最新同济大学机械第五章胀形与翻边PPT课件.ppt

5.1 胀形胀形 利用模具强迫板料厚度减薄和表面积增大，以获取零件几何形状的冲压加工方法叫做胀形。 冲压生产中的起伏成形、圆柱形空心毛坯的凸胀成形、波纹管的成形及飞机蒙皮张拉成形等均属于胀形成形。汽车覆盖件等形状比较复杂的零件成形也常常包含胀形成分。胀形的方法有： 1 、钢模胀形法 2 、软模胀形法 3 、液压胀形法 进入90 年代，由于燃料和原材料成本的原因及环保法规对废气排放的严格限制，使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了采用轻体材料如铝合金和镁合金等，减轻重量的另一个重要的途径就是在结构上采用以空代实和变截面等结构件，即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件，采用空心结构既可以减轻重量、节约材料，又可以充分利用材料的强度和刚度。管件的液压柔性成形正是在这样的背景下开发出来的一种制造空心轻体构件的先进制造技术。此项技术在德国、美国等发达国家已得到广泛的研究和应用。尤其是在汽车领域的应用，主要用来生产排气系统零件、底盘、框架结构和凸轮轴等。其成形内压力一般为200 到400Mpa，对于较特殊的零件，其成形内压力有时可以达到1000Mpa，这根据所加工材料的屈服强度、塑性、管厚和要求的胀形量以及零件的最终形状要求（如圆角半径、胀形量、允许减薄量等）而定。 1、管件液压柔性成形技术原理及其分类 液压柔性成形原理是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成形，如图1 所示。其基本工艺过程为：首先将管坯1放在下模2内，然后闭合上模3，将管的两端用水平冲头4和5密封，并使管坯内充满液体。在加压胀形的过程中，两端的冲头同时向内推进补料，这样在内压和轴力的联合作用下使管坯贴靠模具而成形为所需的工件。 在汽车零件的加工中，根据有无轴向进给，可以把管件液压柔性成形分为两类，一类为有轴向进给，如图1 所示，主要用来成形壁厚均匀或较大成形量的零件；另一类为无轴向进给，主要用在零件的整形和多个零件的胀接如中空凸轮轴的生产等，对于轴线为曲线的零件，还需要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形, 如图2 所示。 图1 有轴向进给的管件内高压成形 图2 无轴向进给的管件液压柔性成形2、管件液压柔性成形优点及应用范围 用管材液压柔性成形可以一次成形出沿着构件的轴线截面不同的复杂零件，这是管材液压柔性成形的主要优点。另外，与传统的冲压焊接工艺相比，管件液压柔性成形的主要优点还有以下几个方面。 （1） 减轻重量节约材料。对于图3 空心轴类可以减轻4050%，节约材料可达75%。汽车上部分采用冲压工艺与管材液压柔性成形的产品结构重量对比如表1。图3 阶梯轴表1 汽车上部分冲压件与管材液压柔性成形件的重量对比（2） 减少零件和模具数量，降低模具费用。液压柔性成形件通常仅需要一套模具，而冲压件大多需要多套模具。副车架的组成零件由6个减少到1个；散热器支架的组成零件由17个减少到10个。（3） 可减少后续机械加工和组装焊接量。以散热器支架为例，散热面积增加43%，焊点由174 个减少到20 个，装配工序由13 道减少到6 道，生产率提高66%；（4） 提高强度与刚度，尤其疲劳强度。仍以散热器支架强度为例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。（5） 降低生产成本。根据德国某公司对已应用零件统计分析，管材液压柔性件比冲压件平均降低1520%，模具费用降低2030%。（6） 成形零件的精度提高。成形零件的尺寸精度从原来的IT14 提高到IT10。管材液压柔性成形适用于制造航空、航天和汽车领域的各种异形的空心构件，在汽车领域，德国处于世界研究的最前沿。德国于70 年代末开始管材液压柔性成形基础研究，并于90 年代初率先开始在工业生产中采用管材液压柔性成形技术制造汽车轻体构件。