻边所能达到的最大高度，可用于判定能否一次翻成。翻成。 （2）先拉深后冲孔在翻边的工艺计算）先拉深后冲孔在翻边的工艺计算 在拉深件底部冲孔翻边时，应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先决定翻边所能达到的最大高度h，然后根据翻边高度然后根据翻边高度h及工件高度及工件高度H来来确定拉深高度。确定拉深高度。 翻边所能达到的高度翻边所能达到的高度 翻边所能达到的极限高度翻边所能达到的极限高度rDdDrrdDh75. 0)1 (2)2(2)2(2rKDh57. 0)1 (2minmax预冲孔直径：预冲孔直径：rhDd14. 12 拉深高度：拉深高度：rhHh 二、外缘翻边二、外缘翻边 1. 变形程度变形程度外凸的外缘翻边属于压缩类外凸的外缘翻边属于压缩类翻边，类似拉深翻边，类似拉深内凹的外缘翻边属于伸长类翻内凹的外缘翻边属于伸长类翻边，类似内孔翻边边，类似内孔翻边外凸的外缘翻边变形程度外凸的外缘翻边变形程度内凹的外缘翻边变形程度内凹的外缘翻边变形程度bRbpbRbd 2. 坯料计算坯料计算 外缘翻边可根据翻边形式来计算，对于外凸的外缘翻边，外缘翻边可根据翻边形式来计算，对于外凸的外缘翻边，坯料形状按浅拉深件坯料的计算方法；对于内凹的外缘翻边，坯料形状按浅拉深件坯料的计算方法；对于内凹的外缘翻边，坯料形状按一般孔的翻边方法计算。坯料形状按一般孔的翻边方法计算。 3.翻边模翻边模 （1）内孔翻边模）内孔翻边模 （2）落料、拉深、冲孔、翻孔复合模）落料、拉深、冲孔、翻孔复合模 （3） 翻边凸模的结构形式翻边凸模的结构形式 （4）翻边模间隙）翻边模间隙85. 0Z内孔翻边模内孔翻边模落料、拉深、冲孔、翻孔复合模落料、拉深、冲孔、翻孔复合模、凸凹模冲孔凸模推件块、凸凹模冲孔凸模推件块4 4落料凹模落料凹模顶件块顶杆顶件块顶杆7 7固定板卸料板固定板卸料板1010垫片垫片 圆孔翻边凸模的形状和尺寸圆孔翻边凸模的形状和尺寸学习项目三学习项目三 缩口缩口 一、变形特点一、变形特点 在压力在压力F的作用下，模具工作部的作用下，模具工作部分压迫坯料的口部，使变形区的材料分压迫坯料的口部，使变形区的材料基本上处于两向受压的平面应力状态基本上处于两向受压的平面应力状态和一向压缩、两向伸长的立体应变状和一向压缩、两向伸长的立体应变状态。变形主要是直径因切向受压而缩态。变形主要是直径因切向受压而缩小，同时高度和厚度有相应的增加。小，同时高度和厚度有相应的增加。 主要质量问题：主要质量问题： 变形区的起皱和变形区的起皱和传力区的弯曲失稳。传力区的弯曲失稳。 二、缩口系数二、缩口系数 缩口变形程度用缩口系数缩口变形程度用缩口系数m表示表示 式中式中 d缩口后直径；缩口后直径； D缩口前直径。缩口前直径。 缩口系数越小，零件的变形程度越大，不同材料的极限缩缩口系数越小，零件的变形程度越大，不同材料的极限缩口系数与坯料厚度、口系数与坯料厚度、模具对坯料的支撑方式、模具对坯料的支撑方式、模具的粗糙度、模具的粗糙度、坯料的表面质量等因素有关系。坯料的表面质量等因素有关系。 如零件的实际缩口系数大于极限缩口系数，则可一次成形；如零件的实际缩口系数大于极限缩口系数，则可一次成形；否则需要多次缩口，并增加中间热处理工序。否则需要多次缩口，并增加中间热处理工序。 