模具设计-冲压模考试用压缩删除废话版

模具设计基础西安交通大学模具与塑性加工研究所郭成教授王立忠副教授课程安排、要求和教材A课程安排

1)冲压工艺与模具设计

课内教学16学时;课外完成一个冲压件的工艺设计和一套冲压模具结构设计。

2）注塑工艺与模具设计

课内教学16学时;课外完成一个注塑件的模具结构设计。B教学要求

1）冲压工艺与模具设计部分

（1）掌握冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边等基本工序的变形特点及主要工艺参数

（2）熟悉各种冲压件的工艺性

（3）了解典型冲压模具的结构组成及其类型2）注塑工艺与模具设计部分

（1）掌握塑料制品的设计原则

（2）了解注塑成型过程及注塑成型工艺的影响因素

（3）熟悉典型注塑模具的结构组成及其浇注、温度调节、型腔、导向及推出、侧向分型与抽芯系统的特点3）成绩评定

根据李乐山教授提出的成绩评定原则。人文素质占50%；考试占50%。课外两个作业，既冲压件工艺与模具设计和注塑件模具设计归入人文素质中。

调整:人文素质占30%；考试占70%。C教材

[1]郭成、储家佑主编.现代冲压技术手册，北京：中国标准出版社,2005.10

[2]李德群主编.塑料成型工艺及模具设计,北京:机械工业出版社,1994,10

冲压工艺与模具设计

第1章冲压技术概论

冲压是借助冲压设备的动力，通过模具的作用，使板料分离或经塑性成形而获得一定形状、尺寸和性能制件的加工技术。冲压加工是金属塑性加工的主要方法之一，也是先进制造技术中的一种少无切削加工方法，是一种多、快、好、省的加工技术。

冲压加工通常在室温下进行，故称之为冷冲压。冲压加工用的原材料大多为板料，故也称之为板料冲压。冲压加工隶属于材料成形与控制工程或材料加工工程的学科范围。

1.1冲压技术的先进性

(1)生产效率高一般冲压设备的行程次数为每分钟几十次，而高速压力机的行程次数高达数百次，甚至千次。

(2)节约材料、节省能源冲压加工的材料利用率一般可达70％～85％。例如，汽车发动机用曲柄皮带轮采用铸造和切削加工，材料利用率为45.5％，每个皮带轮净重5Kg，而改用冲压皮带轮，材料利用率增至71.5％，且净重降低一半，仅为2.5Kg。(3)易于实现机械化与自动化(4)冲压件尺寸精度稳定，表面质量好

(5)冲压件强度高、刚度大、重量轻

(6)冲压加工可以制造形状复杂的零件

(7)冲压生产操作容易，不需要高级操作技工图1-1行星齿轮机构

图1-2液压泵图1－3金属器皿及制品图1-424腿引线框架（194铜合金，t＝0.254mm）

图1-5手机外壳图1-6液压成形技术在汽车轻量化中的应用及轿车车身的分块图1-7轿车后备舱外板

1.2冲压技术在国民经济中的重要地位

薄板经过成形后，制造了相当于原材料价格12倍的附加值，在整个国民生产总值中，与薄板成形相关的产品约占总值的1/4。在现代汽车工业中，冲压件的生产总值占59％左右。可见，冲压技术作为板材投入直接消费前主要深加工方法，在国民经济中占有非常重要地位。

先进国家的模具工业已发展成为独立的行业。日本认为：“模具工业是其它工业的先行行业，是制造富裕社会的动力”。美国工业界认为：“模具工业是美国工业的基石”。在德国模具工业被冠以“金属加工业中的帝王”之称。近20多年来，美国、日本、德国等发达国家的模具总产值都已超过机床的总产值。目前，美国、日本模具工业企业的人年平均产值已高达5～10万美元。

1.3冲压工序的分类

表1-1冲压的基本工序类别工序图例特点及应用范围分离冲裁落料用模具沿封闭线冲切板料，冲下的部分为工件，其余为废料冲孔用模具沿封闭线冲切板材，冲下的部分是废料剪切用剪刀或模具切断板材，切断线不封闭类别工序图例特点及应用范围分离切口在坯料上将板材部分切开，切口部分发生弯曲修边将拉深或成形后的半成品边缘部分的多余材料切掉剖切将半成品切成两个或几个工件，常用于成双冲压类别工序图例特点及应用范围成形弯曲用模具使材料弯曲成一定形状卷圆将板料端部卷圆扭曲将平板毛坯的一部分相对于另一部分扭转一个角度类别工序图例特点及应用范围成形拉深将板料毛坯压制成空心工件，壁厚基本不变翻边孔的翻边将板料或工件上有孔的边缘翻成竖立边缘外缘翻边将工件的外缘翻成圆弧或曲线状的竖立边缘类别工序图例特点及应用范围成形缩口将空心件的口部缩小扩口将空心件的口部扩大，常用于管子成形类别工序图例特点及应用范围成形起伏在板料或工件上压出肋条、花纹或文字，在起伏处的整个厚度上都有变薄卷边将空心件的边缘卷成一定的形状类别工序图例特点及应用范围成形胀形使空心件（或管料）的一部分沿径向扩张，呈凸肚形旋压利用擀棒或滚轮将板料毛坯擀压成一定形状（分变薄与不变薄两种）整形把形状不太准确的工件校正成形类别工序图例特点及应用范围成形校平将毛坯或工件不平的面或弯曲予以压平压印改变工件厚度，在表面上压出文字或花纹1.4两种面向的产品视角差

中国已从计划经济走向了市场经济，而制造业也从面向生产转向面向市场。企业的市场行为和对产品的视角表现在依靠产品的新功能打入市场，凭借产品的高质量、新款式和低价格来拓展市场，用新概念来开发市场。

对产品不同视角的差异表现在产品是联结企业和市场的桥梁；产品要同时满足市场与制造的要求，而生产视角和市场视角则注意产品不同的特点，如图1-8所示。

图1-8两种面向的产品视角差

在进行产品的创新设计时，往往会忽视对零件成形工艺性的要求，成形时容易起皱、破裂或产生大的回弹，给模具制造和维修带来困难。故产品创新设计时应考虑零件成形工艺性。做到市场视角与生产视角完美结合。第2章冲裁

冲裁是利用模具，在压力机上使板料分离的冲压工艺，它包括落料、冲孔、修边、切断等多种工序。冲裁的用途极广，既可制造平板零件或为成形工序备料，也可在冲压件上进行切口、剖切等加工。

2.1冲裁变形特点

(1)冲裁变形过程

图2-1显示了冲裁变形过程。板料置于凹模之上，凸模下降切入材料，经历弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段完成冲裁变形。

图2-1冲裁变形过程

(2)冲裁变形区及其特征

如图2-2所示，通常认为剪切变形区是以模具刃口连线为中心的纺锤形区域。随着凸模切入板料，变形区被加工硬化区域所包围，但主要变形区仍为纺锤形区域。a)初始阶段b)剪切过程中图2－2剪切变形区

事实上，由图2-3可见，沿凸模运动方向（v场）变形区集中在凸、凹模刃口连线为中心的纺锤形区域；而沿凸模运动垂直方向（u场）变形区集中在刃口附近8字型区域。

可见，除了模具刃口连线附近的剪切变形之外，在凸、凹模刃口附近，材料还存在有镦粗、挤压、弯曲和拉伸变形。

a)v场b)u场图2－3变形区云纹图

(3)变形区受力分析

在无压紧装置的冲裁时，材料所受的力如图2-4所示,变形区应力状态如图2-5所示。事实上，很难满足纯剪切的条件（|σ1|=|σ3|），剪切的同时伴随有其它类型的变形。从A、B、C、D、E各点的应力状态可见，凸,凹模端面的静水压力高于侧面。裂纹首先在刃口侧面处的材料中产生。因此，普通冲裁时，制件上总会有毛刺产生。

