9第九章--金属容器冲压工艺概述(7学时).ppt

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1、包装容器制造概论包装容器制造概论包装容器制造概论6学时讲授1学时练习教学重点1、冲裁的概念及作用2、冲裁模间隙对冲裁的影响3、冲裁力及其降低方法4、应变（应力）中性层5、最小弯曲半径6、拉深概念及过程7、拉深毛坯结构8、拉深系数概述 金属容器是包装容器中规格、尺寸最完善的一类，具有较高的标准化程度。一般的金属容器都有身、顶、底和开启部分构成，在顶或底与身连接时一般都采用卷封形式，常用五层卷边（二重卷边），大型容器采用七层卷边（三重卷边）。 包装工业中的金属容器一般都属于薄壁容器，加工时需要采用冷冲压工艺冷冲压工艺。 冷冲压工艺冷冲压工艺是将各种不同规格的金属板料和坯料在室温下（低于再结晶温度）

2、对其施加压力，使其变形或分离以后获得所需各种形状零件的一种加工工艺。 冷冲压工艺包括分离工艺和成型工艺。第一节 冲裁工艺 冲裁概念 冲裁作用一、冲裁过程二、冲裁模间隙三、凸凹模刃口尺寸计算四、冲裁力及其降低方法五、精密冲裁六、修整第二节 弯曲成型一、弯曲变形过程二、最小弯曲半径三、弯曲回弹现象四、弯曲件的工艺性第三节 拉深原理 概念一、拉深变形过程二、拉深过程的力学分析三、拉深系数与拉深次数四、拉深件的工艺性和拉深工序计算 冲裁冲裁是利用冲模使材料分离的一种冲压工艺，包括落料、冲孔、切口、剖切和修边等工序，但在一般情况下往往指落料落料和冲孔冲孔。 落料：从板材上冲下所需形状的零件或毛坯。 冲孔

3、：在工件上冲出所需形状的孔。 冲裁作用直接制成零件。为后续的弯曲、拉深和成型等工序作准备。一、冲裁过程1、过程2、断面3、提高冲裁质量的措施一、冲裁过程1、过程弹性变形阶段塑性变形阶段断裂分离阶段一、冲裁过程1、过程一、冲裁过程2、断面光亮带（b）圆角带（a）剪裂带（c）毛 刺（d）一、冲裁过程3、提高冲裁质量的措施（1）减小模具间隙。（2）压紧凹模上材料，对凸模下的材料施加反压力。（3）润滑。（4）尽可能采用合理间隙下限值。（5）保质冲模刃口的锋利。二、冲裁模间隙1、冲裁模间隙值的确定2、冲裁模间隙对冲裁的影响二、冲裁模间隙1、冲裁模间隙值的确定（1）理论确定法 依据：保证冲裁时材料上、下两

4、剪切裂纹重合而交于一条连线。c单边间隙t 材料厚度b光亮带宽度b/t产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度剪裂纹与垂直线之间的夹角tgtbttgbtc1二、冲裁模间隙1、冲裁模间隙值的确定（2）经验确定法 根据实践经验，往往采用下述经验公式来计算合理间隙：c = m t c 单边间隙 t 材料厚度 m经验系数 软钢、纯铁 m69 铜、铝合金 m610 硬钢 m812 当t3mm时，由于冲裁力较大，可适当方大经验系数，一般放大到1.5倍。根据材料性能及厚度确定二、冲裁模间隙2、冲裁模间隙对冲裁的影响（1）冲裁模间隙对冲裁质量的影响间隙过小光亮带大，毛刺、圆角小，断面裂纹上下偏移，形成第二光亮带。间隙过

