同濟大學(xué)機械脹形與翻邊PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 同濟大學(xué)機械脹形與翻邊同濟大學(xué)機械脹形與翻邊 5.1 脹形脹形 利用模具強迫板料厚度減薄和表面積增大，以 獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法叫做脹形。 沖壓生產(chǎn)中的起伏成形、圓柱形空心毛坯的凸脹成形 、波紋管的成形及飛機蒙皮張拉成形等均屬于脹形成形。 汽車覆蓋件等形狀比較復(fù)雜的零件成形也常常包含脹形成 分。 脹形的方法有： 1 、鋼模脹形法 2 、軟模脹形法 3 、液壓脹形法 第1頁/共103頁 第2頁/共103頁 軟模脹形法 第3頁/共103頁 液壓脹形法 第4頁/共103頁 第5頁/共103頁 起伏成形 第6頁/共103頁 自行車多通接頭 自行車多通接頭 軟模脹形 1、4-凸模壓柱；

2、 2-分塊凹模；3-模套 第7頁/共103頁 第8頁/共103頁 進入90 年代，由于燃料和原材料成本的原因及環(huán)保法規(guī)對 廢氣排放的嚴格限制，使汽車結(jié)構(gòu)的輕量化顯得日益重要。除 了采用輕體材料如鋁合金和鎂合金等，減輕重量的另一個重要 的途徑就是在結(jié)構(gòu)上采用以空代實和變截面等結(jié)構(gòu)件，即對于 承受以彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷為主的構(gòu)件，采用空心結(jié)構(gòu)既可以減輕 重量、節(jié)約材料，又可以充分利用材料的強度和剛度。管件的 液壓柔性成形正是在這樣的背景下開發(fā)出來的一種制造空心輕 體構(gòu)件的先進制造技術(shù)。此項技術(shù)在德國、美國等發(fā)達國家已 得到廣泛的研究和應(yīng)用。尤其是在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，主要用來 生產(chǎn)排氣系統(tǒng)零件、底盤、框架結(jié)

3、構(gòu)和凸輪軸等。其成形內(nèi)壓 力一般為200 到400Mpa，對于較特殊的零件，其成形內(nèi)壓力有 時可以達到1000Mpa，這根據(jù)所加工材料的屈服強度、塑性、 管厚和要求的脹形量以及零件的最終形狀要求（如圓角半徑、 脹形量、允許減薄量等）而定。 第9頁/共103頁 1、管件液壓柔性成形技術(shù)原理及其分類 液壓柔性成形原理是通過內(nèi)部加壓和軸向加力補料把管坯 壓入到模具型腔使其成形，如圖1 所示。其基本工藝過程為 ：首先將管坯1放在下模2內(nèi)，然后閉合上模3，將管的兩端 用水平?jīng)_頭4和5密封，并使管坯內(nèi)充滿液體。在加壓脹形的 過程中，兩端的沖頭同時向內(nèi)推進補料，這樣在內(nèi)壓和軸力 的聯(lián)合作用下使管坯貼靠模具而

4、成形為所需的工件。 第10頁/共103頁 在汽車零件的加工中，根據(jù)有無軸向進給，可以把管件液壓柔 性成形分為兩類，一類為有軸向進給，如圖1 所示，主要用來 成形壁厚均勻或較大成形量的零件；另一類為無軸向進給，主 要用在零件的整形和多個零件的脹接如中空凸輪軸的生產(chǎn)等， 對于軸線為曲線的零件，還需要把管坯預(yù)彎成接近零件形狀， 然后加壓成形, 如圖2 所示。 圖1 有軸向進給的管件內(nèi)高壓成形 圖2 無軸向進給的管件液壓柔性成形 第11頁/共103頁 2、管件液壓柔性成形優(yōu)點及應(yīng)用范圍 用管材液壓柔性成形可以一次成形出沿著構(gòu)件的軸線 截面不同的復(fù)雜零件，這是管材液壓柔性成形的主要優(yōu)點 。另外，與傳統(tǒng)的

5、沖壓焊接工藝相比，管件液壓柔性成形 的主要優(yōu)點還有以下幾個方面。 （1） 減輕重量節(jié)約材料。對于圖3 空心軸類可以減輕 4050%，節(jié)約材料可達75%。汽車上部分采用沖壓工藝與 管材液壓柔性成形的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)重量對比如表1。 圖3 階梯軸 第12頁/共103頁 表1 汽車上部分沖壓件與管材液壓柔性成形件的重量對比 （2） 減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用。液壓柔性成 形件通常僅需要一套模具，而沖壓件大多需要多套模具。 副車架的組成零件由6個減少到1個；散熱器支架的組成零 件由17個減少到10個。 （3） 可減少后續(xù)機械加工和組裝焊接量。以散熱器支架為 例，散熱面積增加43%，焊點由174 個減少到

