12金屬塑性沖壓工藝

金屬塑性沖壓工藝鄭州大學第12章金屬沖壓工藝【教學目標】1、通過本章的學習，應掌握沖裁、彎曲、拉伸等常見沖壓工藝的應用及變形特點；2、了解脹形、翻邊、縮口、旋壓等其他沖壓成形工藝的特點及應用；3、了解板料基本性能指數對沖壓成形性能的影響；4、了解各類板料成形模擬試驗的方法與目的?！窘虒W要求】知識要點掌握程度相關知識沖裁工藝了解沖裁變形區(qū)的受力特點及正常沖裁斷面的基本特征，理解沖裁模具間隙對沖裁斷面、沖裁力的影響。沖裁變形區(qū)的受力特點特點，沖裁變形過程，沖裁斷面的基本特征，沖裁模具間隙的選擇彎曲工藝掌握彎曲變形的應力應變特點，了解影響彎曲回彈的因素及減小措施，了解常見彎曲件質量缺陷產生原因及解決措施。彎曲回彈、最小彎曲半徑的概念，板料彎曲過程，影響彎曲回彈的因素拉深工藝了解圓筒形零件的拉深變形過程及其典型區(qū)域的應力應變特點，掌握圓筒形零件拉深系數及極限拉深系數的確定方法。拉深系數、極限拉深系數的概念，圓筒形零件的拉深變形過程，極限拉深系數的確定方法其他沖壓成形工藝了解脹形、翻邊、縮口、旋壓等其他沖壓成形工藝的特點及應用。脹形、脹形系數翻邊、翻邊、縮口、縮口系數、旋壓、旋壓系數的概念板料沖壓成形性能參數及試驗方法理解板料基本性能指數延伸率、屈強比等對沖壓成形性能的影響，了解各類板料成形模擬試驗的方法與目的。拉伸試驗，斯韋弗特試驗，擴孔試驗，彎曲試驗，福井錐杯試驗，凸耳試驗，愛立克森杯突試驗沖壓的概念與地位：沖壓是利用安裝在壓力機等設備上的模具，對在模具內的板料施加變形力，使板料產生變形，獲得一定形狀、尺寸和性能的產品零件的生產技術。沖壓是金屬塑性加工的主要加工方法之一，其加工原料一般為板料或帶料，所以也稱為板料沖壓。由于沖壓常在冷態(tài)下加工，因此也稱為冷沖壓。利用沖壓可以生產形狀簡單及復雜的產品，產品尺寸精度高，強度高、剛性好。沖壓操作簡單，便于實現機械化、自動化生產，產品生產率高，材料利用率高。所以沖壓工藝在汽車、拖拉機、電機、電氣、航空、軍工、電子、儀表及家電等生產領域占據十分重要的地位。沖壓加工因零件的形狀、尺寸和精度的不同，所采用的工序也不同。根據材料的變形特點可將沖壓：分為分離工序（沖裁、剪切）和成形工序（彎曲、拉深、脹形等）兩大類，本教材主要介紹沖裁、彎曲、拉伸、脹形等基本沖壓工序。12.1沖裁工藝12.1.1沖裁的概念及變形過程1.沖裁的基本概念沖裁是利用模具使板料沿著一定的輪廓形狀產生分離的一種沖壓工序。根據變形機理的不同，沖裁可分為普通沖裁和精密沖裁。通常說的沖裁是指普通沖裁，包括落料、沖孔、切口、刨切、修邊等。沖裁所使用的模具稱為沖裁模，如落料模、沖孔模，切邊模、切沖模等。沖裁工藝與沖裁模在生產中使用廣泛，它可為彎曲、拉深、成形、冷擠壓等沖壓工序制備毛坯，也可直接制作零件。經過沖裁以后，板料被分為帶孔部分和沖落部分，若沖裁的目的在于獲得一定形狀和尺寸的內孔，這種沖裁稱為沖孔；若沖裁的目的在于獲得具有一定外形輪廓和尺寸的零件，這種沖裁稱為落料。圖12.1為墊圈的生產工藝，需要經過外形輪廓的沖裁（落料）和內孔沖裁（沖孔）兩道工序才能完成。圖12.1墊圈沖裁中的落料與沖孔（a）落料；（b）沖孔圖12.2是模具對板料進行沖裁時的受力分析。該圖表明了無壓緊裝置沖裁時板料的受力情況，其中：F1，F2——凸、凹模對板料的垂直作用力；F3，F4——凸、凹模對板料的側壓力；μF1，μF2——模端面對板料的摩擦力，其方向與間隙大小有關，一般指向模具刃口；μF3，μF4——凸、凹模側面對板料的摩擦力。當凸模下降與板料接觸時，板料就受到凸、凹模端面的作用力。由于凸、凹模之間存在間隙，使凸、凹模施加于板料的力產生一個力矩，在無壓料板壓緊裝置時，力矩使板料產生彎曲，模具與板料僅在刃口附近的狹小區(qū)域內保持接觸。因此凸、凹模作用于板料的垂直壓力呈不均勻分布，越靠近模具刃口，垂直壓力急劇增大。圖12.2沖裁時作用于板料上的力1—凸模；2—板料；3—凹模沖裁時，由于板料彎曲的影響，其剪切區(qū)的應力狀態(tài)是復雜的，且與變形過程有關。對于無壓料板壓緊板料的沖裁，其剪切區(qū)應力狀態(tài)如圖12.3所示。一般凸模與凹模端面（即B與D點處）的靜水壓應力高于側面（A與E點處）的，且凸模刃口附近的靜水壓應力又比凹模刃口附近的高。

圖12.3沖裁時板料的應力狀態(tài)圖

3.沖裁變形的過程圖12.4為沖裁變形過程示意圖，大致分為以下三個階段：(1)彈性變形階段。凸模開始接觸板料并下壓，板料發(fā)生彈性壓縮與彎曲，并略微擠入凹模型孔里，此時材料內的應力沒有超過屈服點，若凸模卸除壓力，材料可恢復原狀。如圖12.4(a)所示。(2)塑性變形階段。凸模繼續(xù)加壓時，部分材料被擠入凹模型孔內，使材料產生塑性剪切變形，隨著凸模擠入板料深度的增大，塑性變形程度增大，沖裁變形抗力不斷上升，直至刃口附近產生裂紋為止，塑性變形階段結束，此時沖裁力達到最大值。如圖12.4(b)所示。(3)斷裂分離階段。凸模繼續(xù)下行，凸、凹模刃口部分材料的微細裂紋不斷向材料內部擴展，當凸模與凹模之間間隙合理時，上下裂紋能相互重合，從而使零件與板料分離，完成沖裁過程。如圖12.4(c)、(d)、(e)所示。圖12.4沖裁變形過程示意圖

從圖12.5所示沖裁力-凸模行程曲線可明顯看出沖裁變形過程的三個階段。圖中OA段是沖裁的彈性變形階段；AB段是塑性變形階段，B點為沖裁力的最大值，在此點材料開始剪裂；BC段為微裂紋擴展直至材料分離的斷裂階段；CD段主要是用于克服摩擦力將沖件推出凹?？卓跁r所需的力。

圖12.5

沖裁力-凸模行程曲線4.沖裁件的斷面形狀如圖12.6所示，沖裁件正常的斷面特征并不是光滑垂直的，存在以下四個特征區(qū)：(1)圓角帶。如圖12.6中的a區(qū)所示。圓角帶的形成是當凸模刃口壓入材料時，刃口附近的材料產生彎曲和伸長變形，被拉入間隙的結果。一般材料的塑性越好，凸模與凹模的間隙越大，圓角帶越大。(2)光亮帶。如圖12.6中的b區(qū)所示。光亮帶發(fā)生在塑性變形階段，當刃口切入材料后，材料被凸模與凹模的側表面擠壓而形成光亮垂直的斷面，通常占全斷面的30%~50%。間隙越小，材料的塑性越好，光亮帶就越寬。(3)斷裂帶。如圖12.6中的c區(qū)所示。斷裂帶在斷裂階段形成，其斷面特點是比較粗糙，且?guī)в行倍取Ｋ苄圆畹牟牧纤毫褍A向嚴重，斷裂帶所占比例也越大。圖12.6沖裁件的斷面形狀a區(qū)——圓角帶b區(qū)——光亮帶c區(qū)——斷裂帶d區(qū)——毛刺區(qū)