1-凸模刃口；2-板料；3-凹模刃口图2-4模具作用于被加工材料上的力图2－5剪切区应力状态图

(4)冲裁力—行程曲线

冲裁力—行程曲线与材料有关。材料塑性不同，冲裁力曲线有不同形状和最大压力持续时间。图2-6为塑性材料的冲裁力-行程曲线。

1—凸模；2—剪切面；3—凹模；4—裂纹；5—塌角图2-6冲裁力-行程曲线(5)冲裁件断面特征带

如图2-7所示，冲裁件断面有塌角、光亮带、断裂带和毛刺四个特征带。塌角（也称圆角带）是凸模压入时，刃口附近材料被拉入变形的结果。光亮带（也称塑剪带）是刃口切入，材料受模具侧面挤压形成的表面。断裂带（也称粗糙带）是裂纹扩展形成的撕裂面。毛刺是伴随裂纹出现而产生的,间隙不合适，或刃口变钝时，会产生较大毛刺。

图2-7剪切断面特征带2.2冲裁间隙

(1)间隙对冲裁件质量的影响

如图2-8所示，冲裁模具中凹模与凸模刃口侧壁之间缝隙的距离c称为冲裁间隙，简称间隙。间隙对冲裁件质量有较大的影响。1－材料；2－凸模；3－凹模图2－8冲裁模示意图

冲裁件质量包括断面质量、尺寸精度及平面度等三方面内容。影响冲裁件质量的因素有：间隙及分布均匀程度、材料力学性能、模具刃口状态、模具结构与制造精度、材料性质等。其中间隙大小与均匀程度是最主要因素。1)断面质量图2-9～11显示了间隙对断面质量的影响。间隙合适，上、下裂纹相遇，剪切面光洁整齐，塌角、毛刺和斜度也不大。间隙过小，凸模刃口处裂纹向外错开，在断面上形成二次光亮带。间隙过大时，凸模刃口处裂纹向里错开，材料受到拉伸，光亮带小，塌角、斜度均增大，形成拉长的毛刺，对普通冲裁而言，完全避免毛刺是困难的。

a)间隙过小b)间隙适中c)间隙过大图2-9间隙对剪裂纹重合的影响

a)间隙过小b)间隙适中c)间隙过大图2-10间隙对冲裁件断面的影响R-塌角；B-光亮带；F-断裂带；h-毛刺；β-光亮带斜角；γ-断裂带斜角图2－11间隙对冲裁件断面质量的影响

2)尺寸精度指冲裁件实际尺寸与基本尺寸的差值，由两方面组成。一是冲裁件相对凸、凹模尺寸的偏差，一是模具的制造偏差。在模具制造精度一定时，冲裁件与凸、凹模尺寸产生偏差的原因是，工件从凹模内推出或从凸模上卸下时，材料产生的弹性恢复，其值可正可负。另外，模具在冲裁力作用下发生弹性变形及磨损，也会使冲裁件尺寸产生变化。

图2-12为间隙对落料件尺寸的影响，间隙在料厚2%以内，制件外径大于凹模孔径；间隙从5%到25%时，制件外径小于凹模孔径,且尺寸随间隙的增大变化不大；间隙超过25%，制件尺寸会较大幅度变小。

—·—轧制方向—×—垂直轧制方向ΔD=制件外径－凹模孔径图2-12间隙对落料件尺寸偏差的影响

图2-13为间隙对冲孔尺寸的影响，间隙在料厚5%以下，制件孔径比凸模外径小，间隙增加，孔径变大。间隙在15%左右时，孔径最大，随着间隙的增加，孔径反而变小。

—·—轧制方向—×—垂直轧制方向ΔD=冲孔直径－凸模外径图2-13间隙对冲孔件尺寸偏差的影响

3)平面度

冲裁过程中，材料受到弯矩作用产生穹弯，影响制件的平面度。通常间隙越大，弯曲越明显。有时在小间隙情况下，由于凹模侧面对制件有挤压作用，也会出现较大弯曲。平面度还与材料性质和厚度有关。为了减少弯曲，可在凸模下加反向压板。当冲压件平面度要求高时，须加校平工序。

(2)间隙对冲模寿命的影响

模具寿命是以冲出合格制件数量来计算的，一种是两次刃磨间的寿命，另一种是模具的总寿命。如图2-14所示，冲裁模磨损可分为三个阶段：初期磨损、中期磨损和晚期磨损。

图2-14冲裁模磨损过程

间隙对模具寿命有很大的影响。图2-15为冲裁数10万件时，间隙对刃口磨损的影响。小间隙会使挤压应力增大，摩擦加剧温度升高，容易产生模具与材料的粘结现象。小间隙还会产生凹模胀裂，小凸模折断，凸、凹模啃刃等现象，降低了模具寿命。间隙不均匀对模具寿命也不利，与均匀间隙相比，磨损增加,寿命降低。采用大间隙，模具寿命可比小间隙时提高2～3倍甚至可达6～7倍。

1—凸模端面磨损；2—凹模端面磨损；3—凸模侧面磨损图2-15冲裁次数10万次时间隙对刃口磨损的影响

(3)间隙对力能消耗的影响

1)冲裁力间隙增大，抗剪强度减小，冲裁力亦减小。当间隙大到一定值时，抗剪强度下降甚微，冲裁力有回升趋势。

2)卸料力和推件力软钢、不锈钢、黄铜或铝合金，间隙为料厚的20%左右时，卸料力具有最小值。间隙小于10%或大于30%时，卸料力增加。

3)冲裁功冲裁功随间隙的变化略有波动，间隙合适，上、下裂纹重合，冲裁功最小。间隙过小或过大，冲裁功都会增加。

(4)合理间隙的确定

间隙是冲裁工艺与模具设计的重要工艺参数。其值的大小与均匀程度对冲裁件的断面质量、尺寸精度、平面度、模具寿命和力能消耗均有很大的影响。对金属材料的普通冲裁而言，生产中常用间隙取值范围为料厚的5％－10％。

合理间隙是一个模糊概念，没有明确外延。权衡间隙对制件质量、模具寿命和力能消耗的影响规律，不存在符合所有要求的间隙值。模具使用会磨损，间隙会在一定范围内变动。模具在装配状态下的静态间隙与工作状态下的动态间隙亦有差别。因此，在选取间隙时应根据生产条件综合考虑，在保证制件质量要求前提下，尽可能延长模具寿命。

2.3

冲裁模具刃口尺寸计算

(1)冲裁件尺寸与模具尺寸的关系及其测量基准

凸、凹模刃口尺寸和公差决定了间隙的大小。正确计算和确定凸、凹模刃口尺寸和公差，是冲裁模具设计的重要工作。设计时需综合考虑变形特点，模具磨损规律，制件精度要求和模具制造水平。冲裁件尺寸与模具尺寸关系及其测量基准如图2-16所示。a)落料件外径b)冲孔件孔径图2-16工件与模具的尺寸关系1)冲裁件尺寸与模具尺寸的关系

落料件大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸；凸、凹模要与工件或废料发生摩擦，使凸模尺寸变小，凹模尺寸变大，间隙增大。2)冲裁件尺寸的测量基准

在测量和使用中，落料件外径（被包容尺寸）以大端尺寸为基准，冲孔件孔径（包容尺寸）以小端尺寸为基准。

(2)模具刃口尺寸和公差计算原则1）模具的设计基准

落料模以凹模为基准，缩小凸模尺寸获得间隙；冲孔模以凸模为基准，扩大凹模尺寸获得间隙。

2）模具的基本尺寸

设计落料模时，应使凹模内径的基本尺寸接近或等于制件最小极限尺寸；设计冲孔模时，应使凸模外径接近或等于制件的最大极限尺寸。

3）新模具的间隙

模具磨损后间隙总是增大的，模具要在合理间隙范围内有较大的磨损量，新模具应取最小合理间隙值Cmin。

4)模具刃口制造公差

一般而言，模具刃口制造精度比冲裁件的精度高2－3级。若制件尺寸未注公差，可按IT14来处理，对于非圆形件，模具可按IT9～IT11制造；对于圆形件，模具可按IT6～IT7制造。近年来，模具加工设备和技术有了较大程度的提高，故根据实际生产条件可将模具的制造精度适当提高。

