§第五章-缩口和胀形

材料成型工艺MaterialFormingTechnology课程编号：07310060学分：6学时：90(其中：讲课学时：78实验学时：12上机学时：0)先修课程：材料成型原理、金属学及热处理、机械设计基础适用专业：材料成型及控制工程教材：《金属材料液态成型工艺》贾志宏编化学工业出版社2008年2月第1版《金属材料焊接工艺》雷玉成主编化学工业出版社，2006年8月第1版《冲压工艺与模具设计》牟林、胡建华主编.北京大学出版社2010年3月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：本课程是材料成型与控制工程专业的一门主要专业基础课。

本课程的任务是掌握金属液态成型工艺的方法、金属板料成形技术、焊接电弧及焊接方法等三大部分知识。

通过本课程的学习，了解常见的液态成型、板料成形、焊接工艺方法。

为学习有关专业课程、从事生产技术工作和管理工作打好热加工工艺知识基础；了解热加工的新工艺、新技术、新方法和发展趋势。

二、课程的基本内容及要求第一篇液态成型工艺绪论1基本内容金属液态成型工艺发展历史，液态成型工艺流程。

2教学要求了解铸造产业的发展概况；了解铸造生产的基本流程和工艺种类。

3重难点液态成型工艺的基本类型、流程及发展趋势。

第一章零件结构的铸造工艺性分析1基本内容(1)常用铸造方法的选择；(2)砂型铸造零件结构的工艺性分析；(3)特种铸造零件结构的工艺性分析。

2教学要求(1)了解各种铸造方法的特点；熟悉铸造方法选用的依据(2)掌握砂型铸造零件结构的工艺性分析方法；(3)熟悉特种铸造零件结构的工艺性分析方法。

3重难点铸造工艺性分析的方法和思路。

第二章砂型铸造工艺方案的确定1基本内容(1)工艺设计内容及流程；(2)砂型铸造工艺方案确定的基本原理；2教学要求(1)熟悉铸造工艺设计的依据、内容及流程；(2)掌握砂型铸造工艺方案制定的原理及方法。

3重难点(1)生产纲领、生产条件对工艺方案制定的影响；(2)分型面及浇注位置的确定。

第五节 校 形
① 模具结构 ② 工作原理 ③ 适用地方 a 软材料 b 薄材料 c 工件表面不允许有压痕 ④ 如何提高校平效果？
工件反叠 （3）齿形校平模 ① 模具结构
2021年9月28日星期二
学习情境4：其它冲压成形模具设计
第五节 校
② 工作原理 ③ 适用地方 a 硬材料 b 平面度误差较小 ④ 齿形的类型 A尖齿 a 齿形及尺寸 b 优点 c 缺点 B平齿
一、给定任务 设计如图所示零件的冲压模具
2021年9月28日星期二
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第三节 缩 口
缩口：
将管坯或预先拉深好的圆筒形 件通过缩口模将其口部直径缩小的 一种成形方法。
一、缩口变形特点及变形程度
1.缩口的变形过程（三维、二维） 2.缩口的变形特点 （1）缩口变形区的应力与应变状 态
2021年9月28日星期二
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第五节 校
二、平板零件的校平
1.校平方式 （1）模具校平 （2）手工校平 （3）专门设备校平 2.模具校平 （1）校平模具的种类 ① 光面校平模 ② 齿形校平模 （2）光面校平模
形
2021年9月28日星期二
学习组成 （2）工作原理（三维动画、二维动画） ① 坯料的定位 ② 滑块下行时各零件如何动作？ ③ 滑块回程时各零件如何动作？ （3）零件间的配合关系分析 ① 凹模与固定板 ② 支撑凸模与凹模 （4）部分零件性能分析
2021年9月28日星期二
学习情境4：其它冲压成形模具设计
学习情境4：其它冲压成形模具设计
第三节 缩 口
① 材料的塑性 ② 材料厚度 ③ 支承方式
二、缩口工艺计算
1.缩口次数 若工件的缩口系数ｍ小于允许的缩口系数时，则需进行