6、20 個，裝配工 序由13 道減少到6 道，生產(chǎn)率提高66%； （4） 提高強度與剛度，尤其疲勞強度。仍以散熱器支架強度 為例，垂直方向提高39%；水平方向提高50%。 第13頁/共103頁 （5） 降低生產(chǎn)成本。根據(jù)德國某公司對已應(yīng)用零件統(tǒng)計分析 ，管材液壓柔性件比沖壓件平均降低1520%，模具費用降低 2030%。 （6） 成形零件的精度提高。成形零件的尺寸精度從原來的 IT14 提高到IT10。管材液壓柔性成形適用于制造航空、航天和 汽車領(lǐng)域的各種異形的空心構(gòu)件，在汽車領(lǐng)域，德國處于世界 研究的最前沿。德國于70 年代末開始管材液壓柔性成形基礎(chǔ)研 究，并于90 年代初率先開始在工業(yè)生產(chǎn)中

7、采用管材液壓柔性成 形技術(shù)制造汽車輕體構(gòu)件。德國奔馳汽車公司（ DAIMLERBENZ）于1993 年建立其管材液壓柔性成形車間；寶 馬公司(BMW)已在其幾個車型上應(yīng)用了管材液壓柔性成形的零 件。目前在汽車上應(yīng)用有：排氣系統(tǒng)；底盤構(gòu)件；車身框架、 座椅框架及散熱器支架；凸輪軸等。 第14頁/共103頁 3、管材液壓柔性成形技術(shù)在汽車排氣系統(tǒng)上的應(yīng)用 管材液壓柔性成形技術(shù)過去主要用來研究生產(chǎn)一些簡單的 零件如直壁枝杈管等，距今已有30 年的歷史?，F(xiàn)今汽車的 零件生產(chǎn)主要是一些枝杈管，但與過去生產(chǎn)的直壁枝杈管有 所不同，形狀和成形工藝要更為復(fù)雜一些。圖4 為典型的排 氣系統(tǒng)三通管。在管材液壓柔性

8、成形過程中可以較精確地控 制零件的尺寸精度，故可以很方便地在后續(xù)工序中與其它零 件進行裝配。如今，這些工件已在奔馳公司批量生產(chǎn)，用來 取代傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)或用兩個半殼焊在一起的生產(chǎn)方式。與 傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝相比，利用管材液壓柔性成形的方式節(jié)約了 70%的生產(chǎn)時間，與鑄造生產(chǎn)方式相比，大約節(jié)約了40%的 重量。 第15頁/共103頁 圖4 用于汽車排氣系統(tǒng)的Y 形三通管件(SPS) 第16頁/共103頁 圖5是汽車上采用的一種接觸反應(yīng)轉(zhuǎn)換器，由一對圓錐體形 成。利用管材液壓柔性技術(shù)成形后，再從中間剖開，從而形 成兩個零件。利用管材液壓柔性成形技術(shù)可以獲得100%的膨 脹量。 圖5 一次成形的雙錐體零

9、件（SPS） 第17頁/共103頁 在汽車排氣系統(tǒng)中，還有一類零件，就是符合氣體動力學(xué) 原理和具有消音功能的復(fù)雜的空間構(gòu)件。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝一 般是先沖壓后焊接再一起，這就影響了零件的總體裝配精度 ，零件的功能也將受到影響。而利用管材液壓柔性成形就消 除了這種缺陷的產(chǎn)生，一次生產(chǎn)出合格的零件，如圖6所示 ，為管材液壓柔性成形生產(chǎn)的一種典型的零件。 圖6 具有復(fù)雜空間尺寸的汽車排氣管件(SPS) 第18頁/共103頁 4、管材液壓柔性成形技術(shù)在汽車底盤上的應(yīng)用 用管材液壓柔性成形技術(shù)來生產(chǎn)汽車底盤部件有很多的 優(yōu)點，如安裝空間的充分利用、零件具有復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu) 、底盤零件的高強度等。利用管材液壓柔

10、性成形技術(shù)可以 獲得剛度很高的轎車結(jié)構(gòu)和高剛性的底盤，這使得操縱汽 車變得更安靜、更靈活。生產(chǎn)此類零件，一般有以下幾個 工藝步驟：管坯的制造，管坯的預(yù)彎以及通過液壓柔性成 形，得到零件的最終形狀，在必要的情況下，還需進行激 光切割或端部加工等工序。圖7為利用管材液壓柔性成形 的各種汽車底盤零件的集成。 第19頁/共103頁 圖7 汽車底盤零件(BMW) 第20頁/共103頁 一般來說，在底盤零件上采用的管坯尺寸為直徑7585mm ，壁厚為23mm，最終成形零件的長度在1200 到1400mm 之間，截面的最大膨脹程度在25%到35%之間。生產(chǎn)此類零 件時，要優(yōu)化所用管坯的原始參數(shù)，如外徑、壁厚