5、大光亮带小，圆角断裂斜度大，毛刺大而厚，不易去除。二、冲裁模间隙2、冲裁模间隙对冲裁的影响（2）冲模间隙对冲裁力、卸料力、推件力的影响间隙过小冲裁力、卸料力、推件力大。间隙过大冲裁力、卸料力、推件力小，尤其是卸料力、推件力影响明显。二、冲裁模间隙2、冲裁模间隙对冲裁的影响（3）充模间隙对模具寿命的影响间隙过小模具磨损大，模具寿命短。（若模具不垂直则更为显著）间隙过大提高模具寿命。二、冲裁模间隙2、冲裁模间隙对冲裁的影响三、凸凹模刃口尺寸计算1、模具刃口尺寸及其制造公差的决定原则2、具体计算3、加工方法三、凸凹模刃口尺寸计算1、模具刃口尺寸及其制造公差的决定原则（1）落料件尺寸决定于凹模尺寸，冲

6、孔时孔的尺寸决定于凸模尺寸。 （2）由于模具在冲裁过程中存在磨损，因此，设计落料模时，凹模公称尺寸应取工件尺寸公差范围内的较小尺寸。 （3）确定冲模刃口制造公差时，同时应考虑工件的公差要求。三、凸凹模刃口尺寸计算2、具体计算DmaxDdDpdmindpddZminpd Dd落料时凹模刃口的名义尺寸 Dp落料时凸模刃口的名义尺寸 dd冲孔时凹模刃口的名义尺寸 dp冲孔时凸模刃口的名义尺寸 Dmax落料件的最大极限尺寸 dmin冲裁孔的最小极限尺寸 冲裁件公差 Zmin最小双边合理间隙 Zmax最大双边合理间隙 x磨损量系数 x磨损量 d，p凹模与凸模的制造公差 三、凸凹模刃口尺寸计算2、具体计算

7、 落料冲孔dxDDdmaxpZDDdpminpxddpmindZddpdmin三、凸凹模刃口尺寸计算3、加工方法（1）凸凹模具分别加工 必须保证：（2）配作法（在实际生产中常用） 落料：先按计算尺寸制出凹模，再根据凹模的实际尺寸，按最小合理间隙配制凸模。 冲孔：先按计算尺寸制造出凸模，再配制凹模。 minmaxZZdp圆形、矩形等形状规则刃口的模具四、冲裁力及其降低方法1、冲裁力的计算2、降低冲裁力的方法四、冲裁力及其降低方法1、冲裁力的计算 目的：合理地选用压力机和设计模具。 平刃冲模的冲裁力可以按下式计算： 有时为计算方便，也可采用下式估算冲裁力： P冲裁力（N）； L冲裁周边长度（mm）

8、；t材料厚度（mm）；材料抗剪强度（Nm2）； k系数，一般取1.3 kLtP bLtP为便于计算，可取=0.8b，b是此种材料的强度极限。 四、冲裁力及其降低方法2、降低冲裁力的方法（1）材料加热红冲。（2）阶梯状多凸模冲裁。（3）斜刃口模具冲裁。五、精密冲裁1、精冲2、半精冲五、精密冲裁1、精冲 当对冲压件的尺寸精度、断面光洁度和垂直度等有较高的要求时，应采用精密冲裁、半精冲或整修等工艺方法。 （1）精冲模的特点凹凸模间隙极小；比普通冲裁多齿圆压板和顶出器；凹凸模刃口带圆角。五、精密冲裁1、精冲1顶出器 2凹模 3材料 4齿圆压板 5凸模五、精密冲裁1、精冲（2）工艺过程板料送入模具内；模

9、具闭合，板料被齿圈压板、凹模、凸模和顶出器压紧材料在压紧状态下被冲裁；冲裁结束，上、下模分开；齿圈压板卸下废料，并且向前送料；顶出器顶出零件，并且取走零件。五、精密冲裁2、半精冲（1）小间隙圆角刃口冲裁。特点：小圆角刃口； 冲裁力大； 冲裁间隙很小； 比精冲法简单，不需专用设备。适用：塑性好的材料。五、精密冲裁2、半精冲（2）负间隙冲裁 特点：负间隙是指凸模直径大于凹模直径，一般约大（0.050.30）t。冲裁过程中变形特点是出现的裂纹方向与普通冲裁相反，形成一个倒锥形毛坯，落料从带小圆角的凹模孔口中挤出，因此，负间隙冲裁力比普通冲裁力大得多，凹模承受压力很大，应采用良好的润滑，以防止材料粘模