(3)模具刃口尺寸计算方法

1）凸模与凹模分开加工

该方法适用于圆形或简单规则形状的冲裁模。其特点是凸、凹模分别按照各自图纸技术要求、尺寸和公差单独进行加工，模具间隙靠加工尺寸和公差保证。采用这种方法，要分别计算和标注凸、凹模刃口的尺寸公差，其计算公式见表2-1。

工序性质工件尺寸凸模尺寸凹模尺寸落料冲孔表2-1分开加工法凸、凹模刃口尺寸和公差计算公式表中：Δ——工件的公差/mm；x——磨损系数，为避免冲裁件尺寸都偏向极限尺寸（落料时偏向最小尺寸，冲孔时偏向最大尺寸），可取系数值x=0.5～1。它与工件的公差等级有关：工件的公差等级为IT10以上时，取x=1；工件的公差等级为IT11～13时，取x=0.75；工件的公差等级在IT14以下时，取x=0.5。

为保证模具间隙小于最大合理间隙（cmax）,凸、凹模制造公差应满足下列条件：≤

分开加工的优点是：模具有互换性，便于成批制造，适用于大批量生产。缺点是：为了保证合理间隙，需要较高的制模公差等级，模具制造困难，加工成本高。

目前，国际上先进模具企业在模具刃口尺寸确定上采用另一种简单办法。对于冲孔件，凸模尺寸和产品孔基本尺寸相同，凹模尺寸由凸模尺寸向外偏移单边间隙；对落料件，凹模尺寸和产品基本尺寸相同，凸模尺寸由凹模向内偏移单边间隙。值得注意的是，尺寸公差标注一般采用的是对称公差，否则，首先要将其转换为对称公差。

图2-17台式电脑机箱的挡板产品示意图图2-18凸模工作部分示意图图2-18凹模孔示意图

2)凸模和凹模配合加工

此方法是先做凸、凹模中的一件，然后根据制造好的凸模（或凹模）的实际尺寸，来配做另一件，保证它们之间具有最小合理间隙。落料时，先做凹模，再以它为基准配做凸模；冲孔时，先做凸模，再以它为基准配做凹模。通常，只需在基准件上标注尺寸和公差,另一件只标注基本尺寸,并注明“凸模（或凹模）尺寸按凹模（或凸模)实际尺寸配制,保证最小单面间隙××”。

配合加工方法优点是基准件制造公差不受间隙值的限制。这样，不仅容易保证凸、凹模的间隙，而且还可以放大基准件的制造公差，使模具制造容易。对于复杂的冲裁件，各部分尺寸性质不同，凸、凹模的磨损规律也不同，故必须对有关尺寸进行具体分析，区别对待。

图2-20和图2-21分别为落料件及凹模尺寸和冲孔件及凸模尺寸，按模具磨损后尺寸变大（A类尺寸）、变小（B类尺寸）、不变（C类尺寸）规律分为三种。

计算公式列于表2-3。事实上，无论是分开加工法(不包括国际上使用的简易算法)或配合加工法，基准件（凸模或凹模）尺寸和公差的计算公式可用如下三个通式概括。

图2-20落料件和凹模尺寸

图2-21冲孔件和凸模尺寸工序性质工件尺寸(图2-20)凸模尺寸凹模尺寸落料按凹模尺寸配制，保证单面间隙为cmin～cmax表2-2配合加工法凸、凹模刃口尺寸和公差的计算公式

工序性质工件尺寸(图2-21)凸模尺寸凹模尺寸冲孔按凸模尺寸配制，保证单面间隙为cmin～cmax表2-2配合加工法凸、凹模刃口尺寸和公差的计算公式

1)磨损后增大的尺寸

以接近或等于工件最小极限尺寸作为基准件的基本尺寸：

2)磨损后减小的尺寸

以接近或等于工件最大极限尺寸作为基准件的基本尺寸：

式中：i为基准件符号（凹模为d，凸模为p）。

3)磨损后不变的尺寸

以工件的中间尺寸作为基准件的基本尺寸：2.4冲裁件的工艺性

冲压件的工艺性是指该零件在冲压加工中的难易程度。良好的冲压工艺性应保证材料消耗少、工序数目少、模具结构简单而寿命高、产品质量稳定、操作简单等等。在一般情况下，对冲压件工艺性影响最大的是几何形状尺寸和精度要求。1)冲裁件的形状尽量简单，最好是由规则几何形状或由圆弧与直线组成。2)冲裁件应当避免有过长的悬臂与狭槽，悬臂及槽的宽度ｂ要大于料厚ｔ的2倍（见图2-22a）。图2-22冲裁件的结构工艺性3)虽然可以冲裁出带尖角的零件，但一般情况下，都应该用R＞0.5t以上的圆角半径代替冲裁件的尖角。圆角半径过小时，冲模寿命会显著降低。

4)因受冲头强度的限制，冲孔的尺寸不宜过小，一般冲孔的最小尺寸（直径或方孔的边长）S≥ｔ。

5)孔与孔之间的距离a或孔与零件边缘之间的距离a（图2-22b、c），受到模具强度和冲裁零件质量的限制，其值不能过小，一般应取a≥2t。如用级进模冲裁，而且对零件精度要求不高时，a可以适当减小，但也不宜小于板厚。

6）冲裁件的尺寸精度不宜太高。一般而言应在IT10～IT14级之间。第3章弯曲

利用金属的塑性变形，借助模具或工具，将毛坯弯曲成一定曲率、一定角度，形成所需形状工件的工艺方法称为弯曲，它是冲压加工的基本工序之一。如飞机的机翼（蒙皮）、汽车大梁、锅炉炉体、自行车车把、门窗铰链、计算机壳体等零件都是用弯曲工序成形的。a)b)c)

d)

e)f)g)a）通用压机上弯曲b）折弯机上弯曲c）滚弯机上弯曲d）滚压成形机上弯曲e）弯管机上弯曲f）拉弯机上弯曲g）自动弯曲机上弯曲图3-1各种弯曲方法示意图3.1弯曲变形特点

(1)弯曲变形过程

图3-2显示了V形零件的弯曲变形过程。板料置于凹模之上，凸模下降接触毛坯后开始产生弯曲，经历弹性弯曲、弹-塑性弯曲、纯塑性弯曲和校正弯曲四个阶段完成弯曲变形。图3-2弯曲变形过程

由图中可见,弯曲变形过程中,弯曲半径由r0到rp逐渐变小，弯曲力臂也由l0

变为lk。随着弯曲半径和力臂的减小弯曲变形程度增大,变形力增加。图3-3显示了与之相应的切向应力分布。a)弹性弯曲b)没有硬化的弹—塑性弯曲c)有硬化的弹－塑性弯曲d)没有硬化的线性纯塑性弯曲e)有硬化的线性纯塑性弯曲图3-3各种弯曲切向应力分布(2)主要变形区

如图3-4所示,圆角部分的正方形网格变成了扇形，而远离圆角的直边部分，网格仍保持原来的正方形，即没有参与变形，在靠近圆角处的直边有少量变化。因此，可以认为弯曲的变形区主要集中在曲率发生变化的圆角部分。还可看出,变形时,外层纤维受拉伸长;内层纤维受压缩短,存在一应力和应变的中性层,变形极不均匀。

图3-4工件侧面正方形网格的变化a）窄板b）宽板图3-5窄板与宽板弯曲后横断面的变化情况

(3)弯曲变形区应力、应变状态图3-5和3-6显示了弯曲变形区所受应力和应变状态。可见,无论是窄板或宽板，都在纵向产生最大应力与应变。内区受压缩缩短，应力和应变均为负；外区受拉伸长，应力和应变均为正。对于窄板，沿宽度方向能自由变形，材料处于平面应力和立体应变状态；对于宽板，受材料相互抑制，材料处于立体应力和平面应变状态。图3-6板料弯曲变形区的应力、应变状态(4)弯曲力—行程曲线