德国奔驰汽车公司（DAIMLERBENZ）于1993 年建立其管材液压柔性成形车间；宝马公司(BMW)已在其几个车型上应用了管材液压柔性成形的零件。目前在汽车上应用有：排气系统；底盘构件；车身框架、座椅框架及散热器支架；凸轮轴等。 3、管材液压柔性成形技术在汽车排气系统上的应用 管材液压柔性成形技术过去主要用来研究生产一些简单的零件如直壁枝杈管等，距今已有30 年的历史。现今汽车的零件生产主要是一些枝杈管，但与过去生产的直壁枝杈管有所不同，形状和成形工艺要更为复杂一些。图4 为典型的排气系统三通管。在管材液压柔性成形过程中可以较精确地控制零件的尺寸精度，故可以很方便地在后续工序中与其它零件进行装配。如今，这些工件已在奔驰公司批量生产，用来取代传统的铸造生产或用两个半壳焊在一起的生产方式。与传统的生产工艺相比，利用管材液压柔性成形的方式节约了70%的生产时间，与铸造生产方式相比，大约节约了40%的重量。图4 用于汽车排气系统的Y 形三通管件(SPS) 图5是汽车上采用的一种接触反应转换器，由一对圆锥体形成。利用管材液压柔性技术成形后，再从中间剖开，从而形成两个零件。利用管材液压柔性成形技术可以获得100%的膨胀量。图5 一次成形的双锥体零件（SPS） 在汽车排气系统中，还有一类零件，就是符合气体动力学原理和具有消音功能的复杂的空间构件。传统的生产工艺一般是先冲压后焊接再一起，这就影响了零件的总体装配精度，零件的功能也将受到影响。而利用管材液压柔性成形就消除了这种缺陷的产生，一次生产出合格的零件，如图6所示，为管材液压柔性成形生产的一种典型的零件。图6 具有复杂空间尺寸的汽车排气管件(SPS)4、管材液压柔性成形技术在汽车底盘上的应用 用管材液压柔性成形技术来生产汽车底盘部件有很多的优点，如安装空间的充分利用、零件具有复杂的空间结构、底盘零件的高强度等。利用管材液压柔性成形技术可以获得刚度很高的轿车结构和高刚性的底盘，这使得操纵汽车变得更安静、更灵活。生产此类零件，一般有以下几个工艺步骤：管坯的制造，管坯的预弯以及通过液压柔性成形，得到零件的最终形状，在必要的情况下，还需进行激光切割或端部加工等工序。图7为利用管材液压柔性成形的各种汽车底盘零件的集成。图7 汽车底盘零件(BMW) 一般来说，在底盘零件上采用的管坯尺寸为直径7585mm，壁厚为23mm，最终成形零件的长度在1200 到1400mm 之间，截面的最大膨胀程度在25%到35%之间。生产此类零件时，要优化所用管坯的原始参数，如外径、壁厚和材料及其性能参数等，还要确定合适的工艺参数，如果在管材液压柔性成形时管端部需要较大的膨胀量，则还需要考虑管端部的进给。如图8 所示为管端部需要较大膨胀量的汽车底盘零件：副车架，此件所采用管坯外径是69.9mm，壁厚为2.5mm，传统冲压焊接工艺成形需6 个零件，而内高压成形仅需要一个零件，重量节省了34%。图8 汽车副车架(Schuler) 图9 是现今世界汽车行业中应用的最大管材液压柔性成形件：汽车纵梁，此件是在通用汽车公司开发的专用管材液压柔性成形机上制造的。该件的原始管坯外径为152.4mm，壁厚为2.0mm，长度为4876.8mm，而过去采用的方法是采用14个冲压件焊接或铆接在一起而成的。现采用管材液压柔性成形件降低了造价和减轻了重量，并且空间结构尺寸愈加紧凑。 图9 管材液压柔性成形的汽车纵梁(GM)5、管材液压柔性成形技术在汽车车身框架的应用 在汽车工业，结构零件占车身总重的很大一部分，为减轻车身的重量，可以采用两种途径：一种是采用新型的轻质材料，另一种就是减少零件的重量。而利用管材液压柔性成形技术成形开创了一个减重的新领域：结构零件的生产。与传统的结构部件生产工艺相比，管材液压柔性成形具有以下优点：高度整体化（即零件数量的减少），复杂空间结构，零件刚度好，空间利用率高，尺寸精度高。图10 为汽车车身框架的集成图，其中主要有车顶纵梁，其原始管坯为低碳钢，管坯的外径为69.9mm，厚度为2.0mm，全部工艺过程包括弯曲、液压柔性成形、冲裁和切边等，并且为了提高生产率，左右零件同时用管材液压柔性成形的方法生产，然后在下道工序中切开。图10 管材液压柔性成形的汽车车身框架6、凸轮轴 利用管材液压柔性成形胀接工艺可以用来实现零件之间的联接，如图11 为利用此种工艺生产的汽车发动机的凸轮轴。