1、,机械制造工艺基础,安徽新华学院,2.4 薄板的冲压成形,板料成形(冲压)：利用冲模使板料经分离或变形而得到制件的成形工艺统称为板料 成形(也称为冲压)。板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。,板料成形(冲压)的特点： 冲压可获得形状复杂、尺寸精度高、表面质量好的冲压件，不经机械加工即可进行装配。由于冷变形使零件产生加工硬化，故冲压件的刚度高、强度高、质量轻。冲压操作简单，工艺过程便于实现机械化、自动化，生产率高，零件成本低。因此冲压适于大批量生产。,冲压所用的原材料:低碳钢、高塑性合金钢、铜合金、铝合金、镁合金等。 冲压的设备：主要有剪床和冲床。,冲压的基本工序
2、：可分为分离工序和变形工序。分离工序：是使毛坯的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断等。 变形工序：是使毛坯的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，如弯曲、拉深、成形、翻边、收口等。,使坯料按封闭轮廓分离的工序称为冲裁，它主要包括落料、冲孔、切边、切口、剖切、整修等。 落料：是利用冲裁取得一定外形的制件或毛坯的冲压方法，冲落部分为成品，周边为废料。冲孔：是将冲压坯内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的一种冲压方法，冲落部分为废料，周边为成品,2.4.1 冲裁,1.冲裁的分离过程： 1)弹性变形阶段 2)塑性变形阶段 3)断裂分离（剪裂）阶段,2. 间隙对切断面质量的影
3、响,板料冲裁时的应力应变十分复杂，除剪切应力应变外，还有拉伸、弯曲和挤压等应力应变，如图2-42所示。当模具间隙正常时，上、下裂纹才能互相重合,冲裁件断面平直、光洁，质量最好。 冲裁件的断面有圆角带、光亮带、剪裂带和毛刺四部分组成。,间隙小,间隙大,间隙适中,当间隙过小时，会使冲裁力加大，降低模具寿命。上、下裂纹向内扩展时不能相互重合，将产生二次剪切，在冲裁件的断面形成二次光亮带，在两个光面间留下撕裂面。,当间隙过大时，如图示，板件受到很大的拉伸和弯曲应力作用，冲裁件圆角和斜度加大，光亮带小，毛刺大而厚，难以去除。,定义：将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度制件的工序称为弯曲。
4、1.弯曲变形过程 (弯曲动画）图2-25 V形件弯曲变形过程,2.4.2 弯曲,2.弯裂及最小弯曲半径 弯曲时，变形只发生在圆角范围内，其内侧受压缩，外侧受拉伸。当外侧的拉力超过板料的抗拉强度时，即会造成外层金属破裂。板料越厚，内弯曲半径r越小，压缩及拉伸应力就越大，也越易破裂。为防止弯裂，必须规定出最小弯曲半径rmin，通常 rmin=(0.251)t,t为板厚。,影响最小弯曲半径的主要因素如下： 材料的力学性能 材料的热处理状态 弯曲件角度 板料的纤维方向和表面质量,弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直。,与坯料纤维方向垂直,3.弯曲时的回弹 回弹：在材料弯曲变形结束，工件不受外力作
5、用时，由于弹性恢复，使弯曲件的角度和弯曲半径与模具的尺寸和形状不一致，这种现象称为回弹。 在设计弯曲模时，应使模具的弯曲角p比弯曲件弯曲角小一个回弹角(=-p)，回弹角一般小于10。 影响回弹的因素:板料性质、相对弯曲半径r/t(t为板厚)和模具结构等。,1. 拉深变形过程,从拉深过程中可以看到，拉伸件中最危险的部位是直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的强度极限时，此处将被“拉裂”。,2.4.3 拉深,定义：利用模具使冲裁后得到的平板毛坯变形成开口空心零件的工序称为拉深。,（拉伸过程动画 ）,2. 拉深系数与拉深次数 (1)拉深系数 工件直径d与毛坯直径D的比值称为拉深系数，用m表示，即
