4.5 成形工藝

在級進模沖壓中，除了沖裁、彎曲、拉深等主要工序外，成形工序也很常見，如翻邊、翻孔、壓筋、壓包、壓字、壓花紋、整形及校平等。從變形特點來看，這類工序都以局部變形為主，受力情況各不相同。

下面主要對翻邊、翻孔、校平及起伏成形工藝性作介紹。

4.5.1 翻邊

翻邊是沿制件外形曲線周圍將材料翻成側立短邊的沖壓工序，又稱為外緣翻邊。

常見的翻邊形式如圖4-42所示。圖4-42a所示為內凹翻邊，也稱為伸長類翻邊；圖4-42b所示為外凸翻邊，也稱為壓縮類翻邊。

圖4-42 翻邊形式

a）內凹翻邊 b）外凸翻邊 c）復合翻邊 d）階梯翻邊

1.翻邊的變形程度

內凹翻邊時，變形區的材料主要受切向拉伸應力的作用。這樣翻邊后的豎邊會變薄，其邊緣部分變薄最嚴重，使該處在翻邊過程中成為危險部位。當變形超過許用變形程度時，此處就會開裂。

內凹翻邊的變形程度由下式計算：

式中 E_凹———內凹翻邊的變形程度（%）；

R———內凹曲率半徑（mm），如圖4-42a所示；

b———翻邊后豎邊的高度（mm），如圖4-42a所示。

外凸翻邊的變形情況類似于不用壓邊圈的淺拉深，變形區材料主要受切向壓應力的作用，變形過程中材料易起皺。

外凸翻邊的變形程度由下式計算：

式中 E_凸———外凸翻邊的變形程度（%）；

R———外凸曲率半徑（mm），如圖4-42b所示；

b———翻邊后豎邊的高度（mm），如圖4-42b所示。

翻邊的極限變形程度與制件材料的塑性、翻邊時邊緣的表面質量及凹凸形的曲率半徑等因素有關。翻邊允許的極限變形程度可以由表4-55查得。

表4-55 翻邊允許的極限變形程度（%）

2.翻邊力的計算

翻邊力可以用下式近似計算

式中 F———翻邊力（N）；

c———系數，可取c=0.5～0.8；

L———翻邊部分的曲線長度（mm）；

t———材料厚度（mm）；

R_m———抗拉強度（MPa）。

4.5.2 翻孔

翻孔是沿制件內孔周圍將材料翻成側立凸緣的沖壓工序，又稱為內孔翻邊。常見的翻孔為圓形翻孔。如圖4-43所示，翻孔前毛坯孔徑為d₀，翻孔變形區是內徑為d₀、外徑為D的環形部分。當凸模下行時，d₀不斷擴大，并逐漸形成側邊，最后使平面環形變成豎直的側邊。變形區毛坯受切向拉應力σ_θ和徑向拉應力σ_r的作用，其中切向拉應力σ_θ是最大主應力，而徑向拉應力σ_r值較小，它是由毛坯與模具摩擦產生的。在整個變形區內，孔的外緣處于切向拉應力狀態，且其值最大，該處的應變在變形區內也最大。因此在翻孔過程中，豎立側邊的邊緣部分最容易變薄、開裂。

1.翻孔系數

翻孔的變形程度用翻孔系數K來表示：

翻孔系數K越小，翻孔的變形程度越大。翻孔時孔的邊緣不破裂所能達到的最小翻孔系數，稱為極限翻孔系數。影響翻孔系數的主要因素如下：

1）材料的性能。塑性越好，極限翻孔系數越小。

2）預制孔的加工方法。沖壓出的孔沒有撕裂面，翻孔時不易出現裂紋，極限翻孔系數較小。沖出的孔有部分撕裂面，翻孔時容易開裂，極限翻孔系數較大。如果沖孔后對材料進行孔的整修，可以減小開裂。此外，還可以將沖孔的方向與翻孔的方向相反，使毛刺位于翻孔內側，這樣也可以減小開裂，降低極限翻孔系數。