V形弯曲件弯曲力-行程曲线如图3-7所示。在凸、凹模隔着材料完全吻合以前的弯曲称为自由弯曲。接着，凸模下压，弯曲力急剧上升，称为校正弯曲。在弹性弯曲阶段，弯曲力线性上升；在弹-塑性和纯塑性变形（自由弯曲）阶段，弯曲力基本不变或略呈下降趋势；当进入校正弯曲阶段时，弯曲力将急剧上升。

1—弹性弯曲；2—自由弯曲；3—校正弯曲图3-7弯曲过程力—行程曲线（5）弯曲件尺寸与厚度变化特征。

弯曲时，外区材料变薄，内区材料变厚。当r/t≤4时，中性层位置向内移动。中性层的内移使拉伸区大于压缩区，板料外区的变薄量大于内区加厚量，引起了板料整体的变薄，总长度增加。r/t愈小，中性层内移愈多，板料变薄也愈严重，长度的增加也越大。变形区板料厚度和长度的变化给毛坯展开尺寸的计算带来了困难。3.2最小弯曲半径及其影响因素

（1）相对弯曲半径的概念

从上述分析可以看出，在弯曲件受拉区域最外层的纤维变形程度最大。由图3-8可见，最外层纤维的纵向应变为：

ε≈[(r+t)α-(r+t/2)α]/(r+t/2)α

=1/(1+2r/t)

即纵向应变与相对弯曲半径r/t有近似反比关系。生产中，习惯上用相对弯曲半径r/t来表示弯曲的变形程度。由式中可见，r/t越小，变形程度越大。图3-8弯曲变形区的几何关系（2）最小弯曲半径的概念

生产中用最外层纤维产生裂纹时的相对弯曲半径反映板料的弯曲加工极限，用rmin/t来表示，称为最小相对弯曲半径，简称最小弯曲半径。

（3）影响最小弯曲半径的因素

1)材料的力学性能及材料供应状态

材料力学性能直接影响rmin大小，塑性好的材料，即、大的材料，外层纤维允许变形程度大，许可最小弯曲半径就小。

同样牌号的材料，供应状态不同，力学性能存在差异，如特硬的（T）、硬的（y）、半硬的（y2）、软的（M）材料相比校，其塑性逐渐提高，后者的最小弯曲半径便可相应减小。由于冲裁后毛坯有加工硬化现象，若未经退火就进行弯曲，则最小弯曲半径就大些；若经过退火软化处理，则最小弯曲半径就小些。

2)弯曲中心角α

弯曲中心角α对最小弯曲半径的实际影响如图3-9所示，α<70°时，弯曲中心角的影响比较显著，当α>70°时，其影响大大减弱。图3-9弯曲中心角对rmin/t的影响3)轧制方向的影响

轧制所得的冲压用板料具有各向异性，顺轧纹方向的塑性指标高于垂直轧纹方向的塑性指标。因此弯曲件的弯曲线如果与板料的轧纹方向垂直，最小相对弯曲半径rmin/t的数值最小。反之，弯曲件的弯曲线平行于轧纹方向，最小相对弯曲半径的数值最大（见图3-10）。a）轧纹方向垂直于弯曲线b）轧纹方向平行于弯曲线图3-10轧纹方向对rmin/t的影响

4)板料表面和剪切断面的质量

材料表面不得有缺陷，否则弯曲时容易产生裂纹。弯曲前的毛坯都是经冲裁和剪切得到的，剪切断面存在着冷作硬化层及毛刺，硬化降低了材料的塑性，毛刺易形成应力集中，使许可的最小弯曲半径增大。3.3回弹及提高弯曲件精度的措施

塑性弯曲和任何一种塑性变形一样，在外力作用下毛坯产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。当外力去除后，弹性变形会完全消失，而塑性变形保留下来。因此工件的弯曲角及内弯半径与冲模工作部分的角度及圆角半径不完全一致，这种现象称为回弹（或称弹复、回跳）。

(1)弯曲回弹产生的原因分析

引起回弹的原因有两个：其一是当相对弯曲半径较大时，弯曲变形区内外缘表面纤维进入塑性状态，但毛坯中性层附近仍处于弹性变形状态。此时，当外力去除后，工件将产生回弹。其二是金属塑性变形后总伴随有弹性变形，所以板料弯曲时，即使变形区整个断面均进入塑性状态，外力去除后，仍会出现回弹。

(2)回弹量的表示方法

如能计算出回弹值，预先修正模具工作部分的弯曲角和内弯半径，便能使弯曲件的精度符合预期的要求。工件经弯曲卸载后，弯曲中心角由α变为α′，内弯半径由r变为r′（见图3-11）。图3-11板料弯曲的回弹

或

式中：—回弹角，°，式中：—回弹半径，㎜；

(3)回弹值计算(自由弯曲时的回弹值)

1)大半径自由弯曲时(r/t>10)

原理:卸载力矩在数值上等于抗弯力矩。即：=

由此可得：

由几何关系可得：

注：理论推导时不考虑厚度变化以及应力、应变中性层的移动

2)小半径自由弯曲时回弹值(r/t<5)

由于变形程度大，回弹后内弯半径的变化很小，可以不予考虑。在此情况下，单角自由弯曲时的回弹角可查由实验得到的数据,一般资料中多以图表的形式给出。

(4)影响回弹角大小的因素

1)材料的力学性能由上式可知，回弹角的大小，与材料屈服点成正比，与弹性模量成反比。如果材料性能不稳定，则回弹角也不稳定。

2)相对弯曲半径r/tr/t愈小，即变形程度愈大，材料中性层两侧的纯弹性变形区愈小，弹性变形区在总变形中的比重愈小，因而，回弹角就愈小。3)弯曲中心角αα增大，则变形区愈大，回弹积累值愈大，回弹角△α就愈大。

4)弯曲方式自由弯曲时回弹角大，校正弯曲时回弹角减小。校正力愈大，回弹角愈小。自由弯曲时多为正回弹，校正弯曲时，随着r/t大小不同，回弹角可能出现正、零、负三种情况。5)工件形状形状复杂的弯曲件若一次弯成，由于各部分相互牵制，回弹困难，故回弹角减小。

6)模具间隙在弯曲U形件时，凸、凹模间隙对△α有很大影响。间隙愈小，△α也愈小。当采用负间隙时，由于模具对材料产生挤压作用，可使△α减到最小值。

(5)减小回弹提高弯曲件精度的技术措施

1)增加工件刚度如图3-12所示,改进工件的结构设计可以减小回弹角。图3-12改进工件设计

2)提高材料塑性在弯曲件材料选用上，采用屈服点低、弹性模量大、力学性能比较稳定的材料；硬材料或经冷作硬化的材料，在弯曲前进行退火软化处理；采用加热弯曲。

3)提高变形程度和校正力V形弯曲时，在许可弯曲半径范围内，使r/t接近或等于1～1.5，可得到最小回弹角；U形弯曲时使凸、凹模单边间隙比料厚小3％～5％，弯曲过程中材料略有挤薄作用，从而减小回弹角；用校正弯曲，提高校正力；如图3-13所示,使凸模局部凸起减小凸模与材料的接触面积，加大变形区的单位压力，增加塑性变形程度，可减小回弹角。图3-13利用局部精压来减小回弹4)采用补偿法如图3-14和3-15所示,根据弯曲件的回弹趋势与回弹量，修正冲模工作部分弯曲角和圆角半径，使弯曲以后，工件的回弹量恰好得到补偿。图3-14V形弯曲件回弹的补偿