6、： m = d/D它是衡量拉深变形程度的指标。m越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大，坯料被拉入凹模越困难，易产生拉穿废料。拉深系数m 不小于材料极限拉深系数。一般m=0.5 0.8能保证拉深正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数。,(2)拉深次数（图1-27 多次拉深时直径的变化）若m小于极限拉深系数，不能一次拉深成形，则可采用多次拉深工艺。此时，各道工序的拉深系数为： m1 = d1/D, m2 = d2/d1, , mn = dn/dn-1 总拉深系数m总表示从毛坯D拉深至dn的总的变形量。即： m=m1*m2mn-1*mn连续拉深次数不宜太多，如低碳钢或铝，不多于45次，否则工件因
7、加工硬化会使塑性下降，导致拉裂。 为保证坯料足够的塑性，在一两次拉深后，应安排工序间的退火处理。,3拉深变形的质量控制（拉裂动画） 拉深过程中的主要缺陷是起皱和拉裂。起皱是拉深时由于较大的切向压应力使板料失稳造成的，生产中常采用加压边圈的方法予以防止。拉裂一般出现在直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的抗拉强度时，此处将被拉裂。为防止拉裂，应采取如下工艺措施： （1）限制拉深系数 （2）凹凸模工作部分，必须加工成圆角 凹模圆角半径为R凹=（510）t，凸模圆角为半径R凸=（0.71）t。 （3）合理的凸凹模间隙 间隙过小，容易拉穿；间隙过大，容易起皱。一般，凸凹模之间的单边间隙Z=（1.1
8、1.2）tmax。 （4）减小拉深时的阻力 例如，压边力要合理不应过大；凸、凹模工作表面要有较小的表面粗糙度；在凹模表面涂润滑剂来减小摩擦。,2.4.4 其它冲压成形,胀形主要用于平板毛坯的局部胀形（或叫起伏成型），如压制凹坑，加强筋，起伏形的花纹及标记等。另外，管类毛坯的胀形（如波纹管）、平板毛坯的拉形等，均属胀形工艺。（平板胀形 管坯胀形 拉形 动画）,胀形,翻边是在坯料的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲率翻成竖立边缘的冲压成型方法。内孔翻边（图9-15）和外缘翻边。（翻边动画）,翻边,翻边筒,挤压（挤压视频） (http:/ 坯料从模孔中流出部分的运动方向与凸模运动方向相同的挤压方式
9、称 为正挤压。 该法可挤压各种截面形状的实心件和空心件。 2)反挤压：坯料的一部分沿着凸模与凹模之间的间隙流出，其流动方向与凸模运 动方向相反的挤压方式称为反挤压。 该法可挤压不同截面形状 的空心件。,3)复合挤压： 同时兼有正挤、反挤时金属流动特征的挤压称为复合挤压。 4)径向挤压： 坯料沿径向挤出的挤压方式称为径向挤压。 用这种方法可成形有局部粗大凸缘、有径向齿槽及筒形件等。(图2-32),拉拔：坯料在牵引力作用下通过模孔拉出，使之产生塑性变形而得到截面缩小、长度增加的制品，此工艺称为拉拔。(图2-33),拉拔通常有冷拔和拉丝之分。 常温下的拉拔称为冷拔，对直径为0.1410.00mm的黑
10、色金属和直径为0.0116.00mm的有色金属的拉拔称为拉丝。拉拔的制品有线材、棒材、异型管材等。,冷冲压模具 常用的冷冲模按工序组合可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模三类。简单冲模：在一个冲压行程只完成一道工序的冲模。连续冲模：在一付模具上有多个工位，在一个冲压行程同时完成多道工序的冲模复合冲模：在一付模具上只有一个工位，在一个冲压行程上同时完成多道冲压工序的冲模。（ 简单冲模、连续冲模、复合冲模 动画）,油封外夹圈冲压成形,2.4.5 冲压件的结构工艺性,1. 冲裁工艺,（1） 凸模与凹模刃口尺寸的确定,设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，取凹模作设计基准件，然后根据间隙确定凸模尺