11、和材料及 其性能參數(shù)等，還要確定合適的工藝參數(shù)，如果在管材液壓 柔性成形時管端部需要較大的膨脹量，則還需要考慮管端部 的進給。如圖8 所示為管端部需要較大膨脹量的汽車底盤零 件：副車架，此件所采用管坯外徑是69.9mm，壁厚為2.5mm ，傳統(tǒng)沖壓焊接工藝成形需6 個零件，而內(nèi)高壓成形僅需要 一個零件，重量節(jié)省了34%。 第21頁/共103頁 圖8 汽車副車架(Schuler) 第22頁/共103頁 圖9 是現(xiàn)今世界汽車行業(yè)中應(yīng)用的最大管材液壓柔性成形件 ：汽車縱梁，此件是在通用汽車公司開發(fā)的專用管材液壓柔性 成形機上制造的。該件的原始管坯外徑為152.4mm，壁厚為 2.0mm，長度為487

12、6.8mm，而過去采用的方法是采用14個沖壓 件焊接或鉚接在一起而成的?，F(xiàn)采用管材液壓柔性成形件降低 了造價和減輕了重量，并且空間結(jié)構(gòu)尺寸愈加緊湊。 圖9 管材液壓柔性成形的汽車縱梁(GM) 第23頁/共103頁 5、管材液壓柔性成形技術(shù)在汽車車身框架的應(yīng)用 在汽車工業(yè)，結(jié)構(gòu)零件占車身總重的很大一部分，為 減輕車身的重量，可以采用兩種途徑：一種是采用新型的 輕質(zhì)材料，另一種就是減少零件的重量。而利用管材液壓 柔性成形技術(shù)成形開創(chuàng)了一個減重的新領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)零件的 生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)部件生產(chǎn)工藝相比，管材液壓柔性成 形具有以下優(yōu)點：高度整體化（即零件數(shù)量的減少），復(fù) 雜空間結(jié)構(gòu)，零件剛度好，空間利用

13、率高，尺寸精度高。 圖10 為汽車車身框架的集成圖，其中主要有車頂縱梁，其 原始管坯為低碳鋼，管坯的外徑為69.9mm，厚度為2.0mm ，全部工藝過程包括彎曲、液壓柔性成形、沖裁和切邊等 ，并且為了提高生產(chǎn)率，左右零件同時用管材液壓柔性成 形的方法生產(chǎn)，然后在下道工序中切開。 第24頁/共103頁 圖10 管材液壓柔性成形的汽車車身框架 第25頁/共103頁 6、凸輪軸 利用管材液壓柔性成形脹接工藝可以用來實現(xiàn)零件之間 的聯(lián)接，如圖11 為利用此種工藝生產(chǎn)的汽車發(fā)動機的凸輪 軸。首先利用粉末冶金的方法生產(chǎn)出單個的凸輪，然后把 多個這樣的凸輪預(yù)安裝在一根管坯上，在管坯內(nèi)部通以一 定的高壓液體，

14、管坯局部經(jīng)過了塑性變形，在凸輪的兩側(cè) 超出了凸輪的寬度，約束了凸輪的軸向位移，并且，由于 管坯內(nèi)壓的作用，凸輪也產(chǎn)生了一定的彈性變形，當(dāng)內(nèi)壓 撤消后，凸輪回彈，會在凸輪與管坯之間產(chǎn)生一種緊密的 結(jié)合力，這種結(jié)合力防止了凸輪相對于管坯的轉(zhuǎn)動。與傳 統(tǒng)凸輪軸生產(chǎn)工藝相比，由于此種工藝的凸輪與心軸為脹 接，可以采用不同的材料，在相同扭距的情況下，零件總 體重量也降低，特別是對于一些中心需要鉆孔的零件更有 優(yōu)勢。 第26頁/共103頁 圖11 利用液壓柔性成形脹接工藝生產(chǎn)的凸輪軸 第27頁/共103頁 8、結(jié)論及應(yīng)用研究展望 減輕結(jié)構(gòu)重量以節(jié)約材料和運行中的能量是現(xiàn)代先進制造 技術(shù)發(fā)展的趨勢之一。液壓

15、柔性成形是適應(yīng)這種趨勢提出來的 一種制造空心輕體的新工藝。液壓柔性成形件具有諸多的優(yōu)點 ，可以減少模具，降低生產(chǎn)成本，縮短加工周期。可以用于制 造汽車、航空、航天等行業(yè)中使用的各類輕體構(gòu)件。根據(jù)美國 鋼鐵研究院汽車應(yīng)用委員會的調(diào)查結(jié)果，在北美制造的典型轎 車中，采用空心輕體件在轎車總重量的比例已從15 年前的10% 上升到16%，而在中型面包車、大吉普和皮卡車的比例還要高 。因此美國有關(guān)大學(xué)，研究機構(gòu)和公司十分重視液壓柔性成形 技術(shù)，已于幾年前開始著手研究開發(fā)，近年來加大研究開發(fā)的 力度。如美國三大汽車公司和十大鋼鐵公司成立“汽車與鋼鐵 液力成形工業(yè)資源組織（ Auto/SteelPartne