首先利用粉末冶金的方法生产出单个的凸轮，然后把多个这样的凸轮预安装在一根管坯上，在管坯内部通以一定的高压液体，管坯局部经过了塑性变形，在凸轮的两侧超出了凸轮的宽度，约束了凸轮的轴向位移，并且，由于管坯内压的作用，凸轮也产生了一定的弹性变形，当内压撤消后，凸轮回弹，会在凸轮与管坯之间产生一种紧密的结合力，这种结合力防止了凸轮相对于管坯的转动。与传统凸轮轴生产工艺相比，由于此种工艺的凸轮与心轴为胀接，可以采用不同的材料，在相同扭距的情况下，零件总体重量也降低，特别是对于一些中心需要钻孔的零件更有优势。图11 利用液压柔性成形胀接工艺生产的凸轮轴 8、结论及应用研究展望 减轻结构重量以节约材料和运行中的能量是现代先进制造技术发展的趋势之一。液压柔性成形是适应这种趋势提出来的一种制造空心轻体的新工艺。液压柔性成形件具有诸多的优点，可以减少模具，降低生产成本，缩短加工周期。可以用于制造汽车、航空、航天等行业中使用的各类轻体构件。根据美国钢铁研究院汽车应用委员会的调查结果，在北美制造的典型轿车中，采用空心轻体件在轿车总重量的比例已从15 年前的10%上升到16%，而在中型面包车、大吉普和皮卡车的比例还要高。因此美国有关大学，研究机构和公司十分重视液压柔性成形技术，已于几年前开始着手研究开发，近年来加大研究开发的力度。如美国三大汽车公司和十大钢铁公司成立“汽车与钢铁液力成形工业资源组织（Auto/SteelPartnershipHydroformingIndustryResourceGroup ）”。据一项调查表明，估计到2010 年北美生产的典型车型中将有50%零件采用液压柔性成形技术制造 5.1 胀形一、胀形成形特点胀形的特点是： 1 、胀形时，板料的塑性变形区仅局限于一个固定的变形范围内，板料不向变形区外转移，也不从变形区外进入变形区。 2 、胀形时板料在板面方向处于双向受拉的应力状态，所以胀形时工件一般都是要变薄。因此在考虑胀形工艺时，主要应防止材料受拉而胀裂。 3 、胀形的极限变形程度，主要取决于材料的塑性。材料塑性越好，延伸率越大，则胀形的极限变形程度越大。 4 、胀形时，材料处于双向拉应力状态，在一般情况下，变形区的工件不会产生失稳起皱现象。胀形成形的工件表面光滑、回弹小，质量好。5.1 胀形一、胀形成形特点（续）图5-1 纯胀形成形 图5-2 胀形时的应力和应变 5.1 胀形一、胀形成形特点（续）图5-3 胀形时的应变分布与应变状态图a）应变分布图 b）应变状态图a）b）5.1 胀形一、胀形成形特点（续） 应变分布图是冲压成形时零件上各点或局部各点的应变分布情况图，应变状态图是零件上各点或局部各点的应变在二维主应变平面上的分布状况图。成形方式、工艺条件和材料性能的改变，都会引起应变分布图和应变状态图发生变化。利用应变分布图和应变状态图可以分析冲压变形区的应变情况，寻求改善板料塑性流动的措施，以解决冲压成形时的各种失稳问题。将胀形时的应变状态图与板料的成形极限图（FLD）对比，若零件上某点的应变量超出成形极限图的应变范围，该点就是发生破裂的危险点，必须采取措施（如改变毛坯或模具的几何条件、调整压边力、修磨圆角、改变润滑或更换原材料等）降低该点应变量，以保证不发生破裂。图5-4 胀形成形极限图5-5 胀形破裂5.1 胀形一、胀形成形特点（续）5.1 胀形二、胀形成形极限 胀形成形极限以零件是否发生破裂来判别，由于胀形方法不同，成形极限的表示方法也不同。纯胀形时，常用胀形高度来表示成形极限；采用其它胀形方法时，成形极限可分别用许用断面变形程度p（压筋）、许用凸包高度hp（压凸包）、极限胀形系数kp（圆柱形空心毛坯胀形）和极限拉形系数klmax（张拉成形）等表示成形极限。虽然胀形成形极限表示方法不同，但由于胀形区应变性质相同，且破裂只与变形区应变情况有关，所以影响因素基本相似。5.1 胀形二、胀形成形极限（续） 一般来讲，胀形破裂总是发生在材料厚度减薄最大的部位，所以变形区的应变分布是影响胀形极限的重要因素。若零件形状和尺寸不同，胀形时的应变分布也不相同。图5-6为用球头凸模和平底凸模胀形时的厚度分布情况。