機械加工工藝第三章

車體鋼結(jié)構(gòu)零件的沖壓加工本課次要解決的問題一、什么叫彎曲加工？其關(guān)鍵技術(shù)是什么？二、什么是拉延？其關(guān)鍵技術(shù)是什么？三、什么是成型？有哪些成型方法？第三節(jié)彎曲彎曲是將板材、型材和管材等壓彎成一定角度和形狀的工序。根據(jù)工件的要求不同，有各種彎曲方法，常見的是利用彎曲模在曲柄壓力機、液壓機或摩擦壓力機上進(jìn)行彎曲。此外，也有在專用的彎板機、彎管機、滾彎機、拉彎機等設(shè)備上進(jìn)行彎曲的。本節(jié)討論的是板材在模具內(nèi)的彎曲。一、彎曲變形過程開始階段，毛坯是自由彎曲；隨著凸模的下壓，毛坯的直邊與凹模的工作表面逐漸靠緊，彎曲半徑由R0變?yōu)镽1，彎曲力臂也由L0變?yōu)長1；凸模繼續(xù)下壓，毛坯彎曲區(qū)逐漸減小，直到板料與凸模三點接觸，這時的曲率半徑已由R1變成人R2；此后毛坯的直邊部分則向以前相反的方向彎曲；到行程終了時，凸、凹模對板料進(jìn)行校正，使板料的圓角、直邊與凸模全部靠緊，得到所需形狀的零件。圖3-13彎曲前（a）、后（b）坐標(biāo)網(wǎng)格的變化圖3-12彎曲變形過程（1）彎曲變形區(qū)域主要在零件的圓角部分，而在直臂部分基本沒有變形。（2）在彎曲區(qū)內(nèi)．毛坯的外層縱向纖維受拉而伸長，內(nèi)層縱向纖維受壓而縮短。在伸長與縮短兩個變形區(qū)之間，有一層纖維的長度不變，稱之為中性層。（3）在彎曲區(qū)域的毛壞厚度有變薄現(xiàn)象。（4）彎曲區(qū)內(nèi)毛坯的斷面發(fā)生畸變，中性層以內(nèi)由于縱向纖維的縮短而使橫向增寬，中性層以外則由于縱向纖維的伸長而使橫向收縮，故毛坯的側(cè)面呈曲線形狀。這一現(xiàn)象在彎曲窄條料(b＜3t)時比較明顯。從彎曲變形過程可以看出，材料從彈性變形發(fā)展到彈、塑性變形。在這一過程的發(fā)展中，如果使毛坯外層應(yīng)力超過了材料的強度極限，將會出現(xiàn)裂紋，使材料從塑性變形發(fā)展到破壞。另一方面，在整個彎曲過程中，中性層附近總是保存著彈性變形區(qū)，所以當(dāng)外力卸載后，彈性變形部分要恢復(fù)，從而引起工件的回彈。因此，在彎曲生產(chǎn)中，常常碰到的問題就是：工件彎曲處的裂紋和由于回彈引起的形狀不合規(guī)格。二、回彈圖3-14側(cè)柱的彎曲（一）、影響回彈的因素1．材料的機械性能回彈的大小與材料的屈服極限σs成正比，和彈性模數(shù)E成反比。也就是說σs／E愈大，則回彈愈大。2．變形程度在彎曲中，變形程度是用彎曲半徑R和材料厚度t的比值R／t(稱為相對彎曲半徑)來表示的。相對彎曲半徑R／t愈小，即變形程度愈大，則在毛坯內(nèi)部的塑性變形區(qū)域及總變形程度愈大，總變形中塑性變形所占的比重也愈大，故回彈就愈小。根據(jù)實驗結(jié)果，在校正彎曲中R／t＝1～1.5時，回彈角最小。