16、rshipHydroformingIndustryResourceGroup ）”。 據(jù)一項調(diào)查表明，估計到2010 年北美生產(chǎn)的典型車型中將有 50%零件采用液壓柔性成形技術(shù)制造 第28頁/共103頁 5.1 脹形 一、脹形成形特點 脹形的特點是： 1 、脹形時，板料的塑性變形區(qū)僅局限于一個固定的變形 范圍內(nèi)，板料不向變形區(qū)外轉(zhuǎn)移，也不從變形區(qū)外進入變形 區(qū)。 2 、脹形時板料在板面方向處于雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)，所 以脹形時工件一般都是要變薄。因此在考慮脹形工藝時，主 要應(yīng)防止材料受拉而脹裂。 3 、脹形的極限變形程度，主要取決于材料的塑性。材料 塑性越好，延伸率越大，則脹形的極限變形程度越大

17、。 4 、脹形時，材料處于雙向拉應(yīng)力狀態(tài)，在一般情況下， 變形區(qū)的工件不會產(chǎn)生失穩(wěn)起皺現(xiàn)象。脹形成形的工件表面 光滑、回彈小，質(zhì)量好。 第29頁/共103頁 5.1 脹形 一、脹形成形特點（續(xù)） 圖5-1 純脹形成形 圖5-2 脹形時的應(yīng)力和應(yīng)變 第30頁/共103頁 5.1 脹形 一、脹形成形特點（續(xù)） 圖5-3 脹形時的應(yīng)變分布與應(yīng)變狀態(tài)圖 a）應(yīng)變分布圖 b）應(yīng)變狀態(tài)圖 a）b） 第31頁/共103頁 5.1 脹形 一、脹形成形特點（續(xù)） 應(yīng)變分布圖是沖壓成形時零件上各點或局部各點的應(yīng)變分 布情況圖，應(yīng)變狀態(tài)圖是零件上各點或局部各點的應(yīng)變在二維 主應(yīng)變平面上的分布狀況圖。成形方式、工藝條

18、件和材料性能 的改變，都會引起應(yīng)變分布圖和應(yīng)變狀態(tài)圖發(fā)生變化。利用應(yīng) 變分布圖和應(yīng)變狀態(tài)圖可以分析沖壓變形區(qū)的應(yīng)變情況，尋求 改善板料塑性流動的措施，以解決沖壓成形時的各種失穩(wěn)問題 。將脹形時的應(yīng)變狀態(tài)圖與板料的成形極限圖（FLD）對比， 若零件上某點的應(yīng)變量超出成形極限圖的應(yīng)變范圍，該點就是 發(fā)生破裂的危險點，必須采取措施（如改變毛坯或模具的幾何 條件、調(diào)整壓邊力、修磨圓角、改變潤滑或更換原材料等）降 低該點應(yīng)變量，以保證不發(fā)生破裂。 第32頁/共103頁 圖5-4 脹形成形極限圖5-5 脹形破裂 5.1 脹形 一、脹形成形特點（續(xù)） 第33頁/共103頁 5.1 脹形 二、脹形成形極限 脹

19、形成形極限以零件是否發(fā)生破裂來判別，由于脹形 方法不同，成形極限的表示方法也不同。純脹形時，常用 脹形高度來表示成形極限；采用其它脹形方法時，成形極 限可分別用許用斷面變形程度p（壓筋）、許用凸包高度hp （壓凸包）、極限脹形系數(shù)kp（圓柱形空心毛坯脹形）和 極限拉形系數(shù)klmax（張拉成形）等表示成形極限。雖然脹形 成形極限表示方法不同，但由于脹形區(qū)應(yīng)變性質(zhì)相同，且 破裂只與變形區(qū)應(yīng)變情況有關(guān)，所以影響因素基本相似。 第34頁/共103頁 5.1 脹形 二、脹形成形極限（續(xù)） 一般來講，脹形破裂總是發(fā)生在材料厚度減薄最大的 部位，所以變形區(qū)的應(yīng)變分布是影響脹形極限的重要因素 。若零件形狀和尺

20、寸不同，脹形時的應(yīng)變分布也不相同。 圖5-6為用球頭凸模和平底凸模脹形時的厚度分布情況。由 圖可知，球頭凸模脹形時，應(yīng)變分布比較均勻，各點的應(yīng) 變量都比較大，能獲得較大的脹形高度，故成形極限大。 圖5-7為零件斷面形狀對脹形高度的影響。 第35頁/共103頁 5.1 脹形 二、脹形成形極限（續(xù)） 圖5-6脹形時的厚度應(yīng)變分布情況圖5-7零件斷面形狀對脹形高度的影響 第36頁/共103頁 5.1 脹形 二、脹形成形極限（續(xù)） 影響脹形極限的材料因素：延伸率、應(yīng)變硬化指數(shù)n。 一般來講，延伸率大，破裂前允許的變形程度大，成形極限 也大；n值大，應(yīng)變硬化能力強，可促使應(yīng)變分布趨于均勻 化，同時還能提