由图可知，球头凸模胀形时，应变分布比较均匀，各点的应变量都比较大，能获得较大的胀形高度，故成形极限大。图5-7为零件断面形状对胀形高度的影响。5.1 胀形二、胀形成形极限（续）图5-6胀形时的厚度应变分布情况图5-7零件断面形状对胀形高度的影响5.1 胀形二、胀形成形极限（续） 影响胀形极限的材料因素：延伸率、应变硬化指数n。一般来讲，延伸率大，破裂前允许的变形程度大，成形极限也大；n值大，应变硬化能力强，可促使应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局部应变能力，故成形极限也大。 润滑条件和变形速度（主要针对刚性凸模胀形）以及材料厚度对胀形极限也有影响。例如，用球头凸模胀形时，若在毛坯和凸模之间施加良好的润滑（如加衬一定厚度的聚乙烯薄膜），其应变分布要比干摩擦时均匀，能使胀形高度增大。变形速度的影响，主要通过改变摩擦系数来实现的。对球头凸模来讲，速度大，摩擦系数减小，由于应变分布均匀化，胀形高度有所增大。5.1 胀形二、胀形成形极限（续） 必须指出，用平底凸模胀形时，应尽量增大凸模底部板料的变形，避免板料圆角处变形过于集中，否则，胀形高度就比较小。 一般来讲，材料厚度增大，胀形成形极限有所增大，但料厚与零件尺寸比值较小时，其影响不太显著。5.1 胀形三、胀形工艺方法1、起伏成形 板料在模具作用下，通过局部胀形而产生凸起或凹下的冲压加工方法叫做起伏成形。起伏成形主要用来增强零件的刚度和强度。常见的起伏成形有压加强筋、压凸包、压字和压花等。起伏成形大多采用金属冲模，对厚度较小的板料、薄料和膜片等可采用橡皮模或液压胀形装置成形。起伏成形5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋（续） 加强筋能否一次冲压成形，与筋的几何形状和材料性质有关，若不能一次成形，则应采用多道工序（图5-9）。图5-9 两道工序成形的加强筋a）预成形 b）最终成形 A） 5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋（续） 能够一次成形加强筋的条件为：1575. 070. 000lllp材料延伸率。线轮廓长度；成形后加强筋断面的曲；变形区断面的原始长度断面变形程度；式中llp05.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋（续） 图5-10是断面变形程度与压筋成形相对高度的关系。由图示和式（51）可知，压筋高度与断面变形程度关系，受材料延伸率影响。材料延伸率越大，一次压筋许用的断面变形程度越大，压筋高度也就越大。图5-10 加强筋成形时断面变形程度与相对高度的关系 1-计算值 2-实测值5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋（续） 冲压加强筋的变形力按下式计算：)25( btLKF。为材料强度极限，；为料厚，；为加强筋周长，取较小值；取较大值，宽而浅时，加强筋形状窄而深时系数，等于；为变形力，式中MPammttmmLLKNFFbb17 . 05.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）1）压加强筋（续） 若在曲柄压力机上用薄料（t1.5mm）对小零件（面积2000mm2）压筋或压筋兼作校正工序时，变形力按按下式计算：352tAkF。为料厚，；为成形面积，；铜件和铝件约取，系数，钢件约取；为变形力，式中mmttmmAAKNFF20015030020025.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）2）压凸包图5-11 压凸包于拉深成形；，毛坯凸缘会收缩，属若4pdD成形。，属于胀形性质的起伏若4pdD5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）2）压凸包（续） 冲压包凸时，凸包高度受材料塑性限制，不能太大。凸包成形高度还与凸模形状及润滑有关。