10、，延长模具寿命。 适用：适用：塑性好的软材料，如软钢、铜和软铝等。 2、半精冲（3）上、下冲裁法（往复冲裁） 特点：工件上下都能进行冲裁； 增大光亮带在断面上的比例； 毛刺少，断面质量高。适用：厚度较大的材料六、修整1、概念： 整修是将普通冲裁后所得到的毛坯放在整修模中进行一次或数次整修加工，去掉粗糙不平的断面与锥度，得到光滑平整的断面，提高冲裁件的加工精度。2、方法（1）外缘修整：利用凹模切削余料。（2）内孔修整：利用凸模切削余料。一、弯曲变形过程1、弹性弯曲阶段2、塑性弯曲阶段3、弯曲变形过程的特点二、最小弯曲半径1、应变中性层的位置2、最小弯曲半径的确定三、弯曲回弹现象1、回弹值的计算2

11、、影响回弹量的因素3、减小回弹的措施四、弯曲件的工艺性1、弯曲件的弯曲半径2、弯曲件的形状3、弯曲件孔边距离4、弯曲件直边高度5、设计工艺孔、槽一、弯曲变形过程1、弹性弯曲阶段特点：变形量很小，应力仅产生于弯曲圆弧的切线方向。应力中性层：在拉应力与压应力之间，必存在一个切向应力为零的应力层。应变中性层：在拉伸变形与压缩变形之间必存在一个长度不变的应变层。 与凸模接触的靠近内侧的板料，产生收缩变形，应力状态为单向受压。与凹模接触的靠近外侧的应力状态为单向受拉。一、弯曲变形过程2、塑性弯曲阶段 随着外加弯矩的增加，板材的弯曲变形增大，其内、外表层金属先达到屈服极限，板料开始由弹性变形阶段转入塑性变

12、形阶段。 根据弯曲变形程度，塑性弯曲可分为三类：（1）弹塑性弯曲这类弯曲的变形量仍较小。其板料断面的中心部分仍保持很大的弹性弯曲变形区域，有内外表面已进入塑性变形。一、弯曲变形过程（2）线性纯塑性弯曲（3）立体纯塑性弯曲这类弯曲的变形比弹性变形大，板料内塑性区扩展到整个板料断面，此时，应力、应变状态仍可看成线性应力状态，中性层仍处在板材厚度中间。 这类弯曲的材料变形最大，不仅外侧部分的板料存在纵向拉应力和内侧部分存在纵向压应力，而且板料厚度方向产生压应力。 一、弯曲变形过程3、弯曲变形过程的特点变形区主要处在弯曲件的圆角部分，而在远离圆角区的两端则不发生变形。在弯曲变形区内，其外区的切向金属受

13、拉伸长，其内区的切向金属受压缩短。在这两个变形区内，有一层金属层长度不变，即应变中性层。当弯曲半径与板厚之比rt较小时、变形后的材料产生厚度变薄现象。一、弯曲变形过程3、弯曲变形过程的特点 弯曲变形区的板料横截面分为两类：板宽b与板料厚度t之比bt3时，称为宽板；b3t时，称为窄板。宽板弯曲时，横截面保持原有矩形，而窄板弯曲时，原矩形截面变成扇形（图 116）。 随着板料bt的比值不同而具有不同的应力一应变状态。窄板弯曲时的变形区属于三向应变状态，但属于平面应力状态；宽板弯曲时属于平面应变状态，但属于三向应力状态。 二、最小弯曲半径1、应变中性层的位置 应变中性层的位置可以利用变形前后体积不变