11、寸（即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值）。,设计冲孔模时，先按冲孔件确定凸模尺寸，取凸模作设计基准件，然后根据间隙确定凹模尺寸（即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值）。,在使用时，凹凸模磨损，使落料件尺寸增大，冲孔件尺寸变小。因此，设计落料凹模刃口尺寸应靠近落料件公差范围内的最小尺寸。冲孔时，选取凸模刃口靠近孔得公差范围内的最大尺寸,2.4.5 冲压件的结构工艺性,（2）冲裁件的结构工艺性,1） 冲裁件的形状 应力求简单、对称，有利于材料的合理利用（图9-20）同时应避免长槽与细长悬臂结构（图9-21），否则制造模具困难。,利用率高,利用率低,落料外形不合理,零件形状与节约材料的关系,2) 冲裁件的
12、圆角 冲裁件的内、外形转角处，要尽量避免尖角，应以圆弧连接。以避免尖角处应力集中被冲模冲裂。,3) 冲裁件的孔径及孔位距 冲裁孔的孔径太小，凸模易折断和压弯， 冲孔允许的最小尺寸与模具结构、材料性能及板材厚度有关。如下图,2.弯曲件的结构工艺性,（1）弯曲件的弯曲半径 弯曲件的最小弯曲半径rmin不能小于材料许可的最小弯曲半径，否则将弯裂。并应考虑材料纤维方向，以免成型过程中弯裂。,（2）弯曲件的直边高度 弯曲件的直边高度H2t。若H2t，则应增加直边高度，弯好后再切掉多余材料。,（3）弯曲件孔边距 弯曲预先已冲孔的毛坯时，如图2-58(a)，即： 当t 2 mm 时，L t； 当t 2 mm
13、 时，L 2t。 若L过小，可采取凸缘形缺口或月牙槽的措施，也可在弯曲线处冲出工艺孔，以转移变形区，如图2-58(b)，(c)，(d)所示。,（4）弯曲件的形状 弯曲件的形状应尽量对称，弯曲半径应左右一致，保证板料受力时平衡，防止产生偏移。当弯曲不对称制件时，也可考虑成对弯曲后再切。(图2-59),3.拉深件的结构工艺性,（1） 拉深件的形状 拉深件的形状应力求简单、对称，尽量采用圆形、矩形等规则形状，以有利于拉深。且深度不宜太大，以便使拉深次数尽量少，并容易成型。 （2）拉深件的圆角半径 一般情况下，r凹 r凸，r凸 2t,r凹 (24)t,t为板厚。 （3）拉深件各部分的尺寸比例 拉深件各
14、部分的尺寸比例应合理,2.5 金属的塑性成形新工艺,2.5.0 锻压新工艺的发展趋势 2.5.1 精密模锻 2.5.2 液态模锻 2.5.3 粉末锻造 2.5.4 超塑性成型 2.5.5 高能高速成型,2.5 塑性成形新工艺,塑性成形新工艺的特点是： （1）尽量使成形件的形状接近零件的形状，以便达到少、无切屑加工的目的，同时得到合理分布的纤维组织，提高零件的力学性能。 （2）具有更高的生产率。 （3）减小了变形力，可以在较小的压力设备上制造出大型零件。 （4）广泛采用电加热和少氧化、无氧化加热，提高零件表面质量，改善劳动条件。,1.精密模锻的概念 是在模锻设备上锻造出形状复杂、锻件精度高的模锻
15、工艺。 如精密模锻伞齿轮，其齿形部分可直接锻出而不必再经切削加工。模锻件尺寸精度可达IT12IT15，表面粗糙度为Ra3.21.6。,2.精密模锻工艺过程,先将原始坯料普通模锻成中间坯料再对中间坯料进行严格的清理，除去氧化皮或缺陷最后采用无氧化或少氧化加热后精锻(如图)。,2.5.1精密模锻,需要精确计算原始坯料的尺寸，严格按坯料质量下料。 需要精细清理坯料表面，除净坯料表面的氧化皮、脱碳层及其它缺陷等。 应采用无氧化或少氧化加热法，尽量减少坯料表面形成的氧化皮。 精密模锻的锻件精度很大程度上取决于锻模的加工精度。为排除模膛中的气体，减小金属流动阻力，使金属更好地充满模膛，在凹模上应开有排气小