21、高材料的局部應(yīng)變能力，故成形極限也大。 潤滑條件和變形速度（主要針對剛性凸模脹形）以及材 料厚度對脹形極限也有影響。例如，用球頭凸模脹形時，若 在毛坯和凸模之間施加良好的潤滑（如加襯一定厚度的聚乙 烯薄膜），其應(yīng)變分布要比干摩擦?xí)r均勻，能使脹形高度增 大。變形速度的影響，主要通過改變摩擦系數(shù)來實現(xiàn)的。對 球頭凸模來講，速度大，摩擦系數(shù)減小，由于應(yīng)變分布均勻 化，脹形高度有所增大。 第37頁/共103頁 5.1 脹形 二、脹形成形極限（續(xù)） 必須指出，用平底凸模脹形時，應(yīng)盡量增大凸模底部板 料的變形，避免板料圓角處變形過于集中，否則，脹形高度 就比較小。 一般來講，材料厚度增大，脹形成形極限有所

22、增大，但 料厚與零件尺寸比值較小時，其影響不太顯著。 第38頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法 1、起伏成形 板料在模具作用下，通過局部脹形而產(chǎn)生凸起或凹下 的沖壓加工方法叫做起伏成形。起伏成形主要用來增強零 件的剛度和強度。常見的起伏成形有壓加強筋、壓凸包、 壓字和壓花等。起伏成形大多采用金屬沖模，對厚度較小 的板料、薄料和膜片等可采用橡皮模或液壓脹形裝置成形 。 第39頁/共103頁 起伏成形 第40頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋 第41頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋

23、（續(xù)） 加強筋能否一次沖壓成形，與筋的幾何形狀和材料性 質(zhì)有關(guān)，若不能一次成形，則應(yīng)采用多道工序（圖5-9）。 圖5-9 兩道工序成形的加強筋 a）預(yù)成形 b）最終成形 A） 第42頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋（續(xù)） 能夠一次成形加強筋的條件為： 1575. 070. 0 0 0 l ll p 材料延伸率。 線輪廓長度；成形后加強筋斷面的曲 ；變形區(qū)斷面的原始長度 斷面變形程度；式中 l l p 0 第43頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋（續(xù)） 圖5-10是斷面變形程度 與壓筋成形相

24、對高度的關(guān) 系。由圖示和式（51）可知 ，壓筋高度與斷面變形程度 關(guān)系，受材料延伸率影響。 材料延伸率越大，一次壓筋 許用的斷面變形程度越大， 壓筋高度也就越大。 圖5-10 加強筋成形時斷面 變形程度與相對高度的關(guān)系 1-計算值 2-實測值 第44頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋（續(xù)） 沖壓加強筋的變形力按下式計算： )25( b tLKF 。為材料強度極限， ；為料厚， ；為加強筋周長， 取較小值；取較大值，寬而淺時， ，加強筋形狀窄而深時系數(shù)，等于 ；為變形力，式中 MPa mmtt mmLL K NFF bb 17 . 0 第45頁

25、/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 1）壓加強筋（續(xù)） 若在曲柄壓力機上用薄料（t1.5mm）對小零件（面積 2000mm2）壓筋或壓筋兼作校正工序時，變形力按按下式 計算： 35 2 tAkF 。為料厚， ；為成形面積， ；銅件和鋁件約取 ，系數(shù)，鋼件約取 ；為變形力，式中 mmtt mmAA K NFF 200150 300200 2 第46頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 2）壓凸包 圖5-11 壓凸包 于拉深成形；，毛坯凸緣會收縮，屬若4 p d D 成形。，屬于脹形性質(zhì)的起伏若4 p d D 第47頁/共10

26、3頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 2）壓凸包（續(xù)） 沖壓包凸時，凸包高度受材料塑性限制，不能太大。 凸包成形高度還與凸模形狀及潤滑有關(guān)。例如，采用球形 凸模時，凸包高度可達球徑的1/3，而換用平底凸模時，高 度就會較小，原因是平底凸模的底部圓角半徑rp對凸模下 面的材料變形有約束作用。一般情況下，潤滑條件較好時 ，有利于增大球形凸包的成形高度。 第48頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 1、起伏成形（續(xù)） 2）壓凸包（續(xù)） 如果零件要求的凸包高度超出表5-2所列數(shù)值，則可 采用類似于多道工序壓筋的方法沖壓凸包。 第49頁/共103頁 5.1 脹形