Ddm 三、缩口模三、缩口模无支撑衬套缩口模无支撑衬套缩口模1-卸料板卸料板 2-缩口凹模缩口凹模 3-定位座定位座1-上模座上模座 2-垫板垫板 3-凸模凸模 4-紧固套紧固套5-导正圈导正圈 6-凹模凹模 7-凹模套凹模套 8-下模座下模座倒挤式缩口模倒挤式缩口模气瓶缩口模气瓶缩口模1-顶杆顶杆 2-下模座下模座 3、14-螺钉螺钉 4、11-销钉销钉 5-下固定板下固定板 6-垫板垫板 7-外支撑套外支撑套8-缩口凹模缩口凹模 9-顶出器顶出器 10-上模座上模座 12-打料杆打料杆 13-模柄模柄 15-导柱导柱 16-导套导套学习项目四学习项目四 校平与整形校平与整形 校平和整形属于修整性成形工序，大都是在冲裁、弯曲、校平和整形属于修整性成形工序，大都是在冲裁、弯曲、拉深等冲压工序后进行，主要是为了提高冲件表面的平面度或拉深等冲压工序后进行，主要是为了提高冲件表面的平面度或把冲件的圆角半径及某些形状尺寸修整到符合零件的要求。把冲件的圆角半径及某些形状尺寸修整到符合零件的要求。这类工序的特点是：这类工序的特点是：1变形量很小，通常是在局部地方成形以达到修整的目的，变形量很小，通常是在局部地方成形以达到修整的目的，使冲件符合零件图样的要求。使冲件符合零件图样的要求。2. 要求校平和整形后，冲件的误差比较小，因而模具的精度要要求校平和整形后，冲件的误差比较小，因而模具的精度要求比较高。求比较高。3. 要求压力机的滑块到达下极点时，对冲件要施加校正力，因要求压力机的滑块到达下极点时，对冲件要施加校正力，因此，所用设备要有一定的刚性。这类工序最好使用精压机，此，所用设备要有一定的刚性。这类工序最好使用精压机，若用一般的机械压力机，则必须带有保护装置，以防损坏设若用一般的机械压力机，则必须带有保护装置，以防损坏设备。备。 一、校平一、校平 1. 校平变形特点与校平力校平变形特点与校平力 在校平模的作用下，坯料产生在校平模的作用下，坯料产生反向弯曲变形而被压平，并在压力反向弯曲变形而被压平，并在压力机的滑快到达下极点时被强制压紧，机的滑快到达下极点时被强制压紧，使材料处于三向压应力状态。校平使材料处于三向压应力状态。校平的工作行程不大，但压力很大。的工作行程不大，但压力很大。 校平力校平力 式中式中 p单位面积上的校平压力（单位面积上的校平压力（MPa） A校平面积（校平面积（mm2）pAF 2. 平板校平模平板校平模 平板冲件的校平模分光面校平模和齿面校平模两种。平板冲件的校平模分光面校平模和齿面校平模两种。平板校平模对改变材料内部应力状态的效果较弱，卸载后平板校平模对改变材料内部应力状态的效果较弱，卸载后零件的回弹大，校平效果差。零件的回弹大，校平效果差。齿面校平模由于齿压人坯料形成许多塑性变形的小网点，齿面校平模由于齿压人坯料形成许多塑性变形的小网点，有助于彻底地改变材料原有的和应力应变状态有助于彻底地改变材料原有的和应力应变状态 ，卸载后零，卸载后零件的回弹小，校平效果好。件的回弹小，校平效果好。 a)光面校平光面校平 b)齿面校平齿面校平 齿形校平模常见齿形齿形校平模常见齿形尖齿校平尖齿校平1-方形尖齿方形尖齿 2-菱形尖齿菱形尖齿平齿校平平齿校平二、整形二、整形1. 弯曲件整形弯曲件整形弯曲件的整形方法主要有压校和镦校两种。弯曲件的整形方法主要有压校和镦校两种。 