图3-15U形弯曲件回弹的补偿5)加背压顶料板如图3-16所示,设置背压装置可以减小回弹.这里存在一个最佳背压值，使回弹角等于零。图3-16顶料板背压对回弹角的影响6)采用聚氨酯软凹模如图3-17所示，用聚氨酯制作弯曲软凹模，由于它在容框中有如流体的传压作用，能将压力均匀地传递到材料上，使弯曲工件与金属凸模完全贴合，其回弹量比金属凹模小得多，而且不受材料厚度偏差的影响，即使材料厚度偏差较大，工件回弹角仍然很小且很稳定。

1—凸模；2—工件；3—容框；4—转向棒；5—聚氨酯图3-17聚氨酯软凹模上的弯曲

7）采用摆动式凹模或兼有校正作用的分块式凸（凹）模如图3-18所示,采用摆动式凹模不仅可以一次弯曲出较复杂的工件，而且通过调整凸模下死点的位置，便能增加变形区的压应力，从而减小回弹。

图3-20摆动式弯曲模

8)改变变形区应力状态如图3-19和3-20所示,采用端部加压法和拉弯成形,由于改变了弯曲变形区的受力状态,增大了塑性变形程度,均可减小弯曲回弹量,提高弯曲制件的精度。

图3-19端部加压法1—液压缸；2—机座；3—凹模；4—凸模图3-20专用拉弯机原理图3.4弯曲模具工作部分尺寸计算

(1)凸、凹模圆角半径(符号见图3-21）

1)凸模圆角半径

当r/t较小时:

rp=r≥rmin

当r/t>10时:应对rp进行修正

图3-21弯曲模的结构尺寸2)凹模圆角半径

t<2时：rd

=(3～6)t

t=2～4时：rd=(2～3)t

t>4时：rd=2t(2)凸、凹模间隙

弯曲V形件时，间隙是靠调整压力机闭合高度来控制的，不需要在设计、制造模具时确定。

对于U形件的弯曲，则必须选择适当的间隙。

一般而言,x=(0.05～0.10)。根据弯曲高度和材料厚度来定。

(3)凸、凹模工作部分的尺寸与公差

1)用外形尺寸标注弯曲件（图3-22）

(以凹模为基准先确定凹模尺寸)

a.当工件为双向偏差时（图3-24a），凹模尺寸为：

图3-22用外形尺寸标注的弯曲件b.工件为单向偏差时（图3-22b），凹模尺寸为：

c.凸模尺寸均为：图3-23用内形尺寸标注的弯曲件

2)用内形尺寸标注弯曲件(图3-23)(以凸模为基准先确定凸模尺寸)a.工件为双向偏差时（图3-23a），凸模尺寸为：b.当工件为单向偏差时（图3-23b），凸模尺寸为：c.凹模尺寸均为：3.5弯曲件的工艺性(1)弯曲件的圆角半径应大于最小弯曲半径；但不宜过大，以免由于弹复而影响精度。

(2)弯曲件的弯边长度不宜过小，一般h>R+2t（图3-24a）。当h较小时，弯边在模具上支持的长度过小，不容易形成足够的弯距，很难得到形状准确的零件。a)b)c)图3-24弯曲件的结构工艺性(3)局部弯曲的零件，应在弯曲与不弯曲部分之间先切槽，以消除不弯曲根部的伸长变形和拉裂，如图3-24b所示。

(4)应该尽量避免在突变尺寸处的弯曲，因为突变处尖角部位的应力集中可能会产生撕裂。遇有这种设计时，把弯曲线从该突变处移动一段距离，如图3-24c所示。(5)弯曲线（图3-22中m-m）与板材纤维方向（图3-22中n-n）垂直时，弯曲件的结构工艺性好于其两者平行时。故应尽量避免弯曲线与板材纤维方向平行；一个弯曲件有多处弯曲时，可让其弯曲线与纤维方向互成一定的角度。

（6）弯曲件的形状和尺寸精度不宜太高。第4章拉深

拉深是在模具作用下，坯料通过凹模向直壁流动，使板料成形为空心零件，或浅的空心毛坯成形为更深的空心零件的工序。拉深工序应用很广，汽车、飞机的覆盖件和蒙皮，电器的壳体及众多日用品等都是拉深成形的。如图4-1所示，按制件几何形状，拉深件可分为多种形式。图4-1拉深件的分类

4.1拉深变形特点(1)圆筒形零件的拉深变形过程

圆筒形零件的拉深变形过程如图4-2所示。正常的拉深过程是弯曲、胀形、拉深的过程。弯曲变形在拉深过程中始终存在。

a）原始状态b）弯曲胀形c）拉深d）拉深或胀形图4-2圆筒形件的拉深变形过程(2)区域划分及变形区应力应变状态

如图4-3所示，拉深件可分为底部、壁部和法兰三部分。在拉深工序中，底部为承力区，很少发生变形。壁部为已变形区，也是传力区。法兰部分是拉深主要变形区。法兰部分坯料所受的应力、应变状态为：切向压应力和压应变；径向拉应力r和拉应变r。拉深加工时，法兰处坯料表面积减小，厚度增加。图4-3区域划分及主要变形区的应力应变状态(3)拉深力-行程曲线

图4-4显示了拉深加工时的力－行程曲线。从图中可以看出,反映拉深变形的一个特征是，拉深变形的力-行程曲线先增后减，力的最大值出现在变形的初期。图4-4拉深力－行程曲线

(4)应变状态图和板厚的分布图4-5显示了拉深件各部分应变状态图和板厚的分布。可见，在凸模圆角靠直壁处和凹模圆角靠直壁处存在材料变薄的两个极小值点。在变形过程中，这两个极值点会发生不同程度的移动。当凹模圆角半径足够大时，第二个极小值点消失。a）应变状态图b）板厚应变分布图4-5拉深件的应变状态图和板厚应变分布(5)圆筒形件拉深变形规律

如图4-6所示，底部带有底孔时，存在拉深、扩孔、翻边和胀形多种变形可能。当存在多种变形的可能性时，实际的变形方式使得载荷最小。变形时的工序性质及各工序变形在总变形中所占比例取决于毛坯的尺寸、摩擦条件、模具参数等许多因素。只有拉深力小于胀形、扩孔和翻边力时，拉深才能顺利进行。

图4-6毛坯尺寸和工序类型的关系4.2拉深起皱与破裂(1)起皱产生的原因及防皱措施1)起皱产生的原因分析如图4-3所示，拉深过程中，法兰部分的材料产生很大的切向压应力。如图4-7所示，当压应力超过材料压缩失稳的临界值时，即>[],法兰部分的材料便失去稳定而形成皱折。与压杆失稳类似,当毛坯相对厚度t/D较小时,材料压缩失稳的临界值减小,法兰部分容易起皱。图4-7拉深时毛坯的起皱现象2)防止起皱的措施从原理上讲,为了防止发生起皱,需要降低法兰处切向压应力,增大毛坯的相对厚度t/D或t/(Rt-R0)。由屈服准则知,材料产生塑性变形的条件是:r-=βs

。因切向压应力与径向拉应力异号,故降低压应力的绝对值需要增大径向拉应力r

。常用的防皱措施有:

a.设置压边圈,增大压边力;

b.在压边圈和凹模上设置拉深筋;

c.增大凸、凹模的粗糙度;

d.减小凸、凹模圆角半径,减小凸、凹模间隙;

e.多次拉深,采用反拉深来代替正拉深。

值得注意的是:增大径向拉应力r的结果可能引起拉深破裂。因此,在拉深变形时,存在拉深起皱与破裂的矛盾。(2)拉深破裂及拉深成形极限1)破裂产生的原因分析毛坯直径增大拉深力曲线整体上升。因侧壁承载力为常数，力大到一定值，因壁部强度不足而破裂，称为强度破裂，发生在最大力出现之前。如图4-8所示，位置在凸模圆角与坯料直壁接触过渡处。从变形规律看，毛坯直径增大使拉深阻力大于胀形阻力，制件产生胀形，工序性质将发生转换。胀形变形程度有限，故产生了破裂。因此，实质是工序性质转换造成的胀形破裂。图4-8拉深毛坯的破裂2)拉深系数的概念如图4-9所示，圆筒形件的直径（或凸模直径）与拉深前毛坯（或半成品）直径的比值，称为拉深系数，用mn来表示，它是衡量拉深变形程度的指标。