(4)毛刺區(qū)。如圖12.6中的d區(qū)所示。毛刺的形成是由于在塑性變形階段后期，凸模和凹模的刃口切人被加工的板料一定深度時，刃口正面材料被壓縮，刃尖部分是高靜水壓應力狀態(tài)，使微裂紋的起點不會在刃尖處發(fā)生，而是在模具側面距刃尖不遠的地方發(fā)生，在拉應力的作用下裂紋加長，材料斷裂面產生毛刺，在普通沖裁中毛刺是不可避免的。在四個特征區(qū)中，光亮帶剪切面的質量最佳。各個部分在整個斷面上所占的比例，隨材料的性能、厚度、沖裁模具間隙、刃口狀態(tài)及摩擦等條件的不同而變化。12.1.2沖裁模的間隙1.沖裁模的間隙模具間隙是指凸、凹模刃口間隙的距離，用符號Z/2表示，也稱單面間隙，Z為雙面間隙，如圖12.7所示。在普通沖裁中，間隙均為正值。模具間隙對沖裁件質量、沖裁力、模具壽命影響很大，是沖裁工藝與模具設計中的一個極其重要的工藝參數。圖12.7沖裁模的間隙1)模具間隙對沖裁件質量的影響沖裁時，板料斷裂面上下裂紋是否重合，與凸、凹模間隙的大小有關。當模具間隙合適時，凸、凹模刃口附近沿最大切應力方向產生的裂紋在沖裁過程中能會合，沖裁件的斷面質量較好，如圖12.8(b)所示。當模具間隙較小時，變形區(qū)內彎矩小、壓應力成分高，凹模刃口附近產生的裂紋進入凸模下表面的壓應力區(qū)而停止發(fā)展，由凸、凹模刃口附近產生的裂紋進入凹模下表面的壓應力區(qū)也停止發(fā)展，結果是上下裂紋不重合。兩條裂紋之間的金屬將被二次剪切，當上裂紋壓入凹模時，受到凹模壁的擠壓，產生第二光亮帶，同時部分材料被擠出，在表面形成薄而高的毛刺，如圖12.8(a)所示。當間隙過大時，如圖12.8(c)所示，上、下裂紋仍然不重合。因變形材料應力狀態(tài)中的拉應力成分增大，材料的彎曲和拉深也增大，材料容易產生微裂紋，使塑性變形較早結束。所以，斷面光亮帶變窄，斷裂帶、圓角帶增寬，毛刺和斜度較大，拱彎、翹曲現象顯著，沖裁件質量下降。圖12-8模具間隙對沖裁件斷面質量的影響2)模具間隙對沖裁力的影響隨著模具間隙的增大，材料所受的拉應力增大，材料容易斷裂分離，因此沖裁力減小。通常沖裁力的降低并不顯著。模具間隙對卸料力、推件力的影響比較顯著。間隙增大后，從凸摸上卸料和從凹模里推出零件都省力，當單邊間隙為材料厚度的15％~25％時，卸料力幾乎為零。但間隙繼續(xù)增大時，毛刺增大，引起卸料力、頂件力迅速增大。3)模具間隙對模具壽命的影響在沖裁過程中凸模要壓入材料，材料要被擠進凹模，材料對模具產生側壓力。間隙越小，側壓力越大，由此產生的摩擦力也越大，使凸、凹模側壁的磨損加劇，模具壽命大大降低。間隙較大時，凸模側面與材料的摩擦力小，減少了磨損。但間隙取得太大時，因彎矩與拉應力增大易導致刃口損壞，故不能無限制地取大間隙。2.模具間隙的選用在沖壓生產中，間隙的選用應主要考慮沖裁件的斷面質量和模具壽命這兩個主要的因素。能夠保證良好沖裁件斷面質量的間隙數值和可以獲得較高的沖模壽命的間隙數值也可能不一致。一般說來，當對沖裁件斷面質量要示較高時，應取較小間隙值，而當沖裁件的斷面質量要求不高時，則應盡可能加大間隙值以利于提高模具的壽命。確定沖模合理間隙的方法主要有：理論公式計算、經驗公式計算、經驗圖表確定等三種方法。由于理論計算法在生產中使用不方便，故目前間隙值的確定廣泛使用后兩種方法。1)經驗公式法實際生產中常采用下述經驗公式計算合理的模具間隙的數值：

Zmin/2=K·t

（12-1）式中，Zmin—合理的模具間隙值；

t—材料厚度；

K—與材料性能及厚度有關的系數。表2是GB/T16743-1997《沖裁間隙》所推薦的沖裁間隙值系數選擇，該表適用于厚度為10mm以下的金屬材料，當料厚為≤1.0mm時，各類間隙取其下限值。2)經驗圖表法合理的間隙值也可以直接從有關沖壓設計資料中的沖裁模間隙表中獲得。表12-2金屬材料沖裁間隙系數（GB/T16743-1997）材料抗剪強度τ/MPa初始間隙系數（單邊間隙），%Ⅰ類Ⅱ類Ⅲ類低碳鋼08F、10F、10、20、Q235-A≥210~2403.0~7.07.0~10.010.0~12.5中碳鋼

45不銹鋼

1Cr18Ni9Ti、4Cr13膨脹合金（可伐合金）4J29≥420~5603.5~8.08.0~11.011.0~15.0高碳鋼T8A、T10A、65Mn≥590~9308.0~12.012.0~15.015.0~18.0純鋁

L2、L3、L4、L5鋁合金（軟態(tài)）LF21黃銅（軟態(tài)）H62紫銅（軟態(tài)）T1、T2、T3≥65~2552.0~4.04.5~6.06.5~9.0黃銅（硬態(tài)）H62鉛黃銅

HPb59-1紫銅（硬態(tài)）T1、T2、T3≥290~4203.0~5.05.5~8.08.5~11.0鋁合金（硬態(tài)）LY12錫磷青銅QSn4-4-2.5鋁青銅

QAl7鈹青銅

QBe23.5~6.07.0~10.011.0~13.0鎂合金

MB1、MB8≥120~1801.5~2.5電工硅鋼D21、D31、D411902.5~5.05.0~9.012.1.3沖裁力沖裁力是選擇沖壓設備噸位和檢驗模具強度的一個重要依據。平刃沖模的沖裁力可按下式計算：P=kLtτ

（12-2）式中，P—沖裁力（N）；L—沖裁周邊長度（mm）；

t—材料厚度（mm）；τ—材料抗剪強度（MPa）；

k—系數，它是考慮到實際生產中的各種因素而給出一個修正系數，一般取k=1.0~1.3。對于沖裁工藝來說，實際材料的抗沖剪強度τ一般取該材料抗拉強度σb的70%~85%，為便于估算，通常取σb的80%。12.2彎曲工藝12.2.1彎曲的概念及板料彎曲過程1.彎曲工藝概述彎曲是將板料、棒料、管料或型材等發(fā)生塑性變形，彎成一定形狀、角度或曲率零件的成形方法，屬于板料沖壓的成形工序，是沖壓成形的基本工序之一。生產中彎曲件的形狀很多，如V型件、U型件、帽形件、圓弧型件等（如圖12.9所示）。這些零件可以在壓力機上用模具彎曲，也可以用專用彎曲機進行折彎、拉彎或滾彎等。雖然各種彎曲方法所使用的工具及設備不同，但其變形過程和變形特點有共同規(guī)律，下面簡要介紹彎曲變形過程的基本規(guī)律。圖12.9

生產中常見的彎曲件示例2.板料彎曲變形過程圖12.10為板料在V形模內的彎曲變形過程。在彎曲開始時，板料在凸模作用下，產生彈性變形。隨著凸模下壓，板料與凹模工作表面逐漸靠緊，彎曲半徑由R0變?yōu)镽1，彎曲力臂由l0變?yōu)?/p>

l1。凸模繼續(xù)下壓，板料彎曲區(qū)逐漸減小，直到與凸模三點接觸，此時曲率半徑已由R1變?yōu)镽2，彎曲力臂也由l1變?yōu)閘2。此后，板料直邊部分則向與以前相反的方向變形，直至圓角、直邊與模具全部貼合，此為彎曲過程的塑件變形階段。以上整個過程均為自由彎區(qū)。而在行程終了時，凸、凹模對板料進行鐓壓，沖床和模具產生彈性變形，彎曲力瞬間急劇增加，使制件形狀獲得校正，這就是校正彎曲。圖12.10彎曲過程3.彎曲過程的變形特點為便于觀察板料彎曲時的金屬流動情況，分析材料的變形特點，借助網格分析法（如圖12.11所示），可以得到彎曲過程板料在長度、厚度及寬度方向的變形特點。圖12.11彎曲變形網格示意