压校时材料的变形与弯曲变形压校时材料的变形与弯曲变形相同，不能改变材料的原有应相同，不能改变材料的原有应力状态，所以整形效果一般力状态，所以整形效果一般镦校时材料在长度方向上受压，镦校时材料在长度方向上受压，改变材料的原有应力状态，使之改变材料的原有应力状态，使之处于三向压应力状态，所以整形处于三向压应力状态，所以整形效果好。效果好。 2. 拉深件整形拉深件整形 （1）拉深件筒壁整形）拉深件筒壁整形 对于直壁拉深件的整形，一般采用负间隙拉深整形法，整对于直壁拉深件的整形，一般采用负间隙拉深整形法，整形模凸、凹模间隙形模凸、凹模间隙 ，整形时直壁稍有变薄。，整形时直壁稍有变薄。 （2）拉深件圆角整形）拉深件圆角整形 圆角包括凸缘根部和底部的圆角。圆角包括凸缘根部和底部的圆角。 如果凸缘直径大于筒部直径如果凸缘直径大于筒部直径22.5倍时倍时 ，圆角区变形相当，圆角区变形相当于变形不大的胀形，所以整形效果好且稳定。于变形不大的胀形，所以整形效果好且稳定。 如果凸缘直径小于如果凸缘直径小于22. 5倍的筒部直径时，整形圆角时凸倍的筒部直径时，整形圆角时凸缘可产生微量收缩。缘可产生微量收缩。 )95. 09 . 0(Z学习项目五学习项目五 旋压旋压 将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床将平板或空心坯料固定在旋压机的模具上，在坯料随机床主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的主轴转动的同时，用旋轮或赶棒加压于坯料，使之产生局部的塑性变形。塑性变形。1-主轴主轴 2-模具模具 3-坯料坯料 4-顶块顶块 5-顶尖顶尖 6-赶棒或旋轮赶棒或旋轮 旋压的优缺点：旋压的优缺点： 优点优点：设备和模具都较简单，除可成形各种曲线构成的旋：设备和模具都较简单，除可成形各种曲线构成的旋转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。转体外，还可加工相当复杂形状的旋转体零件。 缺点缺点：生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小：生产率较低，劳动强度较大，比较适用于试制和小批量生产批量生产。 1.变形特点变形特点 坯料与赶棒点接触，发生以下两种变形：坯料与赶棒点接触，发生以下两种变形： （1）赶棒直接接触的材料产生局部凹陷的塑性变形；）赶棒直接接触的材料产生局部凹陷的塑性变形； （2）坯料沿着赶棒加压的方向大片倒伏。）坯料沿着赶棒加压的方向大片倒伏。 2.旋压的基本要求旋压的基本要求 （1）合理的转速）合理的转速 （2）合理的过渡形状）合理的过渡形状 （3）合理加力）合理加力 2.旋压成形极限旋压成形极限变形程度以旋压系数表示：变形程度以旋压系数表示：坯料直径可按坯料直径可按等面积法等面积法求出，但旋压时材料的变薄较大求出，但旋压时材料的变薄较大些，因此应将理论计算值减小些，因此应将理论计算值减小57。圆筒形件的极限旋压系数可取为：圆筒形件的极限旋压系数可取为：圆锥形件的极限旋压系数可取为：圆锥形件的极限旋压系数可取为：当工件需要的变形程度较大（即较小）时，便需多次旋当工件需要的变形程度较大（即较小）时，便需多次旋压。多次旋压时必须进行中间退火。压。多次旋压时必须进行中间退火。Ddm 8 . 06 . 0minm3 . 02 . 0minm几道连续工序的旋压几道连续工序的旋压不同支撑方式的缩口不同支撑方式的缩口