例如，采用球形凸模时，凸包高度可达球径的1/3，而换用平底凸模时，高度就会较小，原因是平底凸模的底部圆角半径rp对凸模下面的材料变形有约束作用。一般情况下，润滑条件较好时，有利于增大球形凸包的成形高度。5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）1、起伏成形（续）2）压凸包（续） 如果零件要求的凸包高度超出表5-2所列数值，则可采用类似于多道工序压筋的方法冲压凸包。5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形 将圆柱形空心毛坯（管状或桶状）向外扩张成曲面空心零件的加工方法叫做圆柱形空心毛坯胀形，用这种方法可以制造许多形状复杂的零件（图5-12）。图5-12 圆柱形空心毛坯胀形a）波纹管 b）凸肚件5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续） 对平板毛坯胀形时，采用刚性冲模较为实用，效率也较高。对圆柱形空心毛坯胀形时，虽然也可采用刚性冲模，但冲模需要分瓣，结构比较复杂（图5-13），所以生产中常用软模对这类毛坯进行胀形。胀形使用的软模介质有橡胶、PVC塑料、石腊、高压液体和压缩空气等。图5-13 刚体分瓣凸模胀形5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续）图5-14 橡胶凸模胀形1-凸模 2-凹模 3-毛坯 4-橡胶 5-外套图5-15 PVC塑料凸模胀形波纹管1-外模块 2-毛坯 3-螺母 4-内模块 5-PVC塑料 6-拉杆5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续）图5-16 石蜡胀形1-调节螺栓 2-毛坯 3-石蜡 4-凹模 5-节流孔 6-凸模图5-17 液体凸模胀形A）倾注液体法 b）充液橡皮蘘法5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续）圆柱形空心毛坯的变形程度用胀形系数K表示：450maxddK。胀形后零件的最大直径毛坯原始直径；式中max0dd图5-18 圆柱形空心毛坯胀形极限胀形系数Kp：550maxddKp最大胀形直径。零件胀破前允许的式中maxd5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续）极限胀形系数Kp与毛坯切向的许用延伸率p有关，即：65100maxppKddd5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续） 圆柱形空心毛坯胀形时，若两端不固定，毛坯的原始长度L0（图5-8）可按下式近似计算：图5-18 圆柱形空心毛坯胀形754 . 03 . 010hLL。修边余量，约取；，零件切向的最大延伸率零件的母线长度；式中mmhdddL201000max5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）2、圆柱形空心毛坯胀形（续） 软模胀形圆柱形空心毛坯时，所需的单位压力p分下面两种情况。 两端不固定，允许毛坯轴向自由收缩时，852maxbdtp 两端固定，毛坯轴向不能收缩时，8522maxRtdtpb为材料的抗拉强度。b5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）3、张拉成形 生产中常有一些底部曲率半径很大的零件，如汽车上的某些覆盖件和飞机蒙皮等。冲压这些零件时，底部曲面的变形性质属于胀形，或胀形是主要变形方式，但曲面部分变形量很小，通常把这些曲面变形叫做大曲率半径胀形。 大曲率半径胀形，曲面变形量很小，破裂不是生产中的主要问题，重要的是零件脱模后的曲面回弹常使曲面变平，造成零件出现较大的形状误差，为了保证零件质量，必须想办法解决这类回弹问题。5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）3、张拉成形（续） 含有大曲率半径胀形的汽车覆盖件生产批量大，通常都在压力机上用冲模冲压成形。