16、孔。 模锻时要很好地进行润滑和冷却锻模。 精密模锻一般都在刚度大、精度高的模锻设备上进行。如曲柄压力机、摩擦压力机或高速锤等。,3. 精密模锻工艺特点,1. 粉末锻造的原理,粉末锻造是粉末冶金成型方法和锻造相结合的一种金属加工方法。它是将粉末预压成型后，在充满保护气体的炉子中烧结制坯，将坯料加热至锻造温度后模锻而成。,2.5.2 粉末锻造,2. 粉末锻造的优点（与模锻相比）,材料利用率高，可达90%以上。而模锻的材料利用率只有50%左右。 机械性能高。材质均匀无各向异性，强度、塑性和冲击韧性都较高。,锻件精度高，表面光洁，可实现少、无切削加工。,生产率高。每小时产量可达5001000件。,锻造
17、压力小。如130汽车差速器行星齿轮，钢坯锻造需用25003000kN压力机，粉末锻造只需800kN压力机。,可以加工热塑性差的材料。如难于变形的高温铸造合金可用粉末锻造方法锻出形状复杂的零件。采用粉末锻造出的零件有差速器齿轮、柴油机连杆、链轮、衬套等。,1. 金属超塑性概念是指金属或合金在特定条件下，即低的变形速率(e =102104 /s)、一定的变形温度(约为熔点一半)和均匀的细晶粒度(晶粒平均直径为0.25m )，其相对延伸率超过100%以上的特性。如钢超过500%、纯钛超过300%、锌铝合金超过1000%。 目前常用的超塑性成形的材料主要有铝合金、镁合金、低碳钢、不锈钢及高温合金等。,
18、2.5.3 超塑性成形,2.5.3 超塑性成形,2.超塑性成形的特点 1)金属塑性大为提高 过去认为只能采用铸造成形而不能锻造成形的镍基合金，也可进行超塑性模锻成形，因而扩大了可锻金属的种类。 2)金属的变形抗力很小 一般超塑性模锻的总压力只相当于普通模锻的几分之一到几十分之一，因此，可在吨位小的设备上模锻出较大的制件3)加工精度高 超塑性成形加工可获得尺寸精密、形状复杂、晶粒组织均匀细小的薄壁制件，其力学性能均匀一致，机械加工余量小，甚至不需切削加工即可使用。因此，超塑性成形是实现少或无切削加工和精密成形的新途径。,（1）板料深冲零件直径较小，但很高。选用超塑性材料可以一次拉深成型，质量很好
19、，零件性能无方向性。,（2）板料气压成形超塑性金属板料放于模具中，把板料与模具一起加热到规定温度，向模具内吹入压缩空气或抽出模具内的空气形成负压，板料将贴紧在凹模或凸模上，获得所需形状的工件。该法可加工的板料厚度为0.44 mm。,3. 超塑性成形工艺的应用,高能高速成型是一种在极短时间内释放高能量而使金属变形的成型方法。,2.5.4 高能高速成型,（1）爆炸成型爆炸成型是利用爆炸物质在爆炸瞬间释放出巨大的化学能对金属毛坯进行加工的高能高速成型方法。,（2）电液成型电液成型是利用液体中强电流脉冲放电所产生的强大冲击波对金属进行加工的一种高能高速成型方法。,（3）电磁成型电磁成型是利用脉冲磁场对
20、金属坯料进行压力加工的高能高速成型方法。,1. 高能高速成型的类型,高能高速成形几乎不需模具和工装以及冲压设备，仅用凹模就可以实现成形。 高能高速成形时，零件以极高的速度贴模，这不仅有利于提高零件的贴模性，而且可以有效地减小零件弹复现象。所以得到的零件精度高，表面质量好。 因为是在瞬间成形，所以材料的塑性变形能力提高，对于塑性差的用普通方法难以成形的材料，采用高能高速成形仍可得到理想的成形产品。 高能高速成形方法对制造复合材料具有独特的优越性，例如，在制造钢-钛复合金属板中，采用爆炸成形瞬间即可完成。 高能高速成形是特殊的成形工艺，成本高、专业技术性强是这种工艺的不足之处。,2.高能高速成型的特点:,