冲压工艺培训教材魏龙2004-5第一章绪论冷冲压是一种先进的金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料金属进行加工，以获得所需要的零件形状和尺寸。

冲压工艺应用范围十分广泛，在国民经济各个部门中，几乎都有冲压加工产品，如汽车、飞机、拖拉机、电机、电器、仪表、铁道、邮电、化工以及轻工日用产品中均占有相当大的比重。

冷冲压和切削加工比较，具有生产率高、加工成本低、材料利用率高、产品尺寸精度稳定、操作简单、容易实现机械化和自动化等一系列优点，特别适合大批量生产。

一、冲压工序的分类冷冲压工艺按其变形性质可分为分离工序和成形工序两大类。

分离工序又可分为落料、冲孔和切边等，如表1-1所示。

成形工序可分为弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、扩口、缩口和旋压等，如表1-2所示。

根据产品零件的形状、尺寸精度和其他技术要求，可分别采用各种工序对板料毛坯进行加工，以获得满意的零件。

表1-1分离工序工序名称简图特点及应用范围第二章冲裁冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。

用它可以制作零件或为弯曲、拉深、成形等工序准备毛坯。

一、落料从板料上冲下所需形状的零件（或毛坯）叫落料。

如图2-1所示。

图2-1落料图2-2冲孔二、冲孔在工件上冲出所需形状的孔（冲去的为废料）叫冲孔。

如图2-2所示。

三、冲裁的过程冲裁既是分离工序，工件受力时必然从弹、塑性变形开始，以断裂告终。

当凸模下降接触板料，板料即受到凸、凹模压力而产生弹性变形，板料产生弯曲，即从模具表面上翘起（图2-3-1）。

随着凸模下压，模具刃口压入材料，内应力状态满足塑性条件时，产生塑性变形（图2-3-2）。

塑性变形从刃口开始，随着刃口的深入，变形区向板料的深度方向发展、扩大，直到在板料的整个厚度方向上产生塑性变形，板料的一部分相对于另一部分移动。

当切刃附近材料各层中达到极限应变与应力值时，便产生微裂（图2-3-3），裂纹产生后，沿最大剪应变速度方向发展，直至上、下裂纹会合，板料就完全分离。

F pA
胀形单位面积压力ｐ可用下式计算：
p
1.1
5zx
2t dmax
式中
zx ――胀形变形区实际应力，近似估算时取 zx≈ b（材料的抗拉强度）
第五章 其它成形工艺与模具设计
第三节 翻边
翻边： 在模具的作用下，将坯料的孔边缘或外边缘冲制成竖立边
的成形方法。
一、内孔翻边
1．圆孔翻边 （１）圆孔翻边的变形特点与变形程度
圆孔翻边凸模的形状和主要尺寸 凸、凹模单边间隙Ｚ/2＝（0.75～0.85）ｔ
第五章 其它成形工艺与模具设计
第三节 翻边
一、内孔翻边（续）
2．非圆孔翻边
变形区分类
非圆孔翻边系数 K
（一般指小圆弧部分的翻边系数）可
f
小于圆孔翻边系数Ｋ
Kf (0.8~ 50.9)5 K
非圆孔的极限翻边系数，可根据各圆弧段的圆心角ａ大小， 查表5.3.2
1.胀形方法 刚性模具胀形 软模胀形 轴向压缩和高压液体联合作用的胀形
第五章 其它成形工艺与模具设计
第二节 胀形
三、空心坯料的胀形
2.胀形的变形程度 常用胀形系数Ｋ表示 K dmax D
Ｋ和坯料伸长率的关系为 dmaxDK1
D
第五章 其它成形工艺与模具设计
第二节 胀形
三、空心坯料的胀形
3.胀形的坯料尺寸计算
重点：
胀形、翻边工序的变形特点、工艺计算和模具结构特点。
难点：
翻边工序的变形特点、工艺计算。
第五章 其它成形工艺与模具设计
本章目录
第一节 概述 第二节 胀形 第三节 翻边 第四节 缩口 第五节 旋压 第六节 校形
第五章 其它成形工艺与模具设计