1)長度方向的變形特點只有在彎曲中心角的范圍內，網格才發(fā)生顯著的變化，而在板料平直部分，網格仍保持原來狀態(tài)。這表明彎曲變形區(qū)域主要是在制件的圓角部分。在彎曲圓角變形區(qū)內，內側區(qū)域金屬切向受壓而縮短，外側區(qū)域金屬切向受拉而伸長。由于材料變形的連續(xù)性，在伸長和縮短兩個變形區(qū)域之間，有一層金屬纖維的長度在彎曲前后保持不變，這一層金屬稱為應變中性層。中性層的長度是計算彎曲件原始板料長度的重要依據，中性層的彎曲半徑r由下式計算：

r=r0+Kt

（12-3）式中，r-—中性層的彎曲半徑；r0—板料內彎曲半徑；

K—中性層系數，見表12-2，表中K適用于有壓料情況的V形或U形壓彎，K1適用于無壓料的V形壓彎；

t—板料厚度。表12-2中性層系數Kr0/t≤0.10.20.250.30.40.50.81.01.52.03.04.05.0≥6.5K0.230.280.30.310.320.330.340.350.370.40.430.450.480.5K10.30.330.350.350.350.360.380.40.420.440.470.4750.480.52)厚度方向的變形特點在彎曲過程中，以應變中性層為界，內側金屬切向受壓而變厚，外側金屬切向受拉而變薄。由于內側金屬的增厚受到凸模的限制，因此內側金屬的增厚量小于外側金屬的減薄量，總體上表現出厚度減薄的特點。一般用實驗測得的變薄系數表示變薄的程度，ξ等于彎曲后材料厚度與彎曲前材料厚度之比。ξ值與板料相對彎曲半徑（彎曲半徑與板厚之比r/t）有關，ξ值總是小于1，參見下表。附表變薄系數ξr/t0.10.250.512345﹥10ξ0.820.870.920.960.9850.9920.9950.99813)寬度方向的變形特點從彎曲件變形區(qū)域的橫斷面看，根據板寬B與板厚t的相對大小分兩種情況：(1)對于窄板(b＜3t)。彎曲時內側材料受到切向壓縮后，便向寬度方向流動，使板寬增大，而在彎曲區(qū)外側的材料受到切向拉伸后，則寬度變窄，結果使斷面略呈扇形，如圖12.18(a)所示。(2)對于寬扳(b＞3t)。由于彎曲時寬度方向變形阻大，材料不易流動，因此彎曲后在寬度方向無明顯變化，斷面仍為矩形，如圖12.18(b)所示。圖12.12

橫斷面形狀變化12.2.2彎曲回彈1.彎曲回彈現象彎曲回彈是彎曲成形時常見的現象，如圖12.13所示。板料塑性彎曲時和所有塑性變形一樣，都伴有彈性變形，當變形結束、工件不受外力作用時，由于彈性變形部分的恢復，使彎曲件的彎曲中心角和彎曲半徑變得與模具的尺寸不一致，這種現象稱為彎曲件的彎曲回彈（簡稱回彈)?；貜検箯澢膸缀尉仁艿狡茐?，是彎曲件生產中不易解決的一個特別棘手的問題。從圖12.13可以看到，彎曲回彈表現在以下兩點：

圖12.13彎曲回彈現象(1)彎曲件曲率減小。卸載前彎曲中性層的半徑為ρ，卸載后增加至ρ′，曲率則由卸載前的1/ρ減小至卸載后的1/ρ′，曲率的減小量△K為：△K=1/ρ-1/ρ′(12-4)(2)彎曲中心角減小。卸載前彎曲變形區(qū)的彎曲中心角為α，卸載后減小至α′，所以彎曲中心角減小值△α為：△α=α-α′(12-5)

對應彎曲角β的增大量為：△β=β-β′(12-6)以上曲率的減小量△K、彎曲中心角減小值△α、彎曲角增大量△β即為彎曲件的回彈量。2.影響彎曲回彈的因素(1)材料的機械性能。材料的彈性模數越小，屈服極限和抗拉強度等與變形抗力有關的數值越大，則回彈也越大。(2)相對彎曲半徑（r/t）。相對彎曲半徑越小，板料的變形程度越大，在板料中性層兩側的純彈性變形區(qū)以及塑性交形區(qū)總變形中的彈性變形的比例減小，所以回彈值就越小。(3)彎曲中心角（α）。彎曲中心角越大，則變形區(qū)域回彈積累值（r·α）越大，回彈角越大。但對彎曲半徑的回彈沒有影響。(4)彎曲件形狀。相對彎曲半徑r/t相同的條件下，U形件的回彈由于兩邊互相牽制一般小于V形件的回彈。形狀復雜的彎曲件一次彎成時，由于各部分相互牽制以及彎曲件表面與模具表面間的摩擦，也使回彈困難，因而回彈角較小。(5)摩擦條件。被彎曲的板料表面與模具之間的摩擦，可以改變板料各部分的應力狀態(tài)，一般認為，摩擦在大多數情況下可以增大彎曲變形區(qū)的拉應力，使彎曲件形狀更接近模具的形狀，卸載后回彈也小。(6)模具間隙。在U形彎曲時，彎曲凸凹模的間隙大小對回彈有直接影響。間隙越小，摩擦越大，模具對板料的擠壓作用越明顯，可有效抑制回彈。相反，模具間隙越大，回彈也越大。(7)彎曲方式。板料的彎曲方式有自由彎曲和校正彎曲兩類，自由彎曲回彈值大，校正彎曲回彈值小。校正彎曲是在工作終了前，凸模和凹模對變形板料加以鐓壓作用，不僅使彎曲變形外區(qū)的拉應力有所減小，而且使外區(qū)靠近中性層附近的材料出現壓應力。隨著壓應力加大，致使板料大部分斷面出現壓應力，外區(qū)回彈方向與內區(qū)回彈方向趨于一致，最終使得回彈量大為減小。3.減小彎曲回彈的措施1)改善彎曲件的回彈工藝性增加部件變形部位的剛性，常用的方法有設計加強筋，在彎曲處壓出加強筋（如圖12.14所示），使彎曲件回彈比較因準，這樣既能增加彎曲件尺寸的準確性，又能提高彎曲件的剛度。圖12.14在彎曲區(qū)壓制加強筋設計有利于彎曲變形的彎曲形狀，如采用最有利的相對彎曲半徑、適當的彎曲角、對稱而又有足夠高度的直邊等。2)選用合適的彎曲材料在滿足彎曲件使用要求的前提下，盡可能選用彈性模數大、屈服極限小、加工硬化指數小、機械性能比較穩(wěn)定、板厚均勻的材料。對一些硬材料和已經冷作硬化的材料，彎曲前先進行退火處理，降低其硬度以減少彎曲時的回彈，待彎曲后再淬硬。在條件允許的情況下，甚至可使用加熱彎曲。3)采用正確的彎曲工藝(1)改善彎曲方式。對彎曲精度要求高的制件，應盡可能采用帶有壓料板的校正彎曲，充分利用彈簧、橡膠等彈性元件所產生的壓力來控制回彈。(2)采用校正彎曲。用校正彎曲代替自由彎曲，減小回彈量。通常當彎曲變形區(qū)材料的校正壓縮量為板厚的2%~5%時，就可以得到較好的效果。

(3)采用補償法。如所示，在模具結構設計上，可根據彎曲件的回彈趨勢，進行修正彎曲凸?；虬寄５男螤詈统叽?，從而使彎曲件的回彈量得到補償。圖12.15

補償法減小回彈(4)采用拉彎工藝。拉彎是一種較為特殊的彎曲方法，在拉彎時，彎曲毛坯的兩端夾持在兩個由液壓裝置驅動的夾頭里，在縱向拉力作用的同時，使材料在受拉的狀態(tài)下完成彎曲變形，如圖12.16所示。由于在彎曲件彎曲的同時施加一軸向拉力，其數值要使彎曲件斷面內的應力稍大于材料的屈服極限，這樣在彎曲時將使材料內應力均為拉應力，從而減小回彈。

圖12.16拉彎工藝4.彎曲裂紋與彎曲最小半徑1)產生彎曲裂紋的原因產生彎曲裂紋的原因主要有：①材料塑性差；②彎曲方向與板料纖維方向不符合規(guī)定；③彎曲半徑過小，致使彎曲時外層金屬變形程度超過變形極限；④毛坯剪切和沖裁斷面質量差；⑤凸、凹模圓角磨損或間隙過小，進料阻力大，易把材料拉裂；⑥潤滑不良，摩擦阻力大；⑦料厚尺寸嚴重超差以及酸洗質量差等。2)最小彎曲半徑彎曲件內層的彎曲半徑，即凸模的圓角半徑，對彎曲件質量有很大關系。因為彎曲半徑越小，則工件外層纖維的拉長越厲害。如果外層纖維的伸長率超過一定限度就會被拉斷，故彎曲件應有一個最小的允許彎曲半徑rmin來限制。