为了解决这类零件的曲面回弹，除采用增大进料阻力的工艺措施（如调整压边力，使用拉深筋和增大毛坯尺寸等）提高曲面变形程度外，也可采用屈强比s/b较小的板料成形零件。 对于飞机蒙皮等一些单曲面或结构简单的复合曲面零件，由于品种多，生产批量小，使用冲模加工不经济，为了解决这类零件的回弹问题，常采用张拉成形，或简称拉形。 5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）3、张拉成形（续）张拉成形的优点：零件回弹小模具结构简单可以防止因曲面变形量不大而在零件表面产生滑移线痕迹同时还能提高零件刚度缺点：生产率低原材料消耗大需要专用设备5.1 胀形三、胀形工艺方法（续）3、张拉成形（续） 张拉成形原理与拉弯成形相似，即在毛坯贴靠凸模曲面成形时，对毛坯附加张拉力F，张拉力一方面增大材料变形程度，另一方面减小贴模时毛坯断面上的应力分布梯度，从而达到减少零件回弹量的目的。图5-19 张拉成形a）开始阶段 b）中间阶段 c）终了阶段5.1 胀形3、张拉成形（续） 张拉成形时，毛坯分为成形区和悬空部分的传力区（图5-19）。成形区贴靠凸模曲面时，材料常处于双向受拉的应力状态（厚向应力很小，忽略不计）和一拉一压的应变状态，导致厚度减薄（图520），因此张拉成形属于胀形成形方式。三、胀形工艺方法（续）5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 张拉成形时，传力区不与模具接触，没有模具表面的摩擦作用，所以传力区的拉应力1大于成形区的拉应力1。另外，传力区在夹头附近还有应力集中问题，因此成形时容易在此区域发生拉破现象。5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 张拉成形时，常常设想毛坯和零件可以划分成许多宽度为db（图5-19和图5-20）的狭窄条带，并以拉形系数Kl表示变形程度。1050maxllKl条带的原始长度。；）（图零件脊背处条带的长度式中0max215ll图5-21双曲零件示例a）凸双曲零件 b）凹双曲零件5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续）5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续），所以：因为lll0max11511000lllllllK伸长率。零件脊背最高处条带的伸长量；零件脊背最高处条带的式中ll5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 通常，零件脊背最低处的曲线轮廓长度最短，张拉成形时变形量最小，为了防止回弹，一般要使该处的伸长变形超过1，即有：12501. 10minll长度。零件脊背最低处条带的式中minl从而13501. 1minmaxminmaxllllKl lmax与lmin的位置与零件形状有关，在凸双曲零件中，lmax位于零件中间，lmin位于零件一端边缘；在凹双曲零件中，lmax位于零件一端边缘，lmin位于零件中间（图5-21）。lmax和lmin可从拉形模或样板以及表面标准样件上量取。5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 传力区的拉应力比变形区大，所以两个区域的伸长变形不等，通常可认为两者有以下近似关系：1452nlle应变硬化指数。毛坯在模具上的包角；摩擦系数；传力区的伸长率；式中nl5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 为了保证传力区不被拉断，常常规定：1558 . 0l延伸率。单向拉伸试验时的材料式中所以，张拉成形极限可用极限拉形系数Klmax表示：1658 . 012maxnleK5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 计算张拉成形的毛坯尺寸时，应本着节约原则在零件四周只留合理的最小余量，根据图5-22，毛坯长度L按下式计算：17523210llllL。