27、 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形 將圓柱形空心毛坯（管狀 或桶狀）向外擴張成曲面空心 零件的加工方法叫做圓柱形空 心毛坯脹形，用這種方法可以 制造許多形狀復(fù)雜的零件（圖 5-12）。 圖5-12 圓柱形空心毛坯脹形 a）波紋管 b）凸肚件 第50頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 對平板毛坯脹形時，采用剛 性沖模較為實用，效率也較高。 對圓柱形空心毛坯脹形時，雖然 也可采用剛性沖模，但沖模需要 分瓣，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（圖5-13） ，所以生產(chǎn)中常用軟模對這類毛 坯進行脹形。脹形使用的軟模介 質(zhì)有橡膠、PVC塑料、石臘、高 壓液體和壓縮

28、空氣等。 圖5-13 剛體分瓣凸模脹形 第51頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 圖5-14 橡膠凸模脹形 1-凸模 2-凹模 3-毛坯 4-橡膠 5-外套 圖5-15 PVC塑料凸模脹形 波紋管 1-外模塊 2-毛坯 3-螺母 4-內(nèi)模塊 5-PVC塑料 6-拉 桿 第52頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 圖5-16 石蠟脹形 1-調(diào)節(jié)螺栓 2-毛坯 3-石 蠟 4-凹模 5-節(jié)流孔 6-凸 模 圖5-17 液體凸模脹形 A）傾注液體法 b）充液橡 皮蘘法 第53頁/共103頁 5.1 脹形 三

29、、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 圓柱形空心毛坯的變形程度用脹形系數(shù)K表示： 45 0 max d d K 。脹形后零件的最大直徑 毛坯原始直徑；式中 max 0 d d 圖5-18 圓柱形空心毛 坯脹形 極限脹形系數(shù)Kp： 55 0 max d d K p 最大脹形直徑。 零件脹破前允許的式中 max d 第54頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 極限脹形系數(shù)Kp與毛坯切向的許用延伸率p有關(guān)，即： 651 0 0max pp K d dd 第55頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)）

30、 圓柱形空心毛坯脹形時，若兩端不固定，毛坯的原始 長度L0（圖5-8）可按下式近似計算： 圖5-18 圓柱形空心 毛坯脹形 754 . 03 . 01 0 hLL 。修邊余量，約取 ； ，零件切向的最大延伸率 零件的母線長度；式中 mmh d dd L 2010 0 0max 第56頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 2、圓柱形空心毛坯脹形（續(xù)） 軟模脹形圓柱形空心毛坯時，所需的單位壓力p分下面 兩種情況。 兩端不固定，允許毛坯軸向自由收縮時， 85 2 max b d t p 兩端固定，毛坯軸向不能收縮時， 85 2 2 max R t d t p b 為材料的抗拉強度。

31、b 第57頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 3、張拉成形 生產(chǎn)中常有一些底部曲率半徑很大的零件，如汽車上 的某些覆蓋件和飛機蒙皮等。沖壓這些零件時，底部曲面 的變形性質(zhì)屬于脹形，或脹形是主要變形方式，但曲面部 分變形量很小，通常把這些曲面變形叫做大曲率半徑脹形 。 大曲率半徑脹形，曲面變形量很小，破裂不是生產(chǎn)中 的主要問題，重要的是零件脫模后的曲面回彈常使曲面變 平，造成零件出現(xiàn)較大的形狀誤差，為了保證零件質(zhì)量， 必須想辦法解決這類回彈問題。 第58頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 3、張拉成形（續(xù)） 含有大曲率半徑脹形的汽車覆蓋件生產(chǎn)批量大，通常 都在

32、壓力機上用沖模沖壓成形。為了解決這類零件的曲面 回彈，除采用增大進料阻力的工藝措施（如調(diào)整壓邊力， 使用拉深筋和增大毛坯尺寸等）提高曲面變形程度外，也 可采用屈強比s/b較小的板料成形零件。 第59頁/共103頁 對于飛機蒙皮等一些單曲面或結(jié)構(gòu)簡單的復(fù)合曲面零件 ，由于品種多，生產(chǎn)批量小，使用沖模加工不經(jīng)濟，為了解 決這類零件的回彈問題，常采用張拉成形，或簡稱拉形。 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 3、張拉成形（續(xù)） 張拉成形的優(yōu)點： 零件回彈小 模具結(jié)構(gòu)簡單 可以防止因曲面變形量不大而 在零件表面產(chǎn)生滑移線痕跡 同時還能提高零件剛度 缺點： 生產(chǎn)率低 原材料消耗大 需要專用設(shè)備 第60

33、頁/共103頁 5.1 脹形 三、脹形工藝方法（續(xù)） 3、張拉成形（續(xù)） 張拉成形原理與 拉彎成形相似，即在 毛坯貼靠凸模曲面成 形時，對毛坯附加張 拉力F，張拉力一方面 增大材料變形程度， 另一方面減小貼模時 毛坯斷面上的應(yīng)力分 布梯度，從而達到減 少零件回彈量的目的 。 圖5-19 張拉成形 a）開始階段 b）中間階段 c）終了階段 第61頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 張拉成形時，毛坯分為 成形區(qū)和懸空部分的傳力 區(qū)（圖5-19）。成形區(qū)貼 靠凸模曲面時，材料常處于 雙向受拉的應(yīng)力狀態(tài)（厚向 應(yīng)力很小，忽略不計）和一 拉一壓的應(yīng)變狀態(tài)，導(dǎo)致厚 度減?。▓D520），因此