影響最小彎曲半徑rmin的因素有：(1)材料的機械性能和熱處理狀態(tài)。對塑性差的材料(材料的斷面收縮率ψ、延伸率δ值小)，由于彎曲時外層纖維的最大允許變形量小，因此最小彎曲半徑值rmin應該大一些。此外，彎曲材料經沖裁工序后，在斷面周圍產生冷作硬化，塑性降低，因此沖裁后未經退火的材料的最小彎曲半徑rmin值也應該大一些。(2)彎曲線的方向。彎曲線與材料纖維方向垂直時，rmin值小，平行時則大。因為經過軋制的材料，垂直和平行于纖維方向具有不同的機城性能。后者的機極性能較差，若彎曲線與纖維方向平行，常會產生裂紋。(3)坯料表面質量。彎曲時將有毛刺或表面質量相對較差的一面置于彎曲的內側，則rmin值可較小。5.彎曲件常見的質量問題表12-5彎曲件產生廢品的原因及消除方法廢品或缺陷類型產生原因消除方法彎曲件的形狀和尺寸改變金屬的彈性變形修正凸、凹模定位裝置不正確修正定位裝置工件彎曲邊緣上有刻痕凹模圓角半徑過小增大圓角半徑模具表面粗糙或間隙不準拋光模具工作面及調整間隙工件彎區(qū)部位周邊有波紋間隙大減小間隙彎曲處變薄多

凸模圓角半徑小增大圓角半徑彎曲時材料卡在凸、凹模間改變模具結構彎角處有皺紋彎角半徑小增大凸模圓角半徑彎曲方向與材料纖維方向平行改變排樣凸模圓角部分磨損凸、凹模間隙小增大間隙凸模硬度低增大凸模硬度彎角處有裂縫彎角半徑過小增大凸模圓角半徑毛坯毛刺面向外將毛坯面反向，光的一面向外材料塑性差退火或改用軟性材料12.3拉深工藝12.3.1拉深的概念及板料拉深變形過程1.拉深工藝概述將剪裁或沖裁成一定形狀的平板毛坯，通過拉深模制成各種形狀的開口空心零件的工序稱為拉深(或稱拉延)，拉深工藝是常用的塑性加工工藝之一。拉深模的凸模與凹模的工作部分均有較大的圓角，凸、凹模之間的間隙一般大于板料厚度。圖12.17是部分拉深件示意圖。用拉深工藝可以制成筒形、錐形、球形、方盒形和其它不規(guī)則的薄壁零件，還可以與其它成形工序配合，制成形狀極為復雜的零件。拉深工藝廣泛用于汽車、拖拉機、儀器儀表、電子、航空和航天等各種工業(yè)部門和民用日常生活用品的生產中。圖12.17

部分拉深件示意圖沖壓生產中拉深件的種類繁多，由于其幾何形狀的特點不同，雖然它們的生產過程都叫做拉深，但是變形區(qū)的位置、變形的性質、毛坯各部分的應力狀態(tài)和分布規(guī)律等都有相當大的，甚至是本質上的差別，所以確定工藝參數、工序數目與順序，以及設計模具的原則和方法都不一樣。各種拉深件按照變形力學的特點可以分為：直壁圓筒零件、盒形件、曲面形狀零件（指曲面旋轉體）和非旋轉體曲面形狀零件的等四種類型。每種類型的拉深件都有自己變形的特點，因而可用相同的觀點和方法去研究同一類型拉深件的沖壓成形問題。對不同類型的拉深件，由于在變形上有著根本性的差別，因此出現的質量問題的形式和解決的方法，以及工藝參數的含義和確定的原則等也不一樣，必須分別處理。2.圓筒形零件的拉深變形過程典型圓筒形零件的拉深過程如圖12.18所示。拉深所用的模具一般是由凸模、凹模和壓邊圈(有時可不用壓邊圈)三部分組成。凸、凹模的結構和形狀不同于沖裁模，它們沒有鋒利的刃口，而是做成具有一定半徑的圓角，凸、凹模之間的間隙稍大于板料的厚度。在拉深時，直徑為D的平板毛坯同時受到凸模和壓邊圈的作用，其凸模的壓力大于壓邊圈的壓力，坯料在凸模的壓力下，隨凸模進入凹模，最后使坯料拉深成開口的圓筒形件。

圖12.18

圓筒形拉深件的拉深過程1—凸模；2—壓邊圈；3—凹模；4—坯料；5—拉深件為了分析金屬的流動變形過程，可以借助網格法進行研究。如圖12.19所示，在初始未變形的圓形毛坯上畫許多間距都等于a的同心圓和分度相等的輻射線，由這些同心圓和輻射線組成很多扇形網格（除中心為圓形）。圖12.19

拉深件變形前后的網格變化拉深后，圓筒形底部的網格基本保持原來的形狀，而筒壁部分的網格則發(fā)生了很大的變化：（1）原來的同心圓變?yōu)橥脖谏系乃綀A筒線，而且其間距a也增大了，越靠近筒的口部增大越多，即a1＞a2＞a3＞…＞an。（2）原來分度相等的輻射線變成了筒壁上的垂直線，其間距則完全相等，即b1=b2=b3=…=bn。（3）如果拿網格中一個小單元體來看，在拉深前是扇形F1，在拉延中，由于毛坯整體內材料相互制約，相互作用，使徑向相鄰單元體之間產生了拉應力σ1，切向相鄰單元體之間產生了壓應力σ3。扇形小單元體在σ1作用下，直徑方向被拉長；在σ3的作用下，切向方向被壓縮，因此拉深后變成矩形小單元體F2。（4）由于材料厚度變化很小，可認為拉深前后小單元體的面積近似不變，即F1＝F2。小單元體F2即形成零件的筒壁。拉深變形過程可以歸結如下：在拉深力作用下，毛坯內部的各個小單元體之間產了內應力，在徑向產生拉應力，在切向產生壓應力。在這種應力作用下，凸緣區(qū)的材料發(fā)生塑性變形并不斷地被拉入凹模內，成為圓筒子形零件。3.拉深過程中的應力應變特點將拉深后的零件剖開，測量的各部分厚度和硬度是不一致的：①底部略有變薄，但基本上等于原毛坯的厚度；②壁部上端增厚，越靠近上緣增厚越大；③壁部下端變薄，越靠近圓角處變得越?。虎苡杀诓肯虻撞哭D角稍上處，出現嚴重變薄，甚至斷裂；⑤沿高度方向，零件各部分的硬度也不一樣，越到上緣硬度越高。圖12.20所示為拉深圓筒形件的側壁上厚度和硬度的變化規(guī)律，硬度的大小可以間接反應變形程度的大小。由此可見，在拉延過程的不同時刻，毛坯各部分的應力應變狀態(tài)是不一樣的。圖12.19拉深圓筒形件的側壁上厚度和硬度的變化規(guī)律設在拉深過程中的某一時刻工件已處于圖12.21所示的應力應變狀態(tài)，圖中：σ1，ε1—分別為坯料徑向方向的應力與應變；σ2，ε2—分別為坯料厚度方向的應力與應變；σ3，ε3—分別為坯料周向（切向）方向的應力與應變。根據圓筒件各部位應力應變狀態(tài)的不同，可將整個拉深毛坯劃分為5個區(qū)域：

a)法蘭區(qū)凸緣部分—主要成形區(qū)

b)凹模圓角部分—過渡區(qū)

c)筒壁部分—傳力區(qū)

d)凸模圓角部分—過渡區(qū)

e)筒底部分—小變形區(qū)各區(qū)的應力、應變特點情況如下。圖12.21

筒形件拉深時各部分的應力應變特點1)法蘭區(qū)凸緣部分—主要成形區(qū)

這是拉深變形的主要區(qū)域，也稱為成形區(qū)或變形區(qū)。這部分材料在徑向應力σ1和切向壓應力σ3的作用下，發(fā)生塑性變形而逐漸進入凹模。由于壓邊圈的作用，在厚度方向產生壓應力σ2。通常σ1和σ3的絕對值比σ2大得多，材料的流動主要是徑向延展，同時也向毛坯厚度方向流動而增厚，這時厚度方向的應變ε2是正值。因此本部分應變是兩向伸長、一向壓縮的變形特點。由于越靠邊緣需要轉移的材料越多，因此越到坯料外邊緣材料變得越厚，硬化也越嚴重。假若不用壓邊圈，則σ1=0。此時的ε1要比有壓邊圈時大，當需要轉移的材料面積較大而板材相對又較薄時，毛坯的邊緣部分，尤其是最外緣部分，受切向壓應力σ2的作用極易失去穩(wěn)定而拱起，出現起皺缺陷，如圖12.22所示。圖12.22