圖4-43 翻孔時變形區的應力狀態

3）如果翻孔前預制孔徑d₀與材料厚度t的比值d₀/t較小，在開裂前材料的絕對伸長可以較大，因此極限翻孔系數可以取較小值。

4）采用球形、拋物面形或錐形凸模翻孔時，孔邊圓滑地逐漸脹開，所以極限翻邊系數可以較小，而采用平面凸模則容易開裂。

低碳鋼的極限翻孔系數見表4-56。翻圓孔時各種材料的翻孔系數見表4-57。

表4-56 低碳鋼的極限翻孔系數

表4-57 翻圓孔時各種材料的翻孔系數

2.翻孔尺寸計算

圖4-44 平板毛坯翻孔

平板毛坯翻孔的尺寸如圖4-44所示。

在平板毛坯上翻孔時，按制件中性層長度不變的原則近似計算。預制孔直徑d₀由下式計算，即

其中D₁=D+2r+t h=H-r-t

翻孔后的高度H由下式計算，即

將式（4-62）代入式（4-64），即可求出最大翻孔高度。當制件要求的高度大于最大翻孔高度時，就難以一次翻孔成形。這時應先進行拉深，在拉深件的底部先加工出預制孔，然后再進行翻孔，如圖4-45所示。

3.翻孔力計算

有預制孔的翻孔力由下式計算，即

式中 F———翻孔力（N）；

σ_s———材料屈服強度（MPa）；

D———翻孔后中性層直徑（mm）；

d₀———預制孔直徑（mm）；

t———材料厚度（mm）。

圖4-45 拉深后再翻孔

無預制孔的翻孔力要比有預制孔的翻孔力大1.3～1.7倍。

例4-2固定套翻孔件的工藝計算。制件如圖4-46所示，材料為08鋼，料厚t=1.0mm。

解1）計算預制孔。

圖4-46 固定套翻孔件

預制孔直徑為32.3mm。

2）計算翻孔系數。

由d₀/t=32.3，查表4-56，若采用圓柱形凸模，得低碳鋼極限翻孔系數為0.65，小于計算值，所以該制件能一次翻孔成形。

3）計算翻孔力。

查有關手冊：

4.翻孔凸模、凹模設計

（1）翻孔時凸模與凹模的間隙 因為翻孔時豎邊變薄，所以凸模與凹模的間隙小于厚度，其單邊間隙值可按表4-58選取。

表4-58 翻孔凸模與凹模的單邊間隙 （單位：mm）

（2）翻孔凸模與凹模 翻孔凸模及凹模設計的好壞直接影響翻孔的質量，翻孔時凸模圓角半徑一般較大，甚至做成球形或拋物線形，有利于變形。以下介紹幾種常見的翻孔凸模及凹模設計要點。

1）平頂凸模（見圖4-47）。平頂凸模常用于大口徑且對翻孔質量要求不高的制件，用平頂凸模翻孔時，材料不能平滑變形，因此翻孔系數應取大些。

2）拋物線形凸模（見圖4-48）。拋物線的翻孔凸模，工作端有光滑圓弧過渡，翻孔時可將預制孔逐漸地脹開，減輕開裂，比平頂凸模效果好。

3）無預制孔的穿刺翻孔（見圖4-49）。無預制孔的穿刺翻孔凸模端部呈錐形，α取60°。凹模孔帶臺肩，以控制凸緣高度，同時避免直孔引起的邊緣不齊。

圖4-47 平頂凸模翻孔

圖4-48 拋物線形凸模翻孔

圖4-49 無預制孔的穿刺翻孔

4）有導正段的凸模（見圖4-50）。此凸模前端有導正段，工作時導正段先進入預制孔內，先導正工序件的位置再翻孔。其優點是：工作平穩，翻孔四周邊緣均勻對稱，翻孔的位置精度較高。

5）帶有整形臺肩的翻孔凸模（見圖4-51）。此凸模后端設計成臺肩，其工作過程是：壓力機行程降到下極點時，翻孔后靠肩部對制件圓弧部分整形，以此來克服回彈，起到了整形作用。