图4-9多次拉深时圆筒直径的变化

第一次拉深系数:

第二次拉深系数:

……………………第n次拉深系数:

3)拉深成形极限目前，对于起皱成形极限的研究还不成熟，圆筒件拉深成形极限是指拉深的破裂极限。我国习惯用最小拉深系数表示拉深的成形极限。表示为:

圆筒形件一次拉深成形极限也可用极限拉深比LDR表示。4)影响极限拉深系数的因素影响极限拉深系数的因素众多,凡有利于降低拉深变形阻力，提高危险断面强度和胀形变形阻力的因素，都有利于减小极限拉深系数。具体而言有:a.材料性能拉深破裂是一种强度破裂，其值不完全取决于材料塑性。对极限拉深系数影响较大的材料性能指标有：屈强比σs/σb，塑性应变比γ和硬化指数n值。

b.材料的相对厚度(t/D)愈薄的材料拉深时，愈易失稳起皱，增大压边力，则相应增大了拉深的变形阻力。c.压边力大小在不起皱前提下，压边力越小,m值也越小。d.凹、凸模圆角半径凹、凸模圆角半径大,m可小些。e.润滑条件及模具情况模具表面光滑，间隙正常，润滑良好可改善金属流动条件，有助于拉深系数的减小。4.3圆筒形件再次拉深

当圆筒形件的拉深系数m<mmin时,一次拉深要产生破裂。可采用2次、3次···多次拉深,称作再拉深。(1)再拉深的变形特点再次拉深与首次拉深使用的毛坯不同,不是平板毛坯,而是圆筒形毛坯。因此,其变形也有许多不同之处。1)厚度及力学性能不均匀毛坯已冷作硬化,故厚度及各处的力学性能不均匀;

2)变形区大小不变变形区局限在(di-1-di)的环形区域内;

3)拉深力-行程曲线单调增最大拉深力后移,破裂产生在后期;

4)不易起皱外缘有刚性支撑。

(2)拉深次数的确定及拉深系数的分配1)拉深次数的确定方法a.计算法拉深次数由所采用的拉深系数来计算：b.推算法根据t/D查出m1﹑m2﹑m3……，然后从第一道工序开始依次求半成品直径,即：

d1=m1D

d2=m2d1

……

dn=mndn-1

一直推算到不大于制件的直径为止。

c.查表/图法

2)圆筒形件拉深系数的分配原则

a.第一次拉深在m>mmin的前提下,m尽量取小值。

b.再次拉深mi>mi-1

c.每次拉深的余度每次拉深的余度要相当,即:

m2-[m2]≈m3-[m3]≈……≈mn-mn-1

(3)再拉深破裂问题及预防措施1)产生纵向破裂的原因分析再次拉深时材料不易起皱,故其主要质量问题是破裂问题。除了在成形时会产生制件底部的强度破裂外,如图4-10所示,多次拉深时还常常会产生纵向破裂。纵向破裂多发生在加工结束之后,或制件从模具取出时,或短期放置1-2天之后。产生纵向开裂的原因是:图4-10再拉深时的纵向破裂a.属晶界破裂多次拉深,由于加工硬化,晶粒内部强度增加,晶界强度降低,在增大应力作用下晶界产生破裂。

b.弯曲和反弯曲产生切向残余拉应力

c.不均匀变形产生的残余拉应力

d.这类破裂多与材料有关不锈钢类加工硬化剧烈的材料和热轧钢板等晶粒粗大的材料容易产生纵向破裂。2)防止纵向破裂的措施a.增加消除内应力退火工序b.增大凹模圆角半径,采用反拉深,减小弯曲与反弯曲变形程度c.减小凸、凹模间隙,带一点变薄,改变材料所受应力状态d.带一点法兰

e.选择晶粒细小、加工硬化小的材料

值得注意的是:目前还没有建立起产生纵向破裂的判据或工艺参数。判断是否会产生纵裂,主要靠经验。

(4)反拉深

反拉深是将拉深半成品倒放在凹模上进行的拉深。加工时坯料内、外表面互换,其特点是:

1)径向应力r大,切向应力小,坯料不易起皱毛坯与凹模包角为180度,摩擦与弯曲阻力大;不改变弯曲方向。2)拉深系数可比正拉深小一些由于不需压边,从这个角度来看,拉深阻力又可适当减小一些。

3)采用双动冲床,正反拉深可在同一套模具内完成

4)受模具壁厚(强度)的限制4.4拉深模具工作部分尺寸计算(1)凸模和凹模工作部分尺寸确定

1)确定凸模和凹模工作部分尺寸时，应考虑模具的磨损和拉深件的回弹，其尺寸公差在最后一道工序考虑。

2)最后一道工序凸、凹模工作部分尺寸，应按拉深件尺寸标注方式的不同，由表4-1所列公式进行计算。

凹模尺寸凸模尺寸标注外形尺寸标注内形尺寸尺寸标注方式表4-1拉深模工作部分尺寸计算公式(2)凸模的出气孔尺寸

凸模的出气孔尺寸可由表4-2查得。～50＞50～100＞100～200＞2005.06.58.09.5表4-2拉深凸模出气孔尺寸

mm

凸模直径()出气孔直径()图4-11拉深凸模出气孔(3)凸、凹模圆角半径

1)凹模圆角半径的选取a.首次拉深凹模圆角半径:

零件直径

＞200㎜时:

可以根据材料种类与厚度来确定。对于钢件，，对于有色金属，。

b.以后各次拉深凹模圆角半径2)凸模圆角半径的选取a.凸模圆角半径与凹模圆角半径的关系除最末一次拉深工序外，其他所有各次拉深工序中，凸模圆角半径可取与凹模圆角半径相等或略小的数值，参照下式确定。b.最末一次拉深工序凸模圆角半径的确定最末一次工序中，凸模圆角半径与制件的圆角半径相等。对于厚度＜6mm的材料，其数值不得小于（2～3）t。对于厚度＞6mm的材料，其值不得小于（1.5～2）t。(4)凸凹模间隙

1)基本概念拉深凸凹模间隙指拉深凹模与凸模侧壁之间缝隙的距离，生产中常用单边间隙来表示。2)合理间隙的选取c过小会增加摩擦力，易使拉深件破裂，且易擦伤表面，降低模具寿命；c过大易使拉深件起皱，且影响工件精度。一般而言:

或：

对于高精度拉深件,其最后一次工序的间隙值按下式选取。式中黑色金属的系数取1，有色金属取0.95。

3)间隙的取向原则多次拉深工序，间隙的取向是没有规定的。对于最后一次拉深工序，间隙的取向应根据制件尺寸标注方式来确定。尺寸标注在外径的拉深件以凹模为基准，间隙取在凸模上，即减小凸模尺寸得到间隙。

尺寸标注在内径的拉深件以凸模为基准，间隙取在凹模上，即增加凹模尺寸得到间隙。4.5拉深辅助工序

(1)退火

对于加工硬化明显的金属，在多次拉深后，为了恢复金属的塑性以便进行以后的拉深，可采用退火处理来软化材料。

退火分高温退火和低温退火。高温退火时，会得到晶粒粗大的组织，影响零件的力学性能，金属表面会氧化。故一般采用低温退火。(2)酸洗

退火后的金属表面有氧化皮，在继续加工时会增加对模具的磨损，一般应进行酸洗。酸洗的工艺流程是：在加热的稀酸液中浸蚀后，在冷水中飘洗，再在弱碱中将残留的酸液中和，最后再在热水中洗涤，在烘房中烘干。(3)润滑