拉深毛坯的邊緣部分的受力及起皺缺陷2)凹模圓角部分—過渡區(qū)

這屬于過渡區(qū)，材料變形比較復雜，除有與法蘭部分相同的特點外，還由于承受凹模圓角的壓力和彎曲作用而產生壓應力σ2的作用。此區(qū)域的變形狀態(tài)是徑向伸長，切向、厚向壓縮，徑向應變ε1是絕對值最大的主應變，此處材料厚度有所減薄。3)筒壁部分—傳力區(qū)

這部分材料已經變形完畢成為筒形，也稱為傳力區(qū)或已成形區(qū)。此時不再發(fā)生大的變形，繼續(xù)拉深時，凸模的拉深力要經由筒壁傳遞到法蘭區(qū)凸緣部分。如果間隙適當，周向拉應力σ2很小，厚向壓應力σ3也很小，可以認為基本承受單向拉應力σ1的作用，發(fā)生少量的縱向（坯料徑向）伸長和變薄。4)凸模圓角部分—過渡區(qū)該區(qū)材料除承受徑向和切向拉應力σ1和σ3外，還由于凸模圓角的壓力和彎曲作用，在厚度方向承受壓應力σ2。凸模圓角稍上處（即筒壁與圓角相切處）是拉深件的危險斷面，這是由于：①該處拉深開始便處于凸模、凹模之間，材料基本沒有增厚，傳遞拉深力的截面積較小，產生的拉應力σ1較大；②該處材料加工硬化較弱，材料的屈服強度較低；③該處不像底部圓角處存在較大的摩擦阻力，因此在拉深過程中，該處變薄最為嚴重，成為零件強度最薄弱的斷面。因此，拉深過程中若此處的應力σ1超過材料的抗拉強度，則拉深件將在此處拉裂（如圖12.23所示），或者變薄超差。圖12.23

筒壁的拉裂5)筒底部分—小變形區(qū)該部分材料處于凸模下面，直接承受凸模施加的拉深力并將其傳遞給筒壁，因此該區(qū)也是傳力區(qū)。該區(qū)域受力特點是承受雙向拉應力σ1和σ3的作用，應變特點是厚向壓縮，徑向、周向兩向拉伸。由于凸模圓角處的摩擦阻礙了筒底材料的向外流動，故圓筒底部變形很小，一般可忽略不計。12.3.2圓筒形拉深的工藝性設計1.毛坯的計算原則及方法1)毛坯的計算原則毛坯的計算原則是毛坯的平面面積應等于工件的表面積。毛坯直徑按下式確定：（12-7）式中，A—拉深件的表面積；

Ai—拉深件分解成的簡單幾何體的某一個的表面積。2)修邊余量的確定由于金屬材料的各向異性，以及拉深時金屬流動條件、模具幾何形狀等因素的影響，在實際拉深過程中會造成拉深件口部不整齊，因此在多數情況下采取加大工件高度或凸緣寬度的辦法留出切邊余量，以保證零件質量。所以，在確定毛坯的面積時，應該考慮修邊的余量。附表1和附表2分別是無凸緣圓筒形拉深件和有凸緣圓筒形拉深件的修邊余量。附表1無凸緣圓筒形拉深件的修邊余量工件高度h工件的相對高度h/d附圖＞0.5~0.8＞0.8~1.6＞1.6~2.5＞2.5~4≤10＞10~20＞20~50＞50~100＞100~150＞150~200＞200~250＞2501.01.22.03.04.05.06.07.01.21.62.53.85.06.37.58.51.52.03.35.06.58.09.010.02.02.54.06.08.010.011.012.0附表2有凸緣圓筒形拉深件的修邊余量(mm)凸緣直徑

dt凸緣的相對直徑

dt/d附圖1.5以下＞1.5~2＞2~2.5＞2.5~3≤25＞25~50＞50~100＞100~150＞150~200＞200~250＞2501.62.53.54.35.05.56.01.42.03.03.64.24.65.01.21.82.53.03.53.8

4.0

1.01.62.22.52.72.83.02.圓筒形零件拉深系數及極限拉深系數的確定在制定拉深工藝和設計拉深模具時，需要預先確定該拉深件是一次拉成還是多次拉成。從拉深過程的分析可知，拉延件的起皺和拉裂是拉深件的主要質量問題，而其中拉裂是首要問題。拉深試驗表明，當工件需要的毛坯直徑很大時，往往需要多次拉深，以減小危險斷面的變形抗力。零件究竟需要幾次才能拉成，是與拉深系數有關的，拉深后零件的直徑d與拉深前毛坯直徑D之比稱為拉深系數m。圖12.24是圓筒形零件多次拉深示意圖，依拉深系數的定義，各次拉深的拉深系數分別為：m1=d1/Dm2=d2/d1……mn=dn/dn-1把工件的直徑dn與拉深前毛坯直徑D之比稱為總拉深系數m總：m總=dn/D=（d1/D）·（d2/d1）·…·（dn/dn-1）=m1·m2·…·mn圖12.24

圓筒形零件多次拉深示意圖拉深系數表示了拉深前后毛坯直徑的變化量，也就是說，拉深系數反映了毛坯外邊緣在拉深時的切向壓縮變形的大小。因此，可以認為拉深系數是拉深時毛坯變形程度的另一種簡便而實用的表示方法。拉深系數的倒數稱為拉深程度或拉深比。在拉深變形時筒壁不被拉破的最小拉深系數，叫做極限拉深系數。當拉深系數達到極限值時，毛坯圓筒側壁的拉深應力的最大值接近于材料的抗拉強度σb，這時將會出現側壁的破壞，以致無法進行拉深變形。與極限拉深系數相對應的有極限拉深比（LDR），它是極限拉深系數的倒數。極限拉深系數決定于板材的機械性能、毛坯的相對厚度t/D、沖模工作部分的圓角半徑與間隙、沖模的類型、拉深速度、潤滑條件等。表12-3和12-4是圓筒形件在不同條件下各次拉深的極限拉深系數。表12-3圓筒形件極限拉深系數（無壓邊圈情況）備注：

(1)表中的拉深系數適用于08、10和15Mn等低碳鋼及軟化的H62黃銅。對拉深性能較差的材料如20、25號鋼及A2、A3、硬鋁等，應將表中值增大1.5~2.0%；而對塑性更好的材料如05、08、10深沖鋼和軟鋁等，可將表中值減小1.5~2.0%。