冲压简介
• 冷冲压是塑性加工的基本方法之一，它主 要用于加工板料零件，所以有时也叫板料 冲压。冲压加工的应用范围十分广泛，不 仅可以加工金属板料，而且也可以加工非 金属材料。冲压加工时，板料在模具的作 用下，与其内部产生使之变形的内力。当 内力的作用达到一定的数值时，板料毛坯 或毛坯的某个部分便会产生与内力的作用 性质相对应的变形，从而获得一定的形状、 尺寸和性能的零件。
V形弯曲过程
• 在弯曲的开始阶段，毛坯 自由弯曲。凸模下压，毛 坯的直边与凹模工作表面 靠拢。凸模继续下压，板 料与凸模三点接触，此后 弯曲区继续缩小，半成形 弯曲件的两边，被凸模向 外撑开，逐步贴向凹模工 作表面。在行程终了时， 凸模与凹模对弯曲件进行 校正，使弯曲件的圆角、 直边与凸模全部贴近。
注意事项
（1）毛坯放置在模具上必须保证有正确可靠的定位。当工 件上有孔并且允许其作为定位孔时，应尽量利用工件上的 孔定位。若工件上无孔但允许在毛坯上冲制工艺孔时，可 以考虑在毛坯上设计出定位工艺孔。当工件上不允许有工 艺孔时，应考虑用定位板对毛坯外形定位，同时应设置压 料装置压紧毛坯以防止弯曲过程中毛坯的偏移。 （2）当采用多道工序弯曲时，各工序尽可能采用同一定位 基准。 （3）设计模具结构应注意放入和取出工件的操作要安全、 迅速和方便。 （4）对于容易磨损的部分如凸模，凹模的结构设计要便于 拆卸。
降低冲裁力的方法
1阶梯式凸模 (H=0.5~1t） 2斜刃的形式 斜角5°~8°
卸料力、推料力和顶料力
• 卸料力：卸下包在凸模上材料所需要的力 叫做卸料力。
• 推料力：顺着冲裁方向推出卡在凹模里的 料所需要的力叫做推料力。 • 顶料力：逆着冲裁方向顶出卡在凹模里料 所需要的力叫顶料力。
刃口尺寸计算

图5-7 两道工序完成的凸形
(2)圆柱形空心毛坯的胀形 1)胀形方式 a．橡皮（或聚氨酯）凸模 胀形 该胀形方式如图5-8 所示。由于聚氨酯橡胶优 良的物理机械性能，用它 作工作介质的胀形得到愈 来愈广泛的应用。
图5-8 橡皮凸模胀形
b.分块式凸模胀形 如图5-9所示，采用刚性凸模， 凸模必须作成分块式，以便出模时由楔状心块 将其分开。
(3)影响胀形成形极限的因素 1)材料性能 加工硬化指数n值对胀形成形极限 影响极大。 n值大，加工硬化能力强，可促使 应变分布趋于均匀化，同时还能提高材料的局 部强度，故成形极限也大。 2)变形均匀程度 胀形破裂发生在板料厚度减薄 最大部位。变形均匀，板料厚度减薄均匀能获 得较大的胀形变形程度。
图5-9 分块式凸模胀形
c.液压胀形 如图510所示，用液体作 为凸模的胀形方式 称做液压胀形。 d.石蜡胀形 除采用 橡皮和液体等软模 来成形外,还可采用 石蜡作为传力介质 进行胀形。
a）直接倾注液体法 b）充液橡皮囊法 图5-10 液压胀形
2)圆柱形空心毛坯胀形的成形极限 生产中用 胀形系数K表示圆柱形空心毛坯胀形的变形程 度。用最大胀形系数Kmax表示其破裂成形极 限。 胀形系数: K=dmax/d 在胀形时对毛坯轴向加压的话，胀形成形 极限可以增大。对毛坯变形区局部加热会显 著增大胀形变形程度。
图5-17 非圆形孔翻边
图5-18 非圆形孔翻边的实例
(3) 内孔翻边的工艺计算 1)圆孔翻边的毛坯计算 a.预制孔径计算 翻边时材料主要是切向伸长， 厚度变薄，径向变形不大,可根据弯曲件中性层 长度不变原则来求预制孔径。
t d 0 D1 (r ) 2h1 d1 2(h 0.43r 0.72t ) 2