14、的条件确定（图117）。brRLbt222L板料弯曲部分原长； 应变中性层半径 ;t板料原厚； b板料原宽；R弯曲件外半径； r弯曲件内半径；弯曲件中心角。LttR222（112） 若R=r+t，其中为材料减薄系数，代入式（112）可得： 这个关系式表明了应变中性层在变形过程中逐步内移的特性。在弯曲过程中，rt是逐步变小的，所以也逐步变小。ttr2二、最小弯曲半径2、最小弯曲半径的确定 在弯曲过程中，材料外层纤维受拉应力，当材料的厚度一定时，弯曲半径r越小，则拉应力越大。当弯曲半径r小到一定极限值时，材料外层纤维应力过大，而使弯曲件的外层出现裂纹及破裂。（1）定义：把不致使材料弯曲时发生破坏与

15、折断时减小弯曲半径的极限值，称为此材料的最小弯曲半径。常用最小相对弯曲半径rmint来表示。 二、最小弯曲半径2、最小弯曲半径的确定（2）计算 max材料拉伸试验所得到的最大剖面收缩率。材料减薄系数1222maxmaxmintr二、最小弯曲半径2、最小弯曲半径的确定（3）影响材料最小弯曲半径的因素 材料的机械性能。弯曲方向。 板料边缘状态。 弯曲中心角。 三、弯曲回弹现象 弯曲变形结束后不受外力作用时，总是伴有弹性变形，使弯曲件的弯曲中心角与弯曲半径变得同模具的尺寸不一致，这种现象称为回弹回弹。回弹后的中心角变小，曲率半径增大。 1、回弹值的计算（图118）r10t，trEmrrs21/Etr

16、ms2三、弯曲回弹现象r5t，这是属于小弯曲半径的自由弯曲，回弹后的弯曲中心角发生变化，而弯曲半径的变化却很小，可以不予考虑。 弯曲中心角为时的回弹角；弯曲件中心角；弯曲中心角为 90时的回弹角。 90三、弯曲回弹现象卸载前圆角部分中心角卸载后圆角部分中心角r卸载前弯曲半径r卸载后弯曲半径为回弹角=-m弯矩系数E材料弹性模量s材料的屈服极限 三、弯曲回弹现象2、影响回弹量的因素（1）材料的机械性能。 （2）弯曲变形程度。 （3）弯曲中心角。 （4）弯曲方式。 （5）工件形状。 （6）模具结构。 三、弯曲回弹现象3、减小回弹的措施（1）工件结构的设计。 （2）工件材料的选择。 （3）模具结构的设

17、计。（4）采用拉弯工艺法。 三、弯曲回弹现象（3）模具结构的设计。在回弹角较小情况下，可在凸模或凹模上作出补偿角或用减小凸、凹模间隙的方法克服回弹。对于厚度超过0.8mm的软材料，可把凸模设计成局部端头凸起的结构以补偿回弹角。对于U形弯曲工件，可以增加工件背压（即顶板压力）以改变回弹角。这种方法可使工件从装有顶板的凹模孔中取出后，由于顶部背压的弧面部分的回弹伸直而使工件两侧产生负回弹，因而补偿了其圆角部分的正回弹。四、弯曲件的工艺性1、弯曲件的弯曲半径 弯曲零件的弯曲半径不得小于材料的许可最小弯曲半径，否则会产生拉裂。 如果零件要求的弯曲半径比最小弯曲半径还小时，则应采用两次弯曲法，首次采用较

18、大的弯曲半径，然后退火，第二次再按零件要求的弯曲半径进行弯曲。 四、弯曲件的工艺性2、弯曲件的形状 为保证弯曲件的弯曲精度，弯曲时应防止工件在模具内滑动，因此，弯曲零件应设计成形状对称或弯曲半径左右一致，以求受力平衡。 如果弯曲工件不对称，板料易在弯曲过程中产生滑动，为了防止板料的偏移，在设计模具时应考虑增加压料板、定位销等板料零件的定位装置。 四、弯曲件的工艺性3、弯曲件孔边距离（1）先冲孔后弯曲 根据零件厚度确定孔边至弯曲半径r的中心的距离（图119a）： 当t2mm时，取Lt；当t2mm时，取L2t。（2）先弯曲后冲孔（图 119b） 当孔边至弯曲半径上中心的距离过小时，可在弯曲线上冲工