(2)表中值適用于未經中間退火的拉深，若采用中間退火工序時，可將表中值減小2~3%。

(3)表中較小值適應于大的凹模圓角半徑rd＝(8~15)t；較大值適應于小的凹模圓角半徑rd＝(4~8)t。拉深系數毛坯的相對厚度

(t/D)×1002.0~1.51.5~1.01.0~0.60.6~0.30.3~0.150.15~0.08m1m2m3m4m50.48~0.500.37~0.750.76~0.780.78~0.800.80~0.820.50~0.530.76~0.780.78~0.790.80~0.810.82~0.840.53~0.550.76~0.780.79~0.800.81~0.820.84~0.850.55~0.580.78~0.790.80~0.810.82~0.830.85~0.860.58~0.600.79~0.800.81~0.820.83~0.850.86~0.870.60~0.630.80~0.820.82~0.840.85~0.860.87~0.88表12-4圓筒形件極限拉伸系數（有壓邊圈情況）拉深次數坯料相對厚度（t/D）×1001.52.02.53.0＞3.0m10.550.600.550.530.50m20.800.750.750.750.70m30.840.800.800.800.75m40.870.840.840.840.78m50.900.870.870.870.82m6—0.900.900.900.85注：此表適用于08、10及15Mn等材料，其余同表12-8。在進行沖壓工藝過程設計時，知道極限拉深系數后，就可根據圓筒形零件的尺寸和平板毛坯的尺寸，從第一道拉深工序開始逐步地向后推算，即可求出所需的拉深工序數量、中間毛坯的尺寸。實際生產中，為了保證零件的質量，一般都選用稍大于極限值拉深系數。表12-5是無凸緣圓筒拉深件相對高度H/d與拉深次數的經驗關系，已知拉深件相對高度H/d，根據該表即可確定需要的拉伸次數。拉深次數坯料相對厚度（t/D）×1002.0~1.51.5~1.01.0~0.60.6~0.30.3~0.150.15~0.0810.94~0.770.84~0.650.71~0.570.62~0.500.52~0.450.46~0.3821.88~1.501.60~1.321.36~1.101.13~0.940.96~0.830.90~0.7033.5~2.72.8~2.22.3~1.81.9~1.51.6~1.31.3~1.145.6~4.34.3~3.53.6~2.92.9~2.42.4~2.02.0~1.558.9~6.66.6~5.15.2~4.14.1~3.33.3~2.72.7~2.0表12-5無凸緣圓筒拉深件相對高度H/d與拉深次數的關系12.3其他沖壓成形工藝12.3.1脹形1.脹形概念及應用利用模具強迫板料厚度減薄和表面積增大，所獲取零件幾何形狀的沖壓加工方法叫做脹形。脹形是沖壓變形的一種基本形式，也常與其他變形方式結合出現在復雜零件的沖壓過程中。脹形主要用于：①平板毛坯的局部成形；②圓柱形空心毛坯的脹形；③管類毛坯的脹形（波紋管）；④平板毛坯的拉形。脹形可用不同方法實現，如剛模脹形、橡皮脹形和液壓脹形等。沖壓生產中的起伏成形、圓柱形空心毛坯的凸模脹形、波紋管的成形及平板張拉成形等均屬于脹形成形方式。汽車覆蓋件等形狀比較復雜的零件成形也常常包含脹形成分。2.平板毛坯脹形平板毛坯脹形，也稱起伏成形或局部成形。根據工件的要求，可以在板上壓出各種形狀，如壓筋、壓包、壓字、壓花紋、壓標示等，可以增加工件的剛度，還可以起裝飾作用。圖12.25是用球頭凸模脹形的示意圖，這種脹形方法可視為純脹形。純脹形時，毛坯被帶有拉深筋的壓邊圈壓死，變形區(qū)限制在拉深筋以內的毛坯中部，在凸模作用下，變形區(qū)大部分材料受雙向拉應力作用（厚度方向的應力可忽略），沿切向和徑向產生拉伸應變使材料厚度減薄、表面積增大，并在凹模內形成一個凸包。一般來講，脹形破裂總是發(fā)生在材料厚度減薄量最大的部位，所以變形區(qū)的應變分布是影響脹形成形極限的重要因素。若零件件形狀和尺寸不同，脹形時的應變分布也不相同。一般球形凸模脹形時，應變分布比較均勻，各點的應變量都比較大，能獲得較大的脹形高度，故成形極限較大。圖12.25

球頭凸模脹形示意1—凸模；2—拉深筋；3—壓邊圈；4—毛坯；5—凹模3.管材脹形（脹管）管材脹形是依靠材料的拉伸，在壓力的作用下使直徑較小的管坯沿徑向向外擴張的成形工序。根據工件的要求，既可以對管坯進行局部擴張，也可以對整個管坯進行擴張。根據成形所使用的模具類型，可以將脹形分為剛模脹形和軟模脹形。剛模脹形主要是采用剛性分塊式凸模實現脹形。軟模脹形主要是利用彈性體（聚氨酯、天然橡膠、聚氯乙烯）或液體（油、乳化液和水）、氣體代替剛性凸模的作用對管坯進行脹形。在脹管中，主要變形區(qū)的應力特點是：承受雙向拉應力的平面應力狀態(tài)（忽略厚度應力），脹形變形區(qū)的應變?yōu)閮上蚶?、一向收縮，如圖12.26（a）所示。圖12.26

脹管變形的應力應變大多數情況下，管坯在內壓力和軸向壓力共同作用下脹形。施加軸向壓力的結果，不僅使管坯在脹形過程中產生軸向壓縮變形，以補償變形區(qū)材料的不足，而且使脹形區(qū)的應力應變狀態(tài)得到了改善。當施加的軸向力足夠大時，脹形區(qū)母線方向的拉應力變?yōu)閴簯?，成為?壓的平面應力狀態(tài)，變形也由兩向拉伸、一向壓縮變?yōu)閮上驂嚎s、一向拉伸狀態(tài)，如圖12-25（b）所示。極限變形程度不僅與材料的伸長率有關，而且受軸向壓縮量、軸向壓力和內壓力大小以及兩壓力比值的影響。軸向推力脹管在液壓脹形中應用中應用得更普遍。液壓成形是一項很重要的脹形工藝，它可以生產飛機、汽車等交通工具和日用品上的復雜管材。在管材液壓脹形工藝中，管坯在液壓作用下進行擴張，同時管子在軸向和徑向擠壓，最后管子在高壓下沿模具內腔輪廓成形。隨著汽車工業(yè)對減排減重的要求，對低密度、高強度的鋁合金和鎂合金輕量化構件的需求越來越大，如汽車排氣管件、三通管、副車架等零件的生產，液壓內高壓成形技術憑借在輕量化構件設計制造上的優(yōu)勢，已引起人們的廣泛關注。4.脹形系數脹形變形程度用脹形系數Kz來表示：

Kz=d/d0≤0.8δ+1(12-8)式中，d—脹形后坯料的直徑；

d0—脹形前坯料的直徑；

δ—材料的延伸率。如果脹形零件的表面要求高，過大的塑性拉伸變形會引起表面粗糙，這時δ值應取板材的均勻變形階段的延伸率。材料的極限脹形系數可以通過實驗測定，也可查閱有關資料。影響極限脹形系數的主要因素是材料的塑性。經幾道拉深而成的脹形坯料，應在脹形前退火以恢復材料的塑性。脹形的形狀有利于變形均勻、材料厚度大、軸向施加壓力、變形區(qū)局部施加壓力、變形區(qū)局部加熱等因素，均能不同程度地提高變形程。而坯料上各種表面損傷、不良潤滑等因素，均能降低變形程度。12.3.2翻邊1.翻邊工藝概念及分類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做翻邊。利用翻邊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孔（圓孔或非圓孔）翻邊、外緣翻邊和變薄邊等方法，圖12.27是常見的內孔翻邊和外緣翻邊件示例。由于零件外緣凸凹性質不同，外緣翻邊又可分為內曲翻邊和外曲翻邊。按變形性質劃分時，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。

圖12.27

常見的翻邊件示例伸長類翻邊的特點是：變形時材料受拉應力，切向產生伸長變形，導致厚度減薄，容易發(fā)生破裂。如圓孔翻邊、外緣內曲翻邊等。壓縮類翻邊特點是：變形區(qū)材料切向受壓縮應力，產生壓縮變形，厚度增大，容易起皺，如外緣的外曲翻邊。非圓孔翻邊經常是由伸長類翻邊、壓縮類翻邊和彎曲組合起來的復合成形。2.圓孔翻邊工藝1)圓孔翻邊的受力分析圖12.27為圓孔翻邊示意圖。翻邊時，帶有圓孔的環(huán)形毛坯被壓邊圈壓死，即變形區(qū)基本被限制在凹模圓角以內，并在凸模輪廓的約束下受單向或雙向拉應力作用（忽略板厚方向的應力）。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面轉移，直到完全貼靠凹模側壁，形成直立的豎邊。圓孔翻邊的特點是：變形區(qū)材料在單向或雙向拉應力作用下，切向伸長變形大于徑向壓縮變形，導致材料厚度減薄，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移到側面之前，如果停止變形，則這種成形稱擴孔。擴孔的生產應用也很普遍，它與圓孔翻邊的應力和應變性質相同，常將其作為伸長類翻邊特例。圖12.28

圓孔翻邊2)翻邊時的成形極限如果圓孔處的拉伸量超過了材料的允許范圍，就會破裂，因此必須控制翻邊的變形程度。圓孔翻邊的變形程度用翻邊系數Kl表示，即：Kl=do/Dm(12-9)式中，do—毛坯上圓孔的初始直徑；Dm—翻邊后豎邊的孔徑。影響圓孔翻邊成形極限的因素如下：(1)材料種類及性能。材料延伸率和應變硬化指數n越大，Kl值越小，成形極限越大。(2)預制孔的狀態(tài)。孔緣無毛刺和硬化時，Kl值較小，成形極限較大。為了改善孔緣情況，可采用鉆孔方法或在沖孔后進行整修，有時還可在沖孔后退火，以消除孔緣表面的硬化。為了避免因毛刺降低成形極限，翻邊時需要將預制有毛刺的一側朝向凸模放置。(3)凸模的形狀。用球形、錐形和拋物形凸模翻邊時，孔緣會被圓滑地脹開，變形條件比平底凸模優(yōu)越，故Kl較小，成形極限較大。(4)板料相對厚度（t/d）。板料相對厚度越大，Kl越小，成形極限越大。12.3.3縮口1.縮口的概念及變形特點利用模具把圓形筒件或管件的口部直徑縮小的成形工藝稱為縮口。縮口在國防、機器制造、日用品工業(yè)中應用廣泛。如圓殼體的口徑部，用縮口代替拉延，可以減少工序?？s口的變形特點如圖12.29所示，在壓力P的作用下，模具工作部分壓迫坯料的口部，使變形區(qū)的材料處于兩向受壓的平面應力狀態(tài)和一向壓縮、兩向伸長的立體應變狀態(tài)。在切向壓縮主應力σ3的作用下，產生了切向壓縮主應變ε3，由此的材料轉移引起了高度和厚度方向的伸長應變ε1和ε2，阻止ε1的壓應力σ1的產生，由于厚度相對很小，阻止ε1的阻壓應力近乎于零，故變形主要是直徑因切向受壓而縮小，同時高度和厚度有相應的增加。圖12.29