3．彎曲的方式及校正力的大小校正彎曲比自由彎曲回彈小。

4．模具間隙在彎曲U形工件時，凸模與凹模之間的間隙對回彈有直接的影響。間隙小時，回彈減小。反之，回彈加大。

5．彎曲件的形狀形狀復(fù)雜的彎曲件，若一次彎成，由于各部分互相牽制，回彈較小。在一定條件下，影響一種產(chǎn)品回彈的只有1～2項因素是主要的。(二)減小回彈的方法1．在工件設(shè)計上改進(jìn)某些結(jié)構(gòu)圖3-15在彎曲區(qū)壓制加強筋圖3-16側(cè)柱斷面形狀2．從制訂工藝上采取措施例如采用校正彎曲代替自由彎曲。又如對經(jīng)過冷作硬化的硬材料，在彎曲之前先進(jìn)行退火，降低其硬度，減少回彈，彎曲后再淬火。3．從模具結(jié)構(gòu)上采取措施可在凹模或凸模上作出補償回彈角(反回彈)。即經(jīng)過試驗，確定回彈角的大小，然后將凸模角度減去回彈角，工件回彈后恰好等于所需角度。4．采用其它成型工藝 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點采用拉彎成型（彎梁）、滾壓成型（罐車罐筒）等工藝。三、最小彎曲半徑1．材料的機械性能和熱處理狀態(tài)2．材料厚度：材料愈厚，工件愈易彎裂，其最小彎曲半徑值就要取大一些。3．材料的纖維方向：板料的軋制纖維方向與彎曲線平行時，材料塑性最差。一般在彎曲硬的及塑性低的材料時，其排樣應(yīng)使彎曲線與纖維方向垂直。4．彎曲毛坯的毛刺：毛刺會引起應(yīng)力集中。圖3-17彎曲線與纖維方向的關(guān)系（a）紋路及裂紋；（b）毛料在板料或條料上的位置。各種材料的允許最小彎曲半徑值，可查沖壓有關(guān)資料或手冊。在實際生產(chǎn)中，往往要根據(jù)具體倩況來調(diào)整決定最小彎曲半徑值。對于彎曲半徑不具重要作用的彎曲件，設(shè)計人員應(yīng)從簡化工藝的原則出發(fā)，選取比最小彎曲半徑為大的數(shù)值來設(shè)計工件的彎曲半徑。一般認(rèn)為合適的彎曲半徑為R＝5t(t為板料厚度)；對于彎曲半徑必須小于最小彎曲半徑的彎曲件，就只好增加一次校正工序，或進(jìn)行退火然后再彎曲到工件要求的彎曲半徑。第四節(jié)拉延把平板毛坯通過拉延模壓制成圓筒形或其他斷面形狀的開口空心件，這種沖壓方法稱為拉延(或拉伸)。車輛上一些空心工件，例如罐車罐體端板和空氣包蓋、風(fēng)缸蓋、燈罩等，就是用拉延工藝制成的。一、拉延過程中金屬變形的特點圖3-18拉延圓筒形工件拉延件各部分的厚度是不一致的，一般是：底部略有變薄，但基本上等于原毛坯的厚度；壁部上段增厚，愈到上絳增厚愈大；壁部下段變薄，愈靠下部變薄愈多；由壁部向底部轉(zhuǎn)角稍上處(圖中a)則出現(xiàn)嚴(yán)重變薄，甚至斷裂。另外、沿高度方向，零件各部分的硬度也不一樣，愈到上緣硬度愈高。圖3-19拉延件沿高度方向硬度與厚度的變化圖3-20破裂與起皺二、起皺與壓邊為了解決拉延工作中的起皺問題，在當(dāng)前實際生產(chǎn)中主要是采用防皺壓邊圈(圖3-21)。圖3-21壓邊示意圖1—凸模；2—壓邊圈；3—毛坯；4—凹模。是否需要采用壓邊圈，在生產(chǎn)中可按表3-5的條件決定。t／D為毛坯相對厚度，其中t為板材厚度，D為毛坯直徑，m1和m2分別為第一次拉延及以后各次拉延的拉延系數(shù)。拉延方法第一次拉延以后各次拉延t／D×100m1t／D×100mn用壓邊＜1.5＜0.6＜1＜0.8可用可不用壓邊1.5～2.00.61～1.50.8不用壓邊＞2.0＞0.6＞1.5＞0.8表3-5采用或不采用壓邊圈的條件1．彈性壓邊裝置通常有三種彈性壓邊裝置。即橡皮壓邊裝置，彈簧壓邊裝置和氣墊式壓邊裝置。工件隨著拉延深度的增加，需要壓邊的凸緣部分不斷減少，故所需的壓邊力也就逐漸減小。