34、張拉成形屬于脹形成形方式 。 三、脹形工藝方法（續(xù)） 第62頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 張拉成形時，傳力區(qū)不與模具接觸，沒有模具表面的摩 擦作用，所以傳力區(qū)的拉應(yīng)力1大于成形區(qū)的拉應(yīng)力1。另 外，傳力區(qū)在夾頭附近還有應(yīng)力集中問題，因此成形時容易 在此區(qū)域發(fā)生拉破現(xiàn)象。 第63頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 張拉成形時，常常設(shè)想毛坯和零件可以劃分成許多寬度 為db（圖5-19和圖5-20）的狹窄條帶，并以拉形系數(shù)Kl表示 變形程度。 105 0 max l l Kl 條帶的原始長度。 ；）（圖零件脊背處條帶的

35、長度式中 0 max 215 l l 第64頁/共103頁 圖5-21雙曲零件示例 a）凸雙曲零件 b）凹雙曲零件 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 第65頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） ，所以：因為lll 0max 11511 00 0 ll l l l ll K 伸長率。零件脊背最高處條帶的 伸長量；零件脊背最高處條帶的式中 l l 第66頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 通常，零件脊背最低處的曲線輪廓長度最短，張拉成形 時變形量最小，為了防止回彈，一般要使該處的伸長變形超 過1，即有

36、： 12501. 1 0min ll 長度。零件脊背最低處條帶的式中 min l 從而13501. 1 min max min max l l l l Kl lmax與lmin的位置與零件形狀有關(guān)，在凸雙曲零件中，lmax 位于零件中間，lmin位于零件一端邊緣；在凹雙曲零件中， lmax位于零件一端邊緣，lmin位于零件中間（圖5-21）。lmax和 lmin可從拉形?；驑影逡约氨砻鏄藴蕵蛹狭咳?。 第67頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 傳力區(qū)的拉應(yīng)力比變形區(qū)大，所以兩個區(qū)域的伸長變形 不等，通?？烧J為兩者有以下近似關(guān)系： 145 2 n ll e

37、應(yīng)變硬化指數(shù)。 毛坯在模具上的包角； 摩擦系數(shù)； 傳力區(qū)的伸長率；式中 n l 第68頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 為了保證傳力區(qū)不被拉斷，常常規(guī)定： 1558 . 0 l 延伸率。單向拉伸試驗時的材料式中 所以，張拉成形極限可用極限拉形系數(shù)Klmax表示： 1658 . 01 2 max n l eK 第69頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 計算張拉成形的毛坯尺寸時，應(yīng)本著節(jié)約原則在零 件四周只留合理的最小余量，根據(jù)圖5-22，毛坯長度L 按下式計算： 1752 3210 llllL 。夾持長度，一般取 ，一

38、般取與設(shè)備和模具結(jié)構(gòu)有關(guān) 長度凸模與夾口間的過渡區(qū) ；修邊余量，一般取 零件的展開長度；式中 mml l mml l 50 150 2010 3 2 1 0 第70頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 圖5-22 張拉工藝示意圖圖5-23 張拉零件切割線 第71頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 毛坯寬度b按下式計算： 1852 41 lbb 。修邊余量，一般取 零件的展開寬度；式中 mml b 20 4 1 第72頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 為了保證夾頭附近材料不被拉破，一

39、般取張拉力F為： 1959 . 0AF b 。夾頭夾緊材料的斷面積 材料的強度極限；式中 A b 根據(jù)圖5-22，凸模力F1為 205 2 cos2 1 FF 第73頁/共103頁 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 張拉成形模具結(jié)構(gòu)比較簡單，原則上只用凸模，并且 受力也小，所以凸模除用鋼材制作之外，也可用鋅基合金 、環(huán)氧樹脂、混凝土和木材制作。張拉成形模具設(shè)計也比 較簡單，主要注意成形時零件的脊背線應(yīng)盡量接近水平， 使材料能均勻變形。凸模寬度應(yīng)比零件最大寬度大15mm以 上，其曲面長度lp（圖5-23）按下式計算： 215302 pp rll 是料厚。，為凸模圓角半徑，