縮口變形的應力應變坯料端部直徑在縮口前后不宜相差太大，否則切向壓應力值過大，易使變形區(qū)失穩(wěn)起皺，在非變形區(qū)的筒壁部分由于承受縮口壓力，也有可能失穩(wěn)而彎曲變形，所以防止失穩(wěn)起皺和彎曲變形是縮口工藝的主要問題。2.縮口系數縮口變形程度用縮口系數m表示：

m=d/D（12-10）式中，d—縮口后直徑

D—縮口前直徑。材料的塑性好、厚度大、模具對筒壁的支承剛性好，極限縮口系數就小。此外，極限縮口系數還與模具工作部分的表面形狀和粗糙度、坯料的表面質量、潤滑條件等因素有關。

縮口模具對縮口件筒壁的支承形式有三種：附圖（a）是無支承形式，此類模具結構簡單，但坯料筒壁的穩(wěn)定性差；附圖（b）是外支承形式，此類模具較前者復雜，對坯料筒壁的支承穩(wěn)定性好，許可的縮口系數可取得小些；附圖（c）為內外支承形式，此類模具最為復雜，對坯料筒子壁的支承穩(wěn)定性最好，許可的縮口系數可取得更小。不同材料和厚度的平均縮口系數見附表3，不同支承方式所允許的第一次縮口的極限縮口系數見附表4。縮口制件的d/D值大于極限縮口系數時，則一次縮口即可成形，當d/D值小于極限縮口系數時，則需多次縮口，每次縮口工序后進行中間退火。首次縮口系數m1=0.9m均，以后各次縮口系數mn=(1.05~1.1)m均。

附圖縮口模具對縮口件筒壁的支承形式（a）無支承形式；（b）外支承形式；（c）內外支承形式附表3平均縮口系數m均

材料材料厚度/mm~0.5＞0.5~1＞1黃銅鋼0.850.850.8~0.70.750.7~0.650.7~0.65附表4不同支承方式的縮口系數m材料支承方式無支承外支承內外支承軟鋼黃銅（H62、H68）鋁硬鋁（退火）硬鋁（淬火）0.70~0.750.65~0.700.68~0.720.73~0.800.75~0.800.55~0.600.50~0.550.53~0.570.60~0.630.68~0.720.30~0.350.27~0.320.27~0.320.35~0.400.40~0.4312.3.4旋壓1.普通旋壓旋壓工作原理如圖12.30（a）所示。將平板或半成品毛坯套在芯模上并用頂塊壓緊，芯模、毛坯和頂塊均隨主軸旋轉，操縱趕棒迫使材料逐漸貼模，而獲得所要求的工件形狀。圖12.30（b）是各類旋壓制件。旋壓方法所用的設備和模具都很簡單，各種形狀的旋轉體拉延、翻邊、縮口、脹形和卷邊件都可適用。和一切半機械化手工操作一樣，機動性大，加工范圍廣，但生產率較低，勞動強度大，操作技術要求較高，產品質量不穩(wěn)定。所以旋壓方法只適于單件試制及小批量生產。從圖12.30所示旋壓成形可知，趕棒加壓于毛坯上反復趕輾，由點到線，由線到面，最后使毛坯逐漸緊貼芯模成形。在變形過程中，毛坯切向受壓，徑向受拉，一方面在與趕棒的接觸點產生局部塑性變形，另一方面在沿趕棒加壓的方向倒伏。如操作不當，會引起材料失穩(wěn)起皺或破裂。因此，應恰當的選擇主軸轉速、合理的變形過渡形狀和趕棒旋壓力的大小，使毛坯均勻地變形。圖12.30旋壓成形與旋壓制件1—主軸；2—胎具；3—坯料；4—頂塊；5—頂尖；6—搟棒或旋輪旋壓方法所用的設備和模具都很簡單，各種形狀的旋轉體拉延、翻邊、縮口、脹形和卷邊件都可適用。和一切半機械化手工操作一樣，機動性大，加工范圍廣，但生產率較低，勞動強度大，操作技術要求較高，產品質量不穩(wěn)定。所以旋壓方法只適于單件試制及小批量生產。從圖12.30所示旋壓成形可知，趕棒加壓于毛坯上反復趕輾，由點到線，由線到面，最后使毛坯逐漸緊貼芯模成形。在變形過程中，毛坯切向受壓，徑向受拉，一方面在與趕棒的接觸點產生局部塑性變形，另一方面在沿趕棒加壓的方向倒伏。如操作不當，會引起材料失穩(wěn)起皺或破裂。因此，應恰當的選擇主軸轉速、合理的變形過渡形狀和趕棒旋壓力的大小，使毛坯均勻地變形。旋壓的變形程度用旋壓系數m表示：

m=d/D（12-11）式中，d—制件直徑，制件為錐型件時d取圓錐的最小直徑；

D—旋壓前坯料直徑。圓筒形件極限旋壓系數可取m=0.6~0.8，當相對厚度t/D×100=0.5時取大值，當t/D×100=2.5時取小值。圓錐形件極限旋壓系數可取m=0.2~0.3。若工件需要的變形程度比較大時，可以在不同芯模上多次旋壓，但應進行中間退火。2.變薄旋壓變薄旋壓又稱強力旋壓，是在普通旋壓的基礎上發(fā)民起來的，它在導彈及噴氣發(fā)動機的生產中應用較多。下圖是錐形件變薄旋壓意示圖。毛坯套在芯模上隨同旋壓主軸一起旋轉，旋輪沿一定軌跡移動，并與芯模保持一定間隙而加壓于毛坯，迫使毛坯按芯模形狀逐漸成形，加工成所需要的工件。旋輪壓力可達2500~3000MPa。用變薄旋壓方法，可以加工形狀復雜、尺寸較大的旋轉體零件，其表面質量可達▽6~▽8，尺寸公差等級可達IT8左右，均比普通旋壓及沖壓加工方法要高。變薄旋壓為逐點變形。瞬時變形對工件凸緣未變形區(qū)影響極小，凸緣直徑始終保持不變。變形中旋輪加壓于毛坯，逐漸滾軋，好像旋轉擠壓過程，使毛坯按預定要求變薄。這是變薄旋壓與普通旋壓的最根本的區(qū)別。變薄旋壓過程中，毛坯外徑保持不變，因而沒有凸緣起皺問題，也不受毛坯相對厚度的限制?？梢砸淮涡龎撼鱿鄬ι疃容^大的工件。經變薄旋壓后，材料晶粒緊密細化，其強度、硬度和疲勞強度均有所提高。對各種難加工的金屬（如高溫合金、鈦合金）可以加熱變薄旋壓，材料的高溫性能還能得到一定的改善。變薄旋壓原理12.5板料沖壓成形性能參數及試驗方法12.5.1板料沖壓性能指標1.板料的沖壓性能的概念板料的沖壓性能是指板料對各種沖壓加工方法的適應能力，包括便于加工，容易得到高質量和高精度的沖壓件，生產率高，模具消耗低，廢品率低等。不同的沖壓工藝，其應力狀態(tài)、變形特點以及變形區(qū)和傳力區(qū)之間的關系等都不相同，所以對板材的沖壓性能的要求也不一樣。目前有很多種板材沖壓性能的試驗方法，概括起來分為直接試驗和間接試驗兩大類。直接試驗中板材的應力狀態(tài)和變形情況與真實沖壓時基本相同，所得的結果也比較準確；而間接試驗時，板材的受力情況與變形特點都與實際沖壓有一定的差別，其結果只能間接地反映板材的沖壓性能。間接試驗方法有拉伸試驗、剪切試驗、硬度檢查、金相檢查等，其中拉伸試驗具有簡單易行而不需專用板材試驗設備等優(yōu)點，而且所得的結果能從不同角度反映板材的沖壓性能，是一種很重要的試驗方法，詳見國標GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》。直接試驗方法也稱模擬試驗法，主要有成形極限試驗、斯韋弗特拉深（沖杯）試驗、擴孔試驗、彎曲試驗、福井錐杯試驗、凸耳試驗、愛立克森杯突試驗、吉田拉皺試驗等等。2.板料的拉伸試驗及板料基本性能指數板料的拉伸試驗是用圖12.32所示形狀的標準試樣，在萬能材料實驗機上進行的。根據試驗結果或利用自動記錄裝置，可得到圖12.33所示的應力與延伸率之間的拉伸曲線。圖12.32矩形板料拉伸試驗用標準試樣示意