5.3.2缩口变形程度 缩口变形程度
缩口变形程度用缩口系数K来表示，其表达式： 缩口变形程度用缩口系数 来表示，其表达式： 来表示
d K= D
式中：d—缩口后的直径 式中： 缩口后的直径 D—为缩口前的直径 为缩口前的直径
5.3.3缩口模具结构设计举例 缩口模具结构设计举例
刚制气瓶缩口模，成形材料为１ 刚制气瓶缩口模，成形材料为１mm的０８钢（如 的０８钢 图５.３.３） ３３
2.冲压设备规格的选择 冲压设备规格的选择 1)公称压力 1)公称压力 一般情况下， 一般情况下，设备的公称压力应大于或等于成 形总工艺力的1.3倍。 形总工艺力的1.3倍 1.3 2)滑块行程 2)滑块行程 在拉深、弯曲工序中工件的高度较大时， 在拉深、弯曲工序中工件的高度较大时，为便 于取件，滑块行程应大于或等于工件高度的2.5 2.5倍 于取件，滑块行程应大于或等于工件高度的2.5倍。 3)闭合高度 闭合高度 模具的闭合高度必须适合于压力机闭合高度范围 的要求，它们之间的关系一般为： 的要求，它们之间的关系一般为：
D = d p + 4dH − 3.44d × r = 542 + 23.8×16− 3.44× 23.8× 2.25mm≈ 65mm
2
2) 计算拉深次数 因为 ; t / D = 2.3%
d ' 凸 54 = = 0.83 D 65
m总 =
d 23.8 = = 0.366 D 65
初定 r1 ≈ ( 4 ~ 5)t 《冲压手册》中查表可得极限拉深 从 冲压手册》 系数 [m1 ] = 0.44, [m2 ] = 0.75 又由 所以
特点：生产率高，操作比较安全，用于大批量的， 特点：生产率高，操作比较安全，用于大批量的，采用其他工序 加工困难的精度要求不太高的小型工件的生产。 加工困难的精度要求不太高的小型工件的生产。

工作过程1 缩口工艺性分析
【知识与技能准备】
一、缩口简述
1、定义：
将圆筒件或管件坯料，通过缩口模具将其口部缩小的一种成型工序。

2、应用：
子弹壳、炮弹壳、钢制气缸等;
车车架立管、自行车坐垫鞍管等。

3、对细长的管状类零件，有时用缩口代替拉深可取得更好的效果：
用拉深和冲底孔成形的制件，工序5道工序：
用管状毛坯缩口工序，只需3道工序：
二、缩口成形的变形特点
图5.3.2 缩口成形的变形特点
1、变形区主要两向应力作用，其中切向压应力最大，使直径缩小、厚度和高
度增加；
2、由于受切向应力较大，容易产生切向失稳和起皱；
3、属压缩类变形，常见的压缩变形形式如下：
【项目实施】气瓶缩口工艺性分析
气瓶为带底的筒形件，可采用拉深工艺制成圆筒形件，在进行缩口成形。