拉深过程中，金属与模具接触，作用力很大，材料在凹模表面滑动产生摩擦。摩擦力增加了拉深变形阻力，易使制件破裂或划伤，一般说来对拉深过程不利。另外，摩擦还会降低模具寿命。使用润滑剂可在材料和凹模表面之间形成一层薄膜，减少摩擦力和磨损现象。拉深工作中选用润滑剂时，应满足下列要求：1)好的附着性，能承受较大的压力

2)在金属表面分布均匀，摩擦系数小

3)不损坏模具及工件表面的力学及化学性能

4)化学性能稳定且容易清洗，对人体没有毒害

5)原料资源充分，价格低廉

对于圆筒形拉深件而言，润滑剂应涂抹在凹模圆角部位和压边面的部位，以及与此部位相接触的毛坯表面上。切忌在凸模表面或与凸模接触毛坯面上涂润滑剂，以防材料沿凸模滑动使材料过度变薄或破裂。

第5章胀形与翻边5.1胀形

胀形是利用胀形模具，使板平面或圆柱面内局部区域的坯料在双向拉应力作用下，产生两向伸长变形，厚度减薄，表面积增大，以获得所需要几何形状和尺寸制件的冲压工序。生产中的起伏成形（压凸包或加强筋）、圆柱形空心毛坯的鼓肚成形，波纹管及平板毛坯的张拉成形等均属于胀形成形。

胀形常与拉深、弯曲和翻边等其它方式的成形同时发生。某些汽车、拖拉机覆盖件和一些复杂形状零件成形工序中，常常包含一定程度的胀形成分。在胀形加工中，金属的流动量小，因此，使坯料变形均匀以及控制整个成形工序中胀形变形量是决定工序成败及制件质量的关键。(1)平板毛坯胀形变形特点

1)变形过程如图5-1所示，当凸模下降与毛坯接触时，在弯矩和拉应力作用下，凹模圆角处的坯料发生弯曲变形。与此同时，球形凸模底部少量毛坯承受了全部的变形力，当应力达到屈服点时，便产生了胀形变形。坯料屈服后产生硬化，变形向外扩展，表面积增大,厚度减薄，直至坯料全部包敷凸模。可见，胀形变形是弯曲，局部胀形以及由于加工硬化，贴模面积增加，胀形向外扩展的过程。

a）弯曲、局部胀形b）胀形扩展至变形结束图5-1胀形变形过程2)胀形变形区及应力应变状态如图5-1所示，胀形变形过程中，毛坯被带凸筋的压边圈压紧，外部材料无法流入，变形被限制在凸筋或凹模圆角以内的局部区域。图5-2显示了平板毛坯局部胀形成形时，变形区内的应力－应变状态。在变形区内，坯料在双向拉应力作用下，沿切向和径向产生伸长变形，厚度变薄，表面积增大。a）应力状态b）应变状态图5-2变形区应力和应变状态

3)变形力—行程曲线

与拉深不同，胀形时变形区是在不断扩大的。由于加工硬化，胀形变形力－行程曲线是单调增曲线，产生破裂时胀形力达到最大值。4)应变和板厚的分布

图5-3是平板毛坯局部胀形时的应变分布图。由图中可见，变形区内径向应变和切向应变全部大于零，而厚度方向的应变小于零，坯料变薄。

a）径向和厚度方向应变分布b）切向和径向应变分布图5-3胀形件的应变分布和应变状态图5)胀形变形规律服从材料的变形规律，当存在多种变形可能性时，实际的变形方式使得载荷最小。毛坯的外径足够大，内孔较小时，拉深变形阻力和扩孔、翻边变形阻力大于胀形变形阻力时，变形性质由胀形决定。(2)平板毛坯胀形成形极限

1)起伏成形是一种使材料变薄，表面积增大，形成局部凹进或凸起来改变毛坯形状的方法。如图5-4所示，起伏成形主要用于压制凸包、加强筋和艺术装饰品浮雕。

a）b）a）加强筋和凸包压制b）汽车前围压字图5-4起伏成形的例子

在宽法兰件成形中，法兰宽度大于某值后，法兰部分不再产生塑性流动。成形靠凹模圆角以内材料的变薄，极限成形高度与毛坯直径无关，这一阶段就是胀形变形阶段。它与拉深的分界点取决于毛坯尺寸，材料性能，模具几何参数和压边力大小，如图5-5所示，d/D0约在0.38～0.35之间。曲线以上为破裂区，以下为安全区，线上为临界状态。图5-5拉深与起伏成形的分界2)平板毛坯胀形变形程度及成形极限压凸包:

胀形深度：h

最大胀形深度：hmax

压筋:(图5-6)

伸长率：最大伸长率：

≤(0.7～0.75)

图5-6冲制加强筋时的伸长率

如图5-7,如果凸包深度大于最大胀形深度，则应增加工序。与拉深加工不同,由于胀形时材料变薄严重,工序数不会太多。前道工序主要目的是使变形均匀,为后道工序准备材料。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。分块式凸模胀形是一种较为传统的胀形方式。图5-9分块式凸模胀形c.液压胀形如图5-10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

胀形时对毛坯轴向加压，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。(3)影响胀形成形极限的因素

1)材料性能加工硬化指数n值对胀形成形极限的影响极大。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。

3)制件形状和尺寸就球形凸模和平底凸模而言,球形凸模胀形时，应变分布比较均匀，能获得较大的胀形变形程度。

4)润滑条件、变形速度及材料厚度

5.2翻边

利用模具把板料上的孔缘或外缘翻成竖边,或将圆柱形空心毛坯的口部翻出法兰的冲压工序。翻边总是与弯曲同时发生。如图5-11，翻边可分为直线翻边、伸长类翻边、压缩类翻边和复合翻边四种形式。直线翻边即弯曲，压缩类翻边的本质与拉深相同。此外，按材料厚度变化情况，翻边还可分为普通翻边与变薄翻边两类。

a）b）c）d）

a）直线翻边b）伸长类翻边c）压缩类翻边d）复合翻边图5-11四种基本翻边形式(1)内孔翻边的变形特点

1)变形过程如图5-12所示，带有圆孔的环形毛坯被压边圈压紧，当压力机滑块下行时，板料在凸模作用下产生弯曲的同时，毛坯中心孔不断扩大，凸模下面的材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模侧壁形成直立的竖边。因此，内孔翻边变形过程实质是弯曲、扩孔和翻边的变形过程。a）翻边过程b）变形区应力,应变状态图5-12内孔翻边2)变形区及变形区的应力应变状态内孔翻边时，变形区被限制在凹模圆角以内的环状区域内。与拉深成形通过将板料沿圆周方向压缩来形成侧壁相反，内孔翻边是在板料向凹模圆角弯曲的同时，通过将板料沿圆周方向拉长形成侧壁的过程。如图5-12b所示，变形区应力状态为双向拉应力状态，即σ＞0、σr≥0。孔边缘处，由于径向材料可以自由变形，σr为零而σ达到最大值。由孔边缘向凹模圆角处过渡，径向应力逐渐增大而切向应力逐渐减小。与胀形变形时板平面的双向伸长变形不同，内孔翻边成形时，在双向拉应力作用下，板料沿圆周方向伸长，ε＞0，径向收缩,εr＜0。

3)变形力—行程曲线翻边变形力由凹模圆角处坯料的弯曲力和扩孔、翻边变形阻力两部分组成。如图5-13所示，由于变形区域的减小和加工硬化对扩孔、翻边力影响的相反效果，力-行程曲线与拉深类似，也呈现出先升后降的趋势。翻边力还受到凸模底部形状的很大影响，平底凸模成形力较大，球底凸模的成形力较小。