40、 ；為零件曲面長度，式中 ttrmmrr mmll ppp 8 第74頁/共103頁 凸模高度與零件尺寸、形狀及凸模材料有關(guān)，一般 不應(yīng)小于300mm。 5.1 脹形 3、張拉成形（續(xù)） 三、脹形工藝方法（續(xù)） 第75頁/共103頁 翻邊 利用模具把板料上的孔緣或外緣翻成豎邊的沖壓加工 方法叫翻邊。利用翻邊不僅可以加工具有特殊空間形狀和 良好剛度的立體零件，還能在沖壓件上制取與其他零件裝 配的部位（如鉚釘孔、螺紋底孔和軸承座等）。沖壓大型 零件時，還能利用翻邊改善材料塑性流動，以免發(fā)生破裂 或起皺。 按工藝特點劃分有內(nèi)孔（圓孔或非圓孔）翻邊、外緣 翻邊和變薄翻邊等方法。由于零件外緣的凸凹性質(zhì)不

41、同， 外緣翻邊又可分為內(nèi)曲翻邊和外曲翻邊。按變形性質(zhì)劃分 時，有伸長類翻邊、壓縮類翻邊以及屬于體積成形的變薄 翻邊等。 第76頁/共103頁 翻邊 伸長類翻邊的特點是：變形區(qū)材料受拉應(yīng)力，切向產(chǎn) 生伸長變形，導(dǎo)致厚度簡薄，容易發(fā)生破裂，如圓孔翻邊 、外緣的內(nèi)曲翻邊等； 壓縮類翻邊的特點是：變形區(qū)材料切向受壓縮應(yīng)力， 產(chǎn)生壓縮變形，厚度增大，容易起皺，如外緣的外曲翻邊 。 非圓孔翻邊經(jīng)常是由伸長類翻邊、壓縮類翻邊和彎曲 組合起來的復(fù)合成形。 第77頁/共103頁 圖 內(nèi)孔與外緣翻邊零件 翻邊 第78頁/共103頁 第79頁/共103頁 第80頁/共103頁 第81頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊

42、 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變 翻邊時，帶有圓孔的環(huán)形毛坯被壓邊圈壓死，變形區(qū) 基本上限制在凹模圓角以內(nèi)，并在凸模輪廓的約束下受單 向或雙向拉應(yīng)力作用（忽略板厚方向的應(yīng)力），隨著凸模 下降，毛坯中心的圓孔不斷脹大，凸模下面的材料向側(cè)面 轉(zhuǎn)移，直到完全貼靠凹模側(cè)壁，形成直立的豎邊。 第82頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 第83頁/共103頁 主應(yīng)力法： 平衡微分方程： 2250 d d 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 塑性條件： 。，力順序為通常，圓孔翻邊時的應(yīng)0 321 t 235 s 2451 r s ，得邊界條件，那么，聯(lián)解方程，代入0

43、| r 第84頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 圓孔翻邊時的應(yīng)力變化曲線： 圓孔翻邊時的應(yīng)力分布：a)非硬化材料 b) 硬化材料 第85頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 圓孔翻邊時的應(yīng)變分布圖和應(yīng)變狀態(tài)圖： 圓孔翻邊時的應(yīng)變分布圖和應(yīng)變狀態(tài)圖 第86頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 圓孔翻邊的特點： 變形區(qū)材料在單向或雙向拉應(yīng)力作用下，切向伸長變 形大于徑向壓縮變形，導(dǎo)致材料厚度減薄，屬于伸長類翻 邊。 在圓孔翻邊的中間階段，即凸模 下面的材料尚未完全轉(zhuǎn)移到側(cè)面之前 ，如果停止變形，就會得到圖

44、示的成 形方式，這種成形方式叫做擴孔，生 產(chǎn)應(yīng)用也很普遍；很顯然，擴孔與圓 孔翻邊的應(yīng)力和應(yīng)變性質(zhì)相同，常將 其作為伸長類翻邊的特例。 擴孔成形 第87頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 帶有擴孔成形的零件 第88頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 一、圓孔翻邊時的應(yīng)力和應(yīng)變（續(xù)） 一般情況下，圓孔翻邊時的孔緣在單向拉應(yīng)力作用下 ，切向伸長變形引起的厚度減薄最大，最容易破裂。由于 材料性質(zhì)不均勻，孔緣各處允許的切向延伸率不同，一旦 孔緣某處的伸長變形超過了該處材料允許的延伸率，該處 就會因厚度減薄過大而破裂。通常，把這種因材料局部延 伸率不足引起的破裂叫做破裂。 伸長類翻邊破裂：a)擴孔破裂 b)翻邊破裂 第89頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 二、圓孔翻邊時的成形極限 圓孔翻邊的變形程度用翻邊系數(shù)K表示： 265 0 m D d K 翻邊后豎邊的中徑。 徑；毛坯上圓孔的初始直式中 m D d0 翻邊件的尺寸 第90頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 二、圓孔翻邊時的成形極限（續(xù)） 翻邊件的尺寸 第91頁/共103頁 5.2 圓孔翻邊 二、圓孔翻邊時的成形極限（續(xù)） 圓孔翻邊的成形極限根據(jù)豎邊邊緣是否發(fā)生破裂