工艺过程：拉深制成圆筒形件----->缩口成瓶形。

零件名称：气瓶
生产批量：中批量
材 料：08钢 材料1mm。

（2）
冲压应力图的DOE，冲压应变图的GOL
33 与该种情况相对的变形有缩口变形等。
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第二章 冲压变形基础
3）变形区受异号应力作用，且拉应力绝对值大于压应力绝对值
（1）
，且
冲压应变图的MON；
，处于冲压应力图的GOF，
（2）
，且
冲压应变图的COD；
，处于冲压应力图的AOB，
与该种情况相对的变形有扩口等。
可以把冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况（应力状态）和变 形特点从变形力学理论的角度归纳为以下几种情况，并分别研究它们 的变形特点。
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第二章 冲压变形基础
1.变形分类
1）冲压毛坯变形区受两向拉应力作用 分为两种情况：
（1）
再确定 ， 的变化范围是
，
当
时，为两向等拉，
当
时，为单拉，
第一类硬化曲线： ~
第二类硬化曲线： ~ 第三类硬化曲线： ~
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第二章 冲压变形基础
2.硬化曲线及表达式
直线式－以硬化曲线上缩颈点处的切线表示：
式中： －截距
F －硬化模数，为硬化直线斜率
1）当应变 用延伸率 表示时，
2）当应变 用断面缩减率 表示时，
4）变形区受异号应力作用，且压应力绝对值大于拉应力绝对值
（1）
，且
冲压应变图的MOL；
，处于冲压应力图的EOF，
（2）
，且
冲压应变图的DOE；
，处于冲压应力图的BOC，
与该种情况相对的变形有拉深等。
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第二章 冲压变形基础

D
坯料直径Ｄ可按等面积法求出，但旋压时材料的变薄较大些， 因此应将理论计算值减小5％～7％。 圆筒形件的极限旋压系数可取为： mmin 0.6 ~ 0.8
圆锥形件的极限旋压系数可取为： mmin 0.2 ~ 0.3
当工件需要的变形程度较大（即ｍ较小）时，便需多次旋压。 多次旋压时必须进行中间退火。
各次缩口后的颈口直径则为：d1 m1 D

d 2 mn d1 m1 mn D
2 d 3 mn d 2 m1 mn D
n 1 d n mn d n 1 m1 mn D
二、缩口工艺计算
3.坯料高度 缩口前坯料高度Ｈ按下面公式计算：
D2 d 2 1 H 1.05h1 图5.4.2ａ所示工件： 8 D sin D d
压缩类平面翻边： ①也要采用防皱的压料装置
②也需修正坯料的展开形状 压缩类曲面翻边： ①凹模的曲面形状应修正 ②冲压方向的选取原则与伸长类曲面翻边时相同
三、变薄翻边
变薄翻边对生产竖边较高的零件， 既可提高生产率,又能节约材料。 ti 变薄系数 K b t i 1 竖边的高度应按体积不变定律 进行计算。
2.变薄旋压成形极限 变形程度

t t1 t 1 1 1 sin t t
用模具的半锥角 也可以表示变薄旋压的变形程度。 当 t1 t1min 时， max min 所以极限变薄率 max 和极限半锥角 min 的关系为：
max
t t1min 1 sin min t
变形程度 伸
b Rb
应在坯料的两端对 坯料的轮廓线做必要的
修正
ａ）伸长类平面翻边 ｂ）伸长类曲面翻边

n=
sz
4、缩口模具形式
不同支承方法的模具结构形式 a)无支承 b)外支承 c)内外支承
气瓶缩口模 1-顶杆；2-下模板；3、14-螺栓 ；4、11-销钉；5-下固定板； 6-垫板；7-外支承套；8-缩口凹模；9-顶出器；10-上模板； 12-打料杆；13-模柄；15-导柱；16-导套
挡环缩口扩口复合模
பைடு நூலகம்
2、常见缩口形式
斜口形式
直口形式
球面形式
可代替某些拉深工序
3、极限缩口系数
缩口变形程度用缩口系数m表示： m=d/D 极限缩口系数与材料种类、厚度、模具形式及 坯料表面质量有关。材料塑性越好，厚度越大或 模具结构中有对筒壁支撑的结构，许可的缩口系 数就较小。 lg m
缩口次数： 缩口次数： lg msp msz总缩口系数，msp平均缩口系数一般 取mmin。
§13.2 缩口
缩口是将预先成形好的圆筒件或管件坯料,通过缩口模 具将其口部缩小的一种成形工序。 1、缩口成形的变形特点 缩口成形的变形特点 变形区由于受到 较大切向压应力的 作用易产生切向失 稳而起皱，起传力 稳而起皱， 作用的筒壁区由于 受到轴向压应力的 作用易产生轴向失 稳而起皱， 稳而起皱，所以失 稳起皱是缩口工序 的主要障碍。 的主要障碍。