圖3-22壓邊力曲線1—橡皮壓邊裝置；2—彈簧壓邊裝置；3—氣墊壓邊裝置。2．剛性壓邊裝置壓邊力不隨行程變化的剛性壓邊裝置，拉延效果較好，而且模具結(jié)構(gòu)簡單。剛性壓邊裝置用于雙動壓床，凸模裝在壓床的內(nèi)滑塊上，壓邊裝置裝在外滑塊上。拉延時，壓邊裝置隨外滑塊首先下降壓住毛坯，然后裝在內(nèi)滑塊上的凸模下降，將毛坯拉延成形。三、拉延系數(shù)與拉延次數(shù)

圓筒形零件的拉延系數(shù)，是指每次拉延后圓筒工件的直徑與拉延前毛坯(或半成品)的直徑之比。

式中：m1、m2…、mn—各次的拉延系數(shù)；D—毛坯直徑；d1、d2、d3、…、dn——各次半成品(或工件)的直徑。圖3-23拉延工序示意圖拉延系數(shù)m值是永遠(yuǎn)小于1的。拉延系數(shù)是拉延工作中重要的工藝參數(shù)。在工藝計算中，只要知道每道工序的拉延系數(shù)值，就可以計算出各道工序中工件的尺寸。拉延系數(shù)也表示拉延過程中的變形程度。拉延系數(shù)值愈小，說明拉延前后直徑差別愈大，需要轉(zhuǎn)移的“多余三角形”面積愈大，亦即該道工序的變形程度愈大。影響拉延系數(shù)主要有以下因素：1．材料的機械性能凡延伸率δ愈大，比值σs／σb越小，對拉延越有利。

2．材料的相對厚度t／D相對厚度t／D值大，則對拉延有利。3．潤滑潤滑條件良好對拉延有利，可以降低拉延系數(shù)。4．模具的幾何參數(shù)凸模與凹模的圓角半徑對拉延工作影響很大，尤其是凹模的圓角半徑影響更顯著。拉延模的間隙正常有助于拉延系數(shù)的減小。