图5-13内孔翻边的力-行程曲线

4)应变和板厚的分布由5-14可见，内孔翻边时,切向应变大于零，厚向应变小于零，属伸长类变形,孔边缘厚度减薄严重，应变分布极不均匀。内孔的孔缘在单向拉应力作用下，切向伸长变形引起厚度变薄最严重，一旦变形超过了材料的伸长率，该处就会产生破裂。把这种因材料局部塑性变形量过大引起的破裂叫做塑性破裂，它决定了伸长类翻边的成形极限。a）应变分布图b）应变状态图图5-14内孔翻边的应变分布与应变状态图5)内孔翻边的变形规律如图5-15,变形性质与毛坯尺寸、凸凹模圆角半径及形状、模具间隙等因素有关。变形服从材料的变形规律,毛坯外径足够大，预制孔直径较大或压边力大时，拉深变形和胀形变形阻力大于扩孔翻边变形阻力。在这种情况下，变形的性质由内孔翻边或扩孔变形来决定。

图5-15取决于D0/d1和d0/d1组合的各种翻边情况(2)成形极限及其影响因素

1)翻边系数Kf

和最小翻边系数Kfmin的概念生产中用翻边系数Kf来表示图5-16圆孔翻边的变形程度。翻边时孔边不破裂达到最大变形程度时的值称为最小翻边系数，用Kfmin表示，它表示了圆孔翻边的成形极限。图5-16内孔翻边2)影响最小翻边系数Kfmin的因素a.材料性能材料的伸长率δ值、硬化指数n值与塑性应变比γ值愈大，则Kfmin愈小，翻边的极限变形程度越大。b.预制孔状况(钻孔或冲孔，有无毛刺)c.毛坯的相对厚度(以t/D或d/t表示)

e.凸模工作部分形状例如,采用球形（抛物线形或锥形）凸模可得到比平底凸模小的翻边系数。

f.翻边孔的形状图5-17非圆形孔翻边

图5-18非圆形孔翻边的实例第6章复合成形

复合成形是指同时或分先后具有两种或两种以上变形性质的冲压工序。前面论述的冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边都是最基本的冲压工序。然而，在冲裁加工中，存在着板料的弯曲变形；拉深加工总是与弯曲和胀形同时或分先后进行；胀形、翻边加工中也总是伴随着有弯曲或拉深变形的成分。严格地说，几乎所有的冲压工序都是由基本工序以不同的方式和不同的比例组合起来的复合成形工序。

在加工球面、锥面和抛物面等曲面形状的零件，矩形盒和宽法兰拉深件，汽车、拖拉机上的许多覆盖件和一些复杂形状的零件时，很难确定其占主导地位的冲压工序性质，我们称这类零件为复合成形件。6.1复合成形的变形特点

(1)半球形件的变形过程

如图6-1所示,球面形状零件的成形过程为：弯曲、胀形、胀形－拉深复合成形、拉深成形的变形过程。对这类零件，确定成形过程中胀形占主导地位、还是拉深占主导地位是有一定难度的。

a）初始状态b）应力、应变状态图6-1球面零件的变形过程(2)主要变形区

与拉深变形集中在法兰部分，平板毛坯胀形变形集中在凹模圆角以内的局部区域不同，半球形件的变形区为整个坯料。

（3)变形区的应力、应变状态

如图6-1b所示，径向应力为拉应力，切向应力由拉应力逐渐变为压应力，存在一应力分界圆；径向应变为伸长应变，切向应变由伸长应变逐渐过渡到压缩应变，厚向应变由压缩应变逐渐过渡到伸长应变，存在一应变分界圆。在变形过程中，应力和应变分界圆的位置是变化的。

(4)半球形件的变形规律

成形过程中，变形模式转变的迟早，以及胀形和拉深在整个成形中所占的比例与多种因素有关。只有当胀形和拉深变形阻力相等时，才会同时产生胀形和拉深变形。因此，冲压生产中的复合成形是从广义上讲的复合成形，既包括同时发生的两种或两种以上不同性质的变形，也包括了因条件改变而发生变形模式的转换，即复合成形是指整个变形过程中，多种变形性质冲压工序的复合。

(5)复合度与复合成形性能

从成形和成形性能角度来看，复合的含义是不同的。如图6-2，从成形角度看，可用复合度表示胀形或拉深在变形中所占比例。用ls/L(As/A)表示胀形复合度或用ld/L(Ad/A)表示拉深复合度。

图6-2复合成形的构成

从成形性能角度看，不能由复合度大小确定占主导地位工序的性质。从破裂极限看，即使胀形小于拉深成分很多，也会造成破裂；从起皱界限看，即使有少量拉深，也可能会产生折皱。另外,即使胀形成分大，如胀形成分随材料不同变化很小时，对破裂极限或由破裂确定的成形性的影响就小。因此，必须考虑材料不同引起拉深和胀形的变化率。6.2球形件的成形

(1)球形件的成形方法

如图6-3所示，球形件可分为半球形件（图a）与非半球形件（图b、c、d）两类。a）半球形件b）、c）、d）非半球形件图6-3各种球形零件

半球形件的拉深系数为：m=d/D=0.71它是与零件直径无关的常数。由于半球形件成形时，坯料悬空部分较多，容易产生内皱(图6-4），故毛坯相对厚度t/D是决定成形难易程度和选定成形方法的主要依据。图6-4半球形件的内皱1)(t/D)×100＞3坯料较厚，抗皱能力较强，可不用压边一次成形。如图6-5所示，为了保证表面质量，通常对这类制件应进行整形。图6-5带整形的成形模2)(t/D)×100=0.5～3

一般需加压边装置进行成形。

3)(t/D)×100＜0.5

由于坯料较薄，抗皱能力差，故必须采取有效的防皱措施。

对于成形图6-3d所示的浅半球零件，成形方法按制件几何形状可分为两类。当时,采用图6-5所示的带底成形模；当时,采用强力压边装置或采用带拉深筋的模具。必要时需增加工艺补充面，成形后切除。(2)克服半球形件内皱的措施

内皱产生的原因是切向压应力超过其临界值。为了克服内皱，必须降低切向压应力。降低切向压应力最有效的方法是增大径向拉应力。生产中常采用下述措施来防止内皱。

1)如图6-6a,增加拉深筋或拉深槛。

2)如图6-6b所示,采用反向拉深。a）增加拉深筋b）反向成形c）正、反复合成形图6-6半球形件成形时的防皱措施3)如图6-5c所示,用正、反复合拉深该项措施的关键是图中α、c和R等参数的确定。

4)增加工艺补充面为了增大径向拉应力，可适当增大毛坯尺寸，使半球形件带有（0.1～0.2）d的直边或（0.1～0.15）d的法兰边,成形后再将其切除。

对较大的球形件，可采用图6-7所示带内、外两圈拉深筋的凹模。外圈拉深筋比内圈稍高些（高出料厚的两倍）。图6-8所示的铝-钢复合材料炒锅采用这种模具结构取得了很好的效果。

图6-7带内、外拉深筋的模具结构图6-8铝-钢复合材料炒锅6.3锥形与抛物线形件的成形

(1)锥形件的成形

与半球形件不同的是，胀形变形集中在锥底圆弧过渡区，变形不均匀。成形的难易程度取决于制件的几何参数（见图6-9）即：相对高度h/d、锥度α及毛坯相对厚度t/D。图6-9锥形成形件

按制件相对高度、锥度及毛坯相对厚度，锥形件有不同的成形方法。

1)浅锥形件指h/d＝0.1～0.25，α＝50°～80°一类零件。胀形力大时，以拉深和弯曲为主。由于塑性变形不足，回弹量大，对形状要求高时，需加压边力，加大径向拉应力。2)中锥形件指h/d＝0.3～0.7,α＝15°～45°的一类零件。分成三种情况。当(t/D)×100>2.5时,用无压边的成形模一次成形。当(t/D)×100=1.5～2.0时,用带压边装置的模具一次拉出。对于(t/D)×100<1.5和宽法兰的情况，如图6-10所示，首次拉出大圆角或半球形圆筒件，然后按图纸成形。首次成形主要是弯曲和胀形变形，当胀形力大于拉深力时，逐渐以拉深为主。图6-10大圆弧过渡