4、翻边力的计算 采用平底凸模翻边：
F = 1.1π (D − d0 )tσ s
（N）
采用球头凸模翻边：
F = 1.2K0πDtσb
（N）
5、翻边模设计 ⑴、结构类型（图7-8、图7-9） ⑵、翻边凸模和凹模设计（图7-10 ）
二、变薄翻边
若零件的翻边高度较大难于一次成形时，可在不影响使用 要求的条件下采用变薄翻边，以提高生产效率并节约材料。 变薄翻边属于体积成形。变薄翻边时，凸模和凹模之间 采用小间隙，凸模下方的材料变形与圆孔翻边相似，但它们成 形为竖边后，将会在凸模和凹模之间的小间隙内受到挤压，进 一步发生较大的塑性变形，使厚度显著减薄，从而提高翻边高 度。由于变薄翻边属于体积成形，所以变薄翻边的变形程度只 取决于竖边的变薄系数：
影响胀形成形极限的材料因素主要是延伸率和应变硬化指 数。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；应变硬化指数值大，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以及材料厚度对胀形成形极限也有影 响。如用球头凸模胀形时，若毛坯和凸模之间施加良好的润 滑，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，主要是通过改变摩擦系数来体现的，对球头凸模 来讲，速度大，摩擦系数减小，有利于应变分布均匀化，胀形 高度有所增大。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，避免板料在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。
加轴向压缩的液体胀形 1－上模 2－轴头 3－下模 4－管坯
（3）张拉成形
特点：曲面变形量很小，破裂不是生产中的主要问题， 零件脱模后的曲面回弹，造成零件出现较大的形 状误差。 措施：工艺上：１）调整压边力； ２）使用拉深筋； ３）增大毛料尺寸等。 选材上：选用屈强比较小的板料成形零件。 张拉成形变形特点及应力应变状态图。 （教材P135图５－１９、５－２０）

沿着具有内凹形状的外缘翻边称为内凹外缘翻边，
属于拉伸类平面翻边。其变形情况近似于内孔
翻边，变形区主要是周向受拉，边缘处变形最
大，容易开裂。内凹外缘翻边的变形程度可用
下式表示：
凹
b Rb
内凹外缘翻边的极限变形程度见表5.4。
表5.4 外缘翻边的极限变形程度
材料
L4M L4Y1 LF21M LF21Y1
板料毛坯的直径d0和允许轴向自由收缩的板料毛坯展开长度L0，按
下式计算
d0
d K
4. 胀形力的计算
L0 L(1 K1 ) b
5. 胀形的方法及其模具
胀形的方法有刚性凸模胀形、软模胀形、液体胀形等多种。
表5.7 胀形系数值
材料 高塑铝合金 纯铝 耐热不锈钢 低碳钢
厚度(mm)
0.5
1.0 1.2 2.0
0.5 1.0
0.5 1.0
材料许用延伸率(%) 极限胀形系数K
25
28 32 32
26～32 28～34
20 40
1.25
1.28 1.32 1.32
1.26～1.32 1.28～1.34
1.20 1.24
5.3 缩口
1. 变形特点 缩口的变形特点如图5.27所示。 2. 缩口系数 3. 壳体毛坯尺寸的计算 4. 缩口模
胀形的应变状态可以用网目法表示，胀形前先将毛坯变 形区画出许多小圆圈，胀形后毛坯变形区变薄，表面 积增大，圆圈形状发生了变化，如图5.12所示。在变 形区的底部、侧面和边缘的圆圈，其部位不同，圆圈 的变形就不同，即应变状态不同。图5.17(a)所示为底 部产生双向相等拉应变、，圆圈直径变大。图5.17(b) 所示为侧面产生单向拉应变，圆圈变成长圆形。图 5.17(c)所示为变形区边缘拉应变加大，并在y方向有 一比较小的压应变，圆圈变成细长圆形。