第三章 板料成形

§3.6.5板料成形方法及其模具材料成形技術(shù)基礎(chǔ)沖壓概念利用沖模使板料分離或塑性變形，獲得沖壓件；通常在常溫下進(jìn)行，又稱冷沖壓，板厚一般<6mm；應(yīng)用廣泛，適于大批量生產(chǎn)沖壓優(yōu)點(diǎn)(1)沖壓件精度高，表面光潔，無切削，互換性好

(2)沖壓件質(zhì)量輕、強(qiáng)度、剛性較高

(3)操作簡便，生產(chǎn)率高，易于自動化

(4)廢料少，成本低沖壓局限性

(1)變形沖壓件的材料應(yīng)有足夠塑性與較低變形抗力

(2)模具費(fèi)用高，不宜單件小批生產(chǎn)沖壓設(shè)備剪板機(jī)（剪床）——把板料剪切成條狀坯料

壓力機(jī)（沖床）——沖壓坯料制成所需形狀和尺寸的零件沖壓工序分類(1)分離工序——板料一部分與另一部分分離如落料與沖孔（沿封閉輪廓線分離）、切斷（按不封閉輪廓線分離）等(2)變形工序——坯料產(chǎn)生塑性變形而不破裂如彎曲、拉深、翻邊等分離工序沖裁——落料與沖孔落料：從板料上沖出一定外形的零件或坯料，沖下部分是成品沖孔：在板料上沖出孔，沖下部分是廢料

沖裁過程沖裁包括彈性變形、塑性變形和斷裂分離三個階段。

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。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)。凸、凹模間隙刃口尺寸(1)落料模

凹模尺寸=落料尺寸凸模尺寸=凹模尺寸-間隙值凹模磨損增大落料尺寸，凹模應(yīng)接近落料最小極限尺寸(2)沖孔模

凸模尺寸=沖孔尺寸凹模尺寸=凸模尺寸+間隙值凸模磨損減小沖孔尺寸，凹模應(yīng)接近沖孔最大極限尺寸

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是沖裁工藝計算及模具設(shè)計中的主要工藝參數(shù)。一般，合理間隙值為材料厚度的5％～10％。變形區(qū)應(yīng)力狀態(tài)

右圖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。沖裁力是選用沖床噸位和設(shè)計檢驗?zāi)＞邚?qiáng)度的重要依據(jù)與沖裁周邊長度、板料厚度、板材抗剪強(qiáng)度等有關(guān)

右圖顯示沖裁力－行程曲線。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。排樣落料件在條料、帶料或板料上的布置方法——排樣，要求：

(1)提高沖裁件精度

(2)提高沖裁件性能（纖維方向）

(3)提高材料利用率排樣方法排樣布置排樣圖整修在模具上沿沖裁件外緣或內(nèi)孔削去一薄層金屬，以提高沖裁件斷面質(zhì)量與精度精密沖裁又稱無間隙沖裁，采用齒圈壓板，三向壓應(yīng)力，塑性剪切無裂紋分離，斷面與板面垂直，光亮，精度高

彎曲變形過程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。

彎曲

彎曲變形區(qū)彎曲變形主要發(fā)生在彎曲中心角范圍；板料靠凸模側(cè)受壓縮短，靠凹模側(cè)受拉伸長彎曲半徑

板厚一定，彎曲半徑r↓，板料外側(cè)（靠凹模側(cè)）伸長↑，直至彎裂，因此存在不彎裂的最小彎曲半徑,通常為（0.25-1）t。減小最小彎曲半徑的因素：

(1)沿板料纖維方向彎曲

(2)板料塑性好

(3)板料表面質(zhì)量好，光潔中性層變形區(qū)厚度方向，伸、縮變形區(qū)間，有一層金屬不變形——中性層彎曲回彈因彈性恢復(fù)，彎曲件角度和彎曲半徑較凸模增大，回彈影響彎曲件精度；模具的彎曲角應(yīng)減小一個回彈量（隨板材屈服強(qiáng)度和彎曲角度而增大）下料長度實際是彎曲件o-o中性層長度的計算彎曲力和彎曲工序彎曲力與坯料板厚、材料、彎曲部面積等有關(guān)，是設(shè)計彎曲模和選擇壓力機(jī)的主要依據(jù)拉深使平面板料成形為中空形狀零件凸緣直徑減小，轉(zhuǎn)化為側(cè)壁，為主要變形區(qū)。該區(qū)徑向受拉產(chǎn)生拉應(yīng)變，切向（周向）受壓產(chǎn)生壓應(yīng)變拉深變形拉深變形過程

如圖所示，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。

（2）主要變形區(qū)