圖4-50 有導正段的凸模翻孔

圖4-51 帶有整形臺肩的翻孔凸模

6）凹模入口圓角設計要點（見圖4-52）。凹模入口圓角對翻孔質量的控制至關重要。入口圓角r主要與材料厚度有關：

制件凸緣圓角小于上值時應加整形工序。

圖4-52 凹模入口圓角設計要點

5.變薄翻孔

當翻孔制件要求具有較高的豎邊高度，而豎邊又允許變薄時，可以采用變薄翻孔。這樣可以節省材料，提高生產效率。

變薄翻孔要求材料具有良好的塑性，變薄時凸、凹模采用小間隙，材料在凸模與凹模的作用下產生擠壓變形，使厚度顯著減薄，從而提高了翻孔高度。圖4-53所示為變薄翻孔的尺寸變化。

圖4-53 變薄翻孔的尺寸變化

變薄翻孔時的變形程度用變薄系數k表示：

式中 t₁———變薄翻孔后的豎邊厚度（mm）；

t———毛坯厚度（mm）。

試驗表明：一次變薄翻孔的變薄系數k可達0.4～0.5，甚至更小。

變薄翻孔的預制孔尺寸及變薄后的豎邊高度，應按翻孔前后體積不變的原則確定。

變薄翻孔多采用階梯形凸模成形，如圖4-54所示。變薄翻孔力比普通翻孔力大得多，并且與變薄量成正比。翻孔時凸模受到較大的側壓力，可以把凹模壓入套圈內。變薄翻孔時，凸模與凹模之間應具有良好的導向，以保證間隙均勻。

圖4-54 采用階梯形凸模的變薄翻孔

變薄翻孔通常用在平板毛坯或半成品的制件上沖制小螺釘孔（一般為M6以下）。在螺孔加工中，為保證使用強度，對于低碳鋼或黃銅制件的螺孔深度不小于直徑的1/2，而鋁件的螺孔深度不小于直徑的2/3。為了保證螺孔深度，又不增加制件厚度，生產中常采用變薄翻孔的方法加工小螺孔。常用標準螺紋變薄翻孔數據見表4-59、表4-60。

表4-59 粗牙螺紋翻孔數據 （單位：mm）

（續）

（續）

表4-60 細牙螺紋翻孔數據 （單位：mm）

（續）

（續）

注：表中有關物理量符號見表4-59圖。

6.異形孔的翻孔

異形孔由不同半徑的凸弧、凹弧和直線組成，各部分的受力狀態與變形性質有所不同，直線部分僅發生彎曲變形，凸弧部分為拉深變形，凹弧部分則為翻孔變形。

圖4-55所示為異形翻孔件的輪廓，其預制孔可以按幾何形狀的特點分為三種類型：圓弧a為凸弧，按拉深計算其展開尺寸；圓弧b為凹弧，按翻孔計算其展開尺寸；直線c，按彎曲計算其展開尺寸。

圖4-55 異形翻孔件的輪廓

在計算時，可以按上述三種情況分別考慮，將理論計算出來的孔形狀再加以適當的修正，使各段平滑連接，即為所求預制孔的形狀。

異形翻孔時，曲率半徑較小的部位，切向拉應力和切向伸長變形較大；曲率半徑較大的部位，切向拉應力和切向伸長變形都較小。因此核算變形程度時，應以曲率半徑較小的部分為依據。由于曲率半徑較小的部分在變形時受到相鄰部分材料的補充，使得切向伸長變形得到一定程度的緩解，因此異形孔的翻孔系數允許小于圓孔的翻孔系數，一般取：