圖3-24拉延中的摩擦力F1—凹模圓角處的摩擦力；F2—壓邊圈、凹模與毛坯之間的摩擦力；

F3—工件與凹模壁之間的摩擦力；

F4—工件與凸模之間的摩擦力；

F5—凸模圓角處的摩擦力。(二)拉延次數(shù)實際上拉延系數(shù)有兩方面的情況。一個是零件所要求的拉延系數(shù)m總，即：

式中m總——零件總的拉延系數(shù)；d——零件的直徑；D——該零件所需要的毛坯直徑。另一個是按材料的機械性能及加工條件等因素在一次拉延中，所能達(dá)到的極限拉延系數(shù)m。假若零件所要求的拉延系數(shù)m總值大于按材料及加工條件所允許的極限拉延系數(shù)m時，則該零件只需一次拉延即可制成，否則必須進(jìn)行多次拉延。四、拉延件毛坯尺寸的確定拉延后工件的平均厚度與毛坯厚度差別不大，厚度變化可以忽略不計。所以拉延件毛坯尺寸的確定，可按照拉延前毛坯的面積和拉延后工件中性層展開表面積相等的原則計算。對于簡單的圓筒形拉延件(見圖3-25)，根據(jù)拉延前毛坯的面積和拉延后零件中性層展開面積相等的假設(shè)，則為：式中：D——毛坯直徑；F1、F2、F3——圓筒形拉延件的各部分面積；h′——修邊余量；圖3-25圓筒形拉延件毛坯計算圖第五節(jié)成型一、冷擠壓冷擠壓是在常溫下將金屬坯料放入模具的模腔內(nèi)，利用壓力機的強大壓力，迫使坯料三向受壓產(chǎn)生塑性流動，使金屬從?？谆蚰＞叩目p隙擠出，從而獲得所需制件的一種加工方法。冷擠壓一般可分為以下三種基本方式。正擠壓：金屬的擠出方向與凸模運動方向相同。正擠壓可以利用實心或空心坯料制造各種形狀的實心和空心件。反擠壓：金屬的擠出方向與凸模的運動方向相反。反擠壓可以制造各種斷面形狀的杯形件。復(fù)合擠壓：金屬的擠出方向與凸模的運動方向，有一部分相同，另一部分相反。復(fù)合擠壓可以制造各類復(fù)雜形狀的空心件。圖3-26冷擠壓方式正擠壓、反擠壓與復(fù)合擠壓統(tǒng)稱為軸向冷擠壓。徑向冷擠壓時金屬的流動方向與凸模軸線方向相垂直，可以制造帶有法蘭或凸臺類的軸對稱零件。潤滑對冷擠壓的影響十分重要。常用的潤滑劑有液體潤滑劑(動物油、植物油、礦物油)和固體潤滑劑(硬脂酸鋅、硬脂酸鈉、二硫化鉬、石墨等)。根據(jù)冷擠壓金屬變形的特點，冷擠壓件的形狀應(yīng)盡量有利于擠壓時金屬變形均勻，在擠出的方向與流速一致，擠壓力小，模具壽命長。最適宜于冷擠壓的零件形狀是軸對稱旋轉(zhuǎn)體零件。其次是有對稱軸的非旋轉(zhuǎn)體零件，如方形、矩形、正多邊形、齒形等零件。一般對冷擠壓件的要求如下(1)對稱性：對稱性愈高，所需的擠壓力愈小。(2)斷面面積之差?。毫慵嗝婷娣e之差過大時，在斷面變形的過渡部位容易破裂。(3)斷面形狀避免階梯形；(4)避免細(xì)小深孔；(5)適當(dāng)?shù)膱A角半徑：擠壓件上圓角半徑盡量取較大的數(shù)值。(6)擠壓件的尺寸要合理：冷擠壓工藝能夠加工的尺寸是有一定范圍的。圖3-27階梯形件的改造（a）不推薦的階梯形；（b）適宜的形狀。二、拉彎圖3-28拉彎機示意圖1—工作臺面；2—轉(zhuǎn)臂；3—拉伸油缸；4—彎曲油缸；5—拉桿；6—夾頭；7—毛料；8—拉彎模。彎曲內(nèi)層的合成應(yīng)力稍大于材料的屈服極限，并在此拉伸狀態(tài)下，使毛坯完成彎曲變形。

拉彎的特點有：1、由于在成型過程中沒有模具與材料的摩擦，所以不會損傷材料表面。2、空腔、復(fù)雜截面的型材可一次成形。3、在相對彎曲半徑允許的情況下，內(nèi)壁不會起皺，截面不會畸變。4、拉彎可有效消除材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力，產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性好。5、由于金屬材料的冷作硬化，材料經(jīng)拉彎后，可改善材料的綜合機械性能。三、卷板（滾筒）卷板工藝是利用卷板機對板料進(jìn)行連續(xù)點彎曲的塑性變形過程。主要用于罐車罐體、工業(yè)容器罐、壓力管成型加工等機械冷加工領(lǐng)域。在卷板機上進(jìn)行板材的彎曲是通過上滾軸向下移動時所產(chǎn)生的壓力來達(dá)到的。卷板機按軸輥數(shù)目和位置可分為三輥卷板機和四輥卷板機兩類，三輥卷板機又分為對稱式與不對稱式兩種。卷板工藝過程預(yù)彎——對中——卷圓——矯圓過程。圖3-29卷板成型工藝過程對板料進(jìn)行板邊預(yù)彎，使剩余直邊接近理論值。對正的目的是使工件母線與輥軸線平行，防止產(chǎn)生扭斜。圓柱的卷彎，一般采用多次滾彎，逐步壓下上輥并來回滾動，使板料的曲率半徑