圖12.33拉伸曲線通常將拉伸試驗所得到的板料性能指標叫做板材的基本性能指數，它們與沖壓性能有很緊密的聯系，現將其中較為重要的幾項分述。1)δu與δδu叫做均勻延伸率，δu是在拉伸試驗中開始產生局部集中變形（頸縮時）的延伸率。δ叫做總延伸率，或簡稱延伸率，它是在拉伸試驗中試樣破壞時的延伸率。一般情況下，沖壓成形都在板材的均勻變形范圍內進行，所以δu對沖壓性能有較為直接的意義。δu表示板材產生均勻的或稱穩(wěn)定的塑性變形的能力，它直接決定板材在伸長類變形中的沖壓性能?？捎忙膗間接地表示伸長類變形的極限變形程度，如翻邊系數、脹形系數、擴孔系數、最小彎曲半徑等。試驗結果也表明，大多數材料的翻邊變形程度都是與δu成正比例關系。另外，板材的愛立克森試驗值也與δu成正比例關系，所以具有很大脹形成分的復雜曲面拉深件用的鋼板，要求具有很高的δu值。2)屈強比σs/σb屈強比是材料的屈服極限與強度極限的比值。較小的屈強比幾乎對所有的沖壓成形都是有利的。屈強比小尤其對于壓縮類成形工藝有利，因為在拉深時，如果板材的屈服點σs低，則變形區(qū)的切向壓應力較小，材料起皺的趨勢也小，對提高極限變形程度有利。在伸長類的成形工藝中，如脹形、拉形、拉彎、曲面形狀零件的成形等，當σs低時，成形所需的拉力和毛坯破壞時的拉斷力之差較大，所以成形工藝的穩(wěn)定性高，不容易出廢品。彎曲件所用的板材的σs低時，卸載時回彈變形也小。3)硬化指數n硬化指數表示在塑性變形中材料硬化的強度，也稱n值。n值大的材料，在同樣的變形程度下，真實應力增加的要多。因此n值大時，在伸長類變形過程中可以使變形均勻化，具有擴展變形區(qū)、減少毛坯的局部變薄和增大極限變形參數等作用。尤其對于復雜形狀的曲面零件的深拉深成形，當毛坯中間部分的脹形成分較大時，n值的上述作用對沖壓性能的影響更為顯著。具有不同n值材料的愛立克森試驗結果也表明，n值與愛立克森試驗值之間存在正比例關系。硬化指數n的數值，可以根據拉伸試驗結果所得的硬化曲線，經過一定的計算求得，具體可參閱GB/T5028—1999《金屬薄板和薄帶拉伸應變硬化指數(n值)試驗方法》。4)塑性應變比r塑性應變比也叫做r值或板厚方向性系數，它是板料試樣拉伸試驗中寬度應變εw與厚度應變εt之比。r值的大小，表明板材在受單向拉應力作用時，板平面方向和厚度方向上的變形難易程度的比較，也就是表明在相同的受力條件下，板厚度方向上的變形性能和板平面方向上的差別，所以也叫做板厚方向性系數。r值尤其與拉深成形性能直接相關。板料的r值大，拉深成形時有利于凸緣的切向收縮變形，并有利于提高拉深件底部的承載能力。大型覆蓋件成形，基本上是拉深與脹形相結合的復合成形，當拉深變形的成分占主導地位時，板材r值大，成形性能好。沖壓生產所用的板材都是經過軋制的，其縱向和橫向的性能不同，在不同方向的r值也不一樣，GB/T5027—1999用下式計算板厚方向性系數的平均值，稱為加權平均塑性比（），常作為代表板材沖壓性能的一項重要指標：

12.5.2板料成形性能模擬試驗用標準拉伸試驗測得的參數，雖然有普遍意義，但在生產中直接應用這些參數，往往難以掌握，而且對具體生產所要求的性能也難以估計。而采用與實際生產性質接近的直接試驗方法，即所謂的模擬試驗，來測定材料對某種工藝的適用性更有意義。隨著沖壓生產技術的不斷發(fā)展和用戶對沖壓產品成形質量要求的不斷提高，這些通過模擬試驗測得的板料成形性能參數成為沖壓用板料的重要參數。國家對一些模擬試驗方法也制定了相關標準，下面介紹幾種常見的試驗方法。1.板料的沖壓成形極限試驗板料的成形極限性能常用成形極限圖（FLD）描述，成形極限圖是20世紀60年代中期由Keeler和Goodwin等人提出的。沖壓成形極限是指板料在沖壓加工中所能達到的最大變形程度。成形極限包含兩方面的因素，即變形區(qū)的變形極限和傳力區(qū)的承載能力。目前對成形極限所研究的范圍主要是以伸長為主的變形，對以壓縮為主的變形的成形極限還沒有充分研究。對板料沖壓來說，厚度方向的應力很小，可忽略不計，一般近似認為是平面應力狀態(tài)。成形極限圖(FLD)的繪制方法GB/T15825.8—1995《金屬薄板成形性能與試驗方法成形極限圖(FLD)試驗》詳細規(guī)定了成形極限圖的實驗室測定方法。在實驗室條件下測定成形極限圖時，通常采用剛性凸模對試樣進行脹形的方法，必要時可輔以拉伸試驗和液壓脹形試驗。剛性凸模脹形試驗時（見圖12.34），將一側表面制有網格圓的試樣置于凹模與壓邊圈之間，利用壓邊力壓緊拉筋以外的試樣材料，試樣中部在凸模力作用下產生脹形變形并形成凸包，其表面上的網格圓發(fā)生畸變，當凸包上某個局部產生縮頸或破裂時，停止試驗，測量縮頸區(qū)（或縮頸區(qū)附近）或破裂區(qū)附近的網格圓長軸和短軸尺寸，由此計算金屬薄板允許的局部表面極限工程主應變量（e1、e2）和表面極限真實主應變量（ε1、ε2）。圖12.34成形極限圖FLD試驗（剛性凸模脹形試驗）1—凹模；2—壓邊圈；3—凸模；4—拉深筋；5—縮頸或破裂以表面應變e2(或ε2)為橫坐標、表面應變e1(或ε1)為縱坐標，建立表面應變坐標系，將試驗測定的表面極限應變量(e1，e2)或(ε，ε2)標繪在表面應變坐標系中，根據表面極限應變量在坐標系中的分布特征，將它們連成適當的曲線或構成條帶形區(qū)域(圖12.35)，即成形極限曲線(FLC)，曲線以上的區(qū)域為破裂區(qū)，曲線以下的區(qū)域為安全區(qū)。應用成形極限圖可以判別復雜沖壓件工藝設計是否合理，在成形零件上取諸點，按上述坐標網格法，測其長、短軸應變后，和成形極限圖比較，如應變落在破裂區(qū)，則應采取相應措施，如改變模具圓角，改變潤滑條件，改變某方向坯料尺寸等等，改進成形工藝。

圖12.35成形極限圖FLD標繪示意2.斯韋弗特試驗（拉深試驗）斯韋弗特（Swift）試驗也稱為沖杯試驗或拉深試驗，是采用平底凸模將試樣拉深成形。國家標準GB/T15825.3—1995《金屬板料成形性能與試驗方法拉深與拉深載荷試驗》規(guī)定了以極限拉深比為標志的金屬薄板拉深成形性能試驗方法。如圖12.36所示，試驗時將圓片試樣壓置于凹模與壓邊圈之間，通過凸模對其進行拉深成形。試驗需要采用不同直徑的試樣，并按照逐級增大直徑的操作程序進行拉深試驗，以測定拉深杯體底部圓角附近的壁部不產生破裂時允許使用的最大試樣直徑(D0max)，試驗結束后用D0max計算極限拉深比LDR。LDR越大，材料的拉深性能越好。斯韋弗特拉深試驗能比較直接地反映板材的拉深成形性能，但也受試驗條件（如間隙、壓邊及潤滑等）的影響，使試驗結果的可靠性有所降低。其最大缺點是需制備較多的試件，經過多次試驗。圖12.36