式中 K′———異形孔的翻孔系數；

K———圓孔的翻孔系數。

4.5.3 校平

校平是提高局部或整體平面型零件平直度的沖壓工序。在多工位級進模中，校平工序大都在沖裁之后進行。一般來說，對于零件平直度要求較高的沖壓件都要經過校平工序。

1.校平工序模具類型

校平工序主要是消除其穹彎造成的不平。對于薄料且表面不允許有壓痕的制件，一般用光面校平；對于材料較厚且表面允許有壓痕的制件，通常采用齒形校平，如圖4-56所示。

圖4-56a為細齒校平凸、凹模結構，一般用于材料較厚且表面允許有壓痕的制件。齒形在平面上呈正方形或菱形，齒尖磨鈍，上、下模的齒尖相互叉開。

圖4-56 齒形校平

a）細齒 b）粗齒

圖4-56b為粗齒校平凸、凹模結構，一般用于薄料及鋁、銅等有色金屬，制件不允許有較深的壓痕。齒頂有一定的寬度，上、下模的齒尖也是相互叉開的。

2.校平力的計算

校平力可以按下式計算，即

式中 F———校平力（N）；

S———制件校平面積（mm²）；

q———單位校平力（N/mm²），對于軟鋼或黃銅，光面凸、凹模校平，q值為50～100N/

mm²，細齒凸、凹模校平，q值為100～200N/mm²，粗齒凸、凹模校平，q值為

200～300N/mm²。

4.5.4 起伏成形

在多工位級進模中，起伏成形是依靠材料的延伸使工序件形成局部凹陷或凸起的沖壓工序。起伏成形中材料厚度的改變是非意圖性的，即厚度改變是變形過程中自然形成的，而不是設計指定要求的。

起伏成形主要用于壓制加強筋、文字圖案、凸包等。

1.起伏成形變形限值

起伏成形的變形程度可用伸長率表示，即

式中 ε———伸長率（%）；

L₁———變形后沿截面的材料長度（mm）；

L———變形前材料原有長度（mm）。

一次起伏成形的伸長率ε不能超過材料拉深試驗的伸長率A的70%～80%，即

ε<（0.7～0.8）A （4-70）

伸長率從圖4-57可以看出。圖4-57中曲線1是計算值，曲線2是實際值。在沖壓時，因成形區域外圍的材料也被拉長，故實際伸長率略低于計算值。

2.壓加強筋、壓凸包工藝

（1）壓加強筋工藝 在平面或曲面壓加強筋的形式和尺寸見表4-61；直角形制件壓加強筋的形式和尺寸見表4-62。

圖4-57 壓加強筋時材料的伸長率

（2）壓凸包工藝 在多工位級進模中的工序里，壓凸包可看成帶有很寬凸緣的低淺空心件。由于凸緣很寬，在壓凸包成形時，凸緣部分材料不產生明顯的塑性流動，主要由凸模下方及附近的材料參與變薄變形形成的。

壓凸包時，如果一次成形的伸長率ε超過材料拉深試驗的伸長率A的75%，那么應增加一道工序，先壓出球形，再成形所需要的凸包尺寸，如圖4-58所示。球形的表面積要比凸包的表面積多20%左右，因為在后一道成形工序中有部分材料又重新返回到凸緣處。

表4-61 在平面（曲面）上壓加強筋 （單位：mm）

表4-62 在直角形制件上壓加強筋 （單位：mm）

如圖4-59所示，帶孔的凸包在條件允許的情況下，應在成形前沖出一個較小的孔，成形時孔的材料向外流動，有利于變形。

圖4-58 兩道工序壓成的凸包

1—第一道先壓出球形 2—第二道壓凸包

圖4-59 預先沖出小孔的凸包成形方式

常用的壓凸包尺寸和間距見表4-63。

表4-63 壓凸包的相關尺寸和間距

3.起伏成形的壓力計算

1）帶料（條料）在1.5mm以下起伏成形（加強筋除外）的近似壓力，可按以下經驗公式計算，即

式中 F———起伏成形壓力（N）；

S———起伏成形的面積（mm²）；

k———系數（N/mm⁴），通常對于鋼取300～400N/mm⁴，對于黃銅取200～250N/mm⁴；

t———帶料（條料）厚度（mm）。

2）壓加強筋近似壓力可按以下公式計算，即

式中 F———壓加強筋壓力（N）；

k———系數，與筋的寬度和深度有關，k一般取0.7～1.0；

L———加強筋周長（mm）；

t———帶料（條料）厚度（mm）；

R_m———材料的抗拉強度（MPa）。

如壓筋帶整形在多工位級進模上同一工序進行沖壓，那么其壓力可按式（4-71）計算。