如圖所示，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)。是衡量拉深變形程度的主要工藝參數(shù)，用拉深件直徑與毛坯直徑的比值m表示:m=d/Dm↓，變形程度↑，拉深應(yīng)力↑，易拉裂為保證正常拉深，有一極限拉深系數(shù)，即最小拉深系數(shù)拉深系數(shù)拉深缺陷(1)拉深系數(shù)不小于極限拉深系數(shù)(2)凸凹模工作部分應(yīng)為圓角(3)合理的凸凹模間隙(4)合理的壓邊力，模具工作面粗糙度小和潤滑好(5)加壓邊圈（防止起皺）拉深缺陷防止下料尺寸

筒形拉深件按變形前后表面積相同、形狀相似原則，再加修邊余量δ。

拉深次數(shù)

(1)小深度拉深件一次拉深

(2)深腔拉深件多道次拉深每道次拉深系數(shù)≮極限拉深系數(shù)，而總拉深系數(shù)變?。╩總=m1×m2×m3…×mn

）左圖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。拉深變形規(guī)律利用模具使空心件或管狀件由內(nèi)向外擴(kuò)張

沖壓脹形

脹形變形過程

如圖，凸模與毛坯接觸，凹模圓角處坯料發(fā)生彎曲。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。

脹形變形規(guī)律

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。如下圖所示，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。沖壓脹形應(yīng)用生產(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。

如圖6-18所示，當(dāng)相對法蘭直徑比

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)。

翻邊

將工件上的孔或邊緣翻出豎立或有一定角度的直邊。如右圖，帶圓孔的環(huán)形毛坯被壓邊圈壓緊，當(dāng)滑塊下行時，板料產(chǎn)生彎曲的同時，底孔不斷擴(kuò)大，凸模下材料向側(cè)面轉(zhuǎn)移，直到完全貼靠凹模形成直立豎邊。翻邊變形過程實質(zhì)是彎曲、擴(kuò)孔和翻邊的變形的過程。

與脹形變形不同，內(nèi)孔翻邊成形時，在雙向拉應(yīng)力作用下，板料沿圓周方向伸長，板厚減薄，但因厚度減薄量小于圓周方向的伸長量，故徑向收縮。

翻邊變形規(guī)律

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。

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，因為影響沖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)驗來進(jìn)行判斷，有時需要反復(fù)的試驗。

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。所以，我們稱這類成形為脹形－拉深復(fù)合成形。

圖球面零件的變形過程

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。

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

從成形角度和成形性的角度來看，復(fù)合的含義是不同的。

從成形角度看，如下圖，復(fù)合成形由凸模頭部坯料脹形成分和流入量，即拉深成分構(gòu)成。對脹形和拉深成分的判別，可按斷面線長和來區(qū)分，也可按面積和來區(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。

圖復(fù)合成形的構(gòu)成脹形復(fù)合度:或

拉深復(fù)合度：或

從復(fù)合成形性角度看，不能單純根據(jù)復(fù)合度大小來確定占主導(dǎo)地位成形工序的性質(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，即使有少量的拉深變形，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，對破裂加工極限的影響就小。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。

典型沖壓模具結(jié)構(gòu)

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

簡單沖模

一個沖壓行程，完成一道沖壓工序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模－1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。

連續(xù)沖模

一個沖壓行程，在模具不同工位上同時完成兩道以上工序

復(fù)合沖模

一個沖壓行程，在模具同一工位完成兩道以上工序。圖6模-2墊圈復(fù)合沖裁模（倒裝）

工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖落料沖孔沖孔切邊切斷彎曲

落料拉深、沖孔切斷彎曲、沖孔

落料拉深、沖孔、翻邊表6-2多工序組合復(fù)合模示例工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖落料拉深沖孔、翻邊落料拉深、切邊

落料、漲形、沖孔圖6模-3落料拉深沖孔復(fù)合模圖6模–4落料沖孔級進(jìn)模工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖工序組合方式模具結(jié)構(gòu)簡圖沖孔、落料

沖孔、切斷、彎曲沖孔、截斷

沖孔、翻邊、落料表6-3多工序組合級進(jìn)模示例

沖孔、彎曲、切斷沖孔、切斷連續(xù)拉深、落料

沖孔、壓印、落料

沖孔、翻邊、落料連續(xù)拉深、沖孔、落料

沖壓工藝及模具設(shè)計的內(nèi)容和步驟

1）典型沖壓工藝設(shè)計的內(nèi)容和步驟

圖6-22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)計的內(nèi)容和步驟。（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。配合尺寸公差等級高，為IT11～12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。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

該件基本工序為拉深工序。法蘭上三個小孔由沖孔工序完成。區(qū)段既可由拉深、切底獲得，又可由預(yù)沖孔、翻邊來實現(xiàn)，這需由工藝計算來確定。計算可知，此件能由沖孔后直接翻邊成形。b、毛坯直徑計算及拉深次數(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

（