19、艺孔 。四、弯曲件的工艺性四、弯曲件的工艺性4、弯曲件直边高度 如要保证弯曲件的直边很平直，则其直边高度不应小于2t，最好3t以上。 如果直边高度小于2t，则采取的保证质量措施有二：是在弯曲线处预先压槽，二是先加长高度后再弯曲，然后切掉加高处。 如果所弯直边是带斜角的变形区（图 1110a），则必须改变零件的形状，加高直边尺寸，使其高度达到2t以上（图1110b）。 四、弯曲件的工艺性四、弯曲件的工艺性5、设计工艺孔、槽 在零件的一个局部弯曲某一段边缘时，为防止角部弯裂，可预先在边缘处切槽，槽深应大于弯曲半径； 在弯曲前预先冲出工艺孔；也可以将弯曲线移动一段距离以便离开尺寸突变处。 还有一种边

20、缘部分有缺口的弯曲件，若在毛坯上先冲出缺口，弯曲时很易出现叉口。这时不能先冲缺口，而应留有连接带，待弯曲成型以后，再将连接带部分冲掉。 将平板毛坯通过拉深模具制成开口筒形或其它断面形状的零件，这种工序称为拉深 。一、拉深变形过程1、拉深过程2、拉深毛坯结构二、拉深过程的力学分析1、凸缘变形区的应力分布2、起皱现象分析3、拉裂问题分析4、克服拉裂和起皱的主要措施三、拉深系数与拉深次数1、拉深系数2、影响拉深系数的因素3、拉深次数4、首次拉深后各次拉深方法四、拉深件的工艺性和拉深工序计算1、拉深件工艺要求2、拉深工序计算一、拉深变形过程1、拉深过程 在凸模的作用下，金属板料内各个小单元体内产生内应

21、力，即在径向产生拉伸应力，而在切向产生压缩应力。在这两种应力的共同作用下，拉深件外部凸缘区的材料发生塑性变形而不断地拉入凹模内，成为圆筒形零件 一、拉深变形过程2、拉深毛坯结构 根据应力应变状态的不同，可将拉深毛坯划分为五个区域。（1）凹模口凸缘部分 （2）凹模圆角部分 （3）筒壁部分 （4）凸模圆角部分 （5）筒底部分 危险部分一、拉深变形过程（1）凹模口凸缘部分有压边圈无压边圈径向拉应力1切向压应力3厚度方向压应力2径向拉应力1切向压应力32大小毛坯径向拉深起皱现象一、拉深变形过程（2）凹模圆角部分这是一个过渡区，受到以下应力作用： 径向拉应力1 切向压应力3 凹模圆角处的压力 凹模圆角处

22、的摩擦力 弯曲作用产生的压应力一、拉深变形过程（3）筒壁部分 起到传递拉深力的作用，只受单向拉应力，筒壁产生少量伸长和减薄。 一、拉深变形过程（4）凸模圆角部分这也是一个过渡区，受到以下应力作用： 径向拉应力1 切向拉应力3 凸模圆角处的压应力 弯曲作用产生的压应力一、拉深变形过程（5）筒底部分 此处材料在拉深过程中保持平坦，不产生大的变形，只是由于凸模拉伸力的作用，材料承受双向拉应力而略为变薄。一、拉深变形过程危险区筒壁与底部转角的稍上处处于下部而减小了传递拉深力的横截面积，因而产生的拉应力较大。 此处所需转移的材料较少，变形程度很小，因而冷作硬化的程度低，材料的屈服极限也较低。此处不像凸模