夹持长度，一般取，一般取与设备和模具结构有关长度凸模与夹口间的过渡区；修边余量，一般取零件的展开长度；式中mmllmmll50150201032105.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续）图5-22 张拉工艺示意图图5-23 张拉零件切割线5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续）毛坯宽度b按下式计算：185241lbb。修边余量，一般取零件的展开宽度；式中mmlb20415.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续）为了保证夹头附近材料不被拉破，一般取张拉力F为：1959 . 0AFb。夹头夹紧材料的断面积材料的强度极限；式中Ab根据图5-22，凸模力F1为2052cos21FF5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续） 张拉成形模具结构比较简单，原则上只用凸模，并且受力也小，所以凸模除用钢材制作之外，也可用锌基合金、环氧树脂、混凝土和木材制作。张拉成形模具设计也比较简单，主要注意成形时零件的脊背线应尽量接近水平，使材料能均匀变形。凸模宽度应比零件最大宽度大15mm以上，其曲面长度lp（图5-23）按下式计算：215302pprll是料厚。，为凸模圆角半径，；为零件曲面长度，式中ttrmmrrmmllppp8 凸模高度与零件尺寸、形状及凸模材料有关，一般不应小于300mm。5.1 胀形3、张拉成形（续）三、胀形工艺方法（续）翻边 利用模具把板料上的孔缘或外缘翻成竖边的冲压加工方法叫翻边。利用翻边不仅可以加工具有特殊空间形状和良好刚度的立体零件，还能在冲压件上制取与其他零件装配的部位（如铆钉孔、螺纹底孔和轴承座等）。冲压大型零件时，还能利用翻边改善材料塑性流动，以免发生破裂或起皱。 按工艺特点划分有内孔（圆孔或非圆孔）翻边、外缘翻边和变薄翻边等方法。由于零件外缘的凸凹性质不同，外缘翻边又可分为内曲翻边和外曲翻边。按变形性质划分时，有伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。翻边 伸长类翻边的特点是：变形区材料受拉应力，切向产生伸长变形，导致厚度简薄，容易发生破裂，如圆孔翻边、外缘的内曲翻边等； 压缩类翻边的特点是：变形区材料切向受压缩应力，产生压缩变形，厚度增大，容易起皱，如外缘的外曲翻边。 非圆孔翻边经常是由伸长类翻边、压缩类翻边和弯曲组合起来的复合成形。图 内孔与外缘翻边零件翻边5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变 翻边时，带有圆孔的环形毛坯被压边圈压死，变形区基本上限制在凹模圆角以内，并在凸模轮廓的约束下受单向或双向拉应力作用（忽略板厚方向的应力），随着凸模下降，毛坯中心的圆孔不断胀大，凸模下面的材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模侧壁，形成直立的竖边。5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）主应力法：平衡微分方程：2250dd5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）塑性条件：。，力顺序为通常，圆孔翻边时的应0321t235s2451rs，得边界条件，那么，联解方程，代入0|r5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）圆孔翻边时的应力变化曲线：圆孔翻边时的应力分布：a)非硬化材料 b) 硬化材料5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）圆孔翻边时的应变分布图和应变状态图：圆孔翻边时的应变分布图和应变状态图5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）圆孔翻边的特点： 变形区材料在单向或双向拉应力作用下，切向伸长变形大于径向压缩变形，导致材料厚度减薄，属于伸长类翻边。 在圆孔翻边的中间阶段，即凸模下面的材料尚未完全转移到侧面之前，如果停止变形，就会得到图示的成形方式，这种成形方式叫做扩孔，生产应用也很普遍；很显然，扩孔与圆孔翻边的应力和应变性质相同，常将其作为伸长类翻边的特例。扩孔成形5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续）带有扩孔成形的零件5.2 圆孔翻边一、圆孔翻边时的应力和应变（续） 一般情况下，圆孔翻边时的孔缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起的厚度减薄最大，最容易破裂。由于材料性质不均匀，孔缘各处允许的切向延伸率不同，一旦孔缘某处的伸长变形超过了该处材料允许的延伸率，该处就会因厚度减薄过大而破裂。通常，把这种因材料局部延伸率不足引起的破裂叫做破裂。伸长类翻边破裂：a)扩孔破裂 b)翻边破裂5.2 圆孔翻边二、圆孔翻边时的成形极限 圆孔翻边的变形程度用翻边系数K表示：2650mDdK翻边后竖边的中径。径；毛坯上圆孔的初始直式中mDd0翻边件的尺寸5.2 圆孔翻边二、圆孔翻边时的成形极限（续）翻边件的尺寸5.2 圆孔翻边二、圆孔翻边时的成形极限（续） 圆孔翻边的成形极限根据竖边边缘是否发生破裂来确定。翻边系数K与竖边边缘厚度减薄量的关系推导如下。竖边边缘外侧切向应变000lnlndtDdtDmm外竖边边缘内侧切向应变000lnlndtDdtDmm外竖边边缘平均切向应变22001ln5272mDtd外内5.2 圆孔翻边二、圆孔翻边时的成形极限（续）由于边缘只受切向拉应力作用，故厚度应变21ln0ttt所以285112024202042022040mmmmDtKDtDdtDdtt很小，则若相对厚度mDt02950Ktt影响圆孔翻边成形极限的因素如下：5.2 圆孔翻边二、圆孔翻边时的成形极限（续）（1）材料延伸率和应变硬化指数n大，Kl 小，成形极限大；（2）孔的加工方法;（3）凸模的形状；（4）板料相对厚度越大，Kl 越小，成形极限愈大。5.2 圆孔翻边三、圆孔翻边时的毛坯计算 圆孔翻边的毛坯计算主要是利用板料中性层长度不变的原则，用翻边高度计算翻边圆孔的初始直径d0，或用d0和翻边系数计算可以达到的翻边高度。采用先拉深再翻边的方法时，还要计算出翻边前的拉深高度。5.2 圆孔翻边三、圆孔翻边时的毛坯计算（续）1、一次翻边成形 翻边高度不大时，可将平板毛坯一次翻边成形。翻边圆孔的初始d0、翻边高度h和翻边系数Kl 之间的关系如下。305221010htrDd因为 D1=Dm+2r+t0，h1=hrt0，代入上式化简后，得：31572. 043. 0200trhDdm32572. 043. 01272. 043. 021000trKDtrdDhmm计算翻边高度时，必须满足KKl，否则不能一次翻边成形。5.2 圆孔翻边三、圆孔翻边时的毛坯计算（续）2、拉深后再翻边拉深件底部冲孔后翻边5.2 圆孔翻边三、圆孔翻边时的毛坯计算（续）2、拉深后再翻边（续）若取极限翻边系数Kl，则有35557. 012max1rKDhlm3650mlDKd于是，翻边前的拉深高度h2为375012trhhh或3850max12trhhh对于翻边高度较大的零件，多次翻边方法成形中间退火。5.2 圆孔翻边四、圆孔翻边力计算1、采用圆柱型平底凸模时3951 . 100smtdDF。为屈服极限，；为毛坯厚度，；为圆孔初始直径，；为翻边后竖边直径，为翻边力，式中MPammttmmddmmDDNFFssmm;0000 平底凸模底部圆角半径rp对翻边力有影响，增大rp可降低翻边力（图5-32）。5.2 圆孔翻边四、圆孔翻边力计算（续）1、采用圆柱型平底凸模时（续）图5-32 凸模圆角半径对翻边力的影响5.2 圆孔翻边四、圆孔翻边力计算（续）2、采用球形凸模时4052 . 10mtDFsm确定。系数，按表式中75m表 5-7KmKm0.50.20.250.70.080.120.60.140.180.80.050.075.2 圆孔翻边五、翻边模设计104 结束语结束语