23、圆角处那样存在较大的摩擦阻力。 容易严重变薄或拉裂严重变薄或拉裂二、拉深过程的力学分析1、凸缘变形区的应力分布RRtmln1 . 11RRtmln11 . 131凸缘处径向拉应力3凸缘处切向压应力R凸缘内任一处半径Rt拉深后凸缘外测边缘半径m凸缘外缘处真实应力和凸缘内缘处真实应力的平均值。二、拉深过程的力学分析当Rr0时，即在凹模入口处的凸缘上1达到最大值。当RRt时，即在凸缘上外边缘，压应力3达到最大值。0max1ln1 . 1rRtmm1 . 1max3二、拉深过程的力学分析2、起皱现象分析 随拉深的进行凸缘变形区不断缩小（材料不断被拉入到凹模内），凸缘相对厚度不断增加。增加起皱失稳的倾向

24、提高抗起皱的能力二、拉深过程的力学分析3、拉裂问题分析 拉深过程中的变形拉应力P超过筒壁（主要是在变薄最严重的凸模圆角所在稍上处）的材料抗拉强度极限时，拉深件就会发生破裂现象。 wmpemax1摩擦阻力 弯曲阻力 二、拉深过程的力学分析4、克服拉裂和起皱的主要措施（1）防止拉裂的主要措施凸、凹模的圆角半径均不应小于（46）t；压边力大小要合适、均匀；合理地确定拉深系数m ；改变拉深过程中材料的内应力状态。材料与凸、凹模及压边圈之间要加润滑剂、以减小摩擦系数。 二、拉深过程的力学分析（2）防止起皱的主要措施采用压边圈； 增大径向拉应力。a、设置拉深筋 b、采用反拉深 c、采用软模拉深 三、拉深系

25、数与拉深次数1、拉深系数（ m ） 即每次拉深变形后圆筒工件的直径与拉深前毛坯（或半成品）的直径之比。可知0m1。 反映拉深变形程度 拉深系数m的减小有一个实际界限，m取得太小，就容易造成拉深件凸缘处起皱，或者工件筒壁下部断裂或严重变薄报废，此界限称极限拉深系数mcm小，变形大m大，变形小三、拉深系数与拉深次数2、影响拉深系数的因素（1）材料的机械性能。 （2）毛坯的相对厚度。 （3）拉深方式。 （4）拉深程序。 （5）模具结构。 （6）润滑条件。 三、拉深系数与拉深次数3、拉深次数 当零件总拉深系数和m0d/D大于材料极限拉深系数mc时，只需一次拉深就能成型。 反之，需要多次拉深。拉深工件直

26、径毛坯直径Ddmmmnn110三、拉深系数与拉深次数4、首次拉深后各次拉深方法（1）正拉深（2）反拉深将已经拉深成半成品的零件倒放在凹模上再进行拉深。四、拉深件的工艺性和拉深工序计算1、拉深件工艺要求（1）形状力求简单和对称。 （2）各部分尺寸比例恰当。 （3）拉深件的圆角半径要合适。 （4）孔位的布置要合理。 （5）尺寸精度不宜过高。 四、拉深件的工艺性和拉深工序计算2、拉深工序计算（1）选定修边余量h；（2）预算坯料直径D； （3）算出坯料相对厚度和相对拉深高度；（4）确定拉深次数；（5）计算出各次拉深后的工件直径 ；dnmdn-1 （6）验算。 21221828. 62rrdhddDDtt dHH 根据所得的各道工序拉深后的直径，核查各次拉深系数值。 思考题1、什么是冷冲压工艺？2、简述冲裁模间隙对冲裁的影响。3、为什么要降低冲裁力？降低冲裁力的方法？4、弯曲过程中金属板料的受力状况如何？什么是应变力性层？在弯曲过程中应变中性层会发生位移么？5、什么是最小弯曲半径？影响材料最小弯曲半径的因素有哪些？6、金属拉深毛坯结构主要由哪几部分构成？拉深过程中的危险区在哪？为什么？7、什么是材料的极限拉深系数？在何种情况下需要多次拉深？