1、机械加工工艺第三章本课次要解决的问题 一、什么叫弯曲加工？其关键技术是什么？二、什么是拉延？其关键技术是什么？三、什么是成型？有哪些成型方法？第三节 弯 曲l弯曲是将板材、型材和管材等压弯成一定角度和形状的工序。l根据工件的要求不同，有各种弯曲方法，常见的是利用弯曲模在曲柄压力机、液压机或摩擦压力机上进行弯曲。l此外，也有在专用的弯板机、弯管机、滚弯机、拉弯机等设备上进行弯曲的。l本节讨论的是板材在模具内的弯曲。一、弯曲变形过程一、弯曲变形过程 开始阶段，毛坯是自由弯曲；开始阶段，毛坯是自由弯曲；随着凸模的下压，毛坯的直边与凹模的工作表面随着凸模的下压，毛坯的直边与凹模的工作表面逐渐靠紧，弯曲
2、半径由逐渐靠紧，弯曲半径由R0变为变为R1，弯曲力臂也由，弯曲力臂也由L0变为变为L1；凸模继续下压，毛坯弯曲区逐渐减小，直到板料凸模继续下压，毛坯弯曲区逐渐减小，直到板料与凸模三点接触，这时的曲率半径已由与凸模三点接触，这时的曲率半径已由R1变成人变成人R2；此后毛坯的直边部分则向以前相反的方向弯曲；此后毛坯的直边部分则向以前相反的方向弯曲；到行程终了时，凸、凹模对板料进行校正，使板到行程终了时，凸、凹模对板料进行校正，使板料的圆角、直边与凸模全部靠紧，得到所需形状料的圆角、直边与凸模全部靠紧，得到所需形状的零件。的零件。图3-13 弯曲前（a）、后（b）坐标网格的变化图3-12 弯曲变形过
3、程（1 1）弯曲变形区域主要在零件的圆角）弯曲变形区域主要在零件的圆角部分，而在直臂部分基本没有变形。部分，而在直臂部分基本没有变形。（2 2）在弯曲区内毛坯的外层纵向纤）在弯曲区内毛坯的外层纵向纤维受拉而伸长，内层纵向纤维受压而缩维受拉而伸长，内层纵向纤维受压而缩短。在伸长与缩短两个变形区之间，有短。在伸长与缩短两个变形区之间，有一层纤维的长度不变，称之为中性层。一层纤维的长度不变，称之为中性层。（3 3）在弯曲区域的毛坏厚度有变薄现）在弯曲区域的毛坏厚度有变薄现象。象。（4 4）弯曲区内毛坯的断面发生畸变，）弯曲区内毛坯的断面发生畸变，中性层以内由于纵向纤维的缩短而使中性层以内由于纵向纤维
4、的缩短而使横向增宽，中性层以外则由于纵向纤横向增宽，中性层以外则由于纵向纤维的伸长而使横向收缩，故毛坯的侧维的伸长而使横向收缩，故毛坯的侧面呈曲线形状。这一现象在弯曲窄条面呈曲线形状。这一现象在弯曲窄条料料(b(b3t)3t)时比较明显。时比较明显。从弯曲变形过程可以看出，材料从弹性变从弯曲变形过程可以看出，材料从弹性变形发展到弹、塑性变形。在这一过程的发形发展到弹、塑性变形。在这一过程的发展中，如果使毛坯外层应力超过了材料的展中，如果使毛坯外层应力超过了材料的强度极限，将会出现裂纹，使材料从塑性强度极限，将会出现裂纹，使材料从塑性变形发展到破坏。另一方面，在整个弯曲变形发展到破坏。另一方面，
5、在整个弯曲过程中，中性层附近总是保存着弹性变形过程中，中性层附近总是保存着弹性变形区，所以当外力卸载后，弹性变形部分要区，所以当外力卸载后，弹性变形部分要恢复，从而引起工件的回弹。因此，在弯恢复，从而引起工件的回弹。因此，在弯曲生产中，常常碰到的问题就是：工件弯曲生产中，常常碰到的问题就是：工件弯曲处的裂纹和由于回弹引起的形状不合规曲处的裂纹和由于回弹引起的形状不合规格。格。二、回二、回 弹弹图3-14 侧柱的弯曲（一）、影响回弹的因素 1材料的机械性能 回弹的大小与材料的屈服极限s成正比，和弹性模数E成反比。也就是说sE愈大，则回弹愈大。2变形程度 在弯曲中，变形程度是用弯曲半径R和材料厚度
6、t的比值Rt(称为相对弯曲半径)来表示的。相对弯曲半径Rt愈小，即变形程度愈大，则在毛坯内部的塑性变形区域及总变形程度愈大，总变形中塑性变形所占的比重也愈大，故回弹就愈小。根据实验结果，在校正弯曲中Rt11.5时，回弹角最小。3弯曲的方式及校正力的大小弯曲的方式及校正力的大小 校正弯曲比自由弯曲回弹小。校正弯曲比自由弯曲回弹小。4模具间隙模具间隙 在弯曲在弯曲U形工件时，凸模与凹模之间的形工件时，凸模与凹模之间的间隙对回弹有直接的影响。间隙小时，回间隙对回弹有直接的影响。间隙小时，回弹减小。反之，回弹加大。弹减小。反之，回弹加大。5弯曲件的形状弯曲件的形状 形状复杂的弯曲件，若一次弯成，由于形
7、状复杂的弯曲件，若一次弯成，由于各部分互相牵制，回弹较小。各部分互相牵制，回弹较小。在一定条件下，影响一种产品回弹的只在一定条件下，影响一种产品回弹的只有有12项因素是主要的。项因素是主要的。(二)减小回弹的方法 1在工件设计上改进某些结构 图3-15 在弯曲区压制加强筋图3-16 侧柱断面形状 2从制订工艺上采取措施 例如采用校正弯曲代替自由弯曲。又如对经过冷作硬化的硬材料，在弯曲之前先进行退火，降低其硬度，减少回弹，弯曲后再淬火。3从模具结构上采取措施 可在凹模或凸模上作出补偿回弹角(反回弹)。即经过试验，确定回弹角的大小，然后将凸模角度减去回弹角，工件回弹后恰好等于所需角度。4采用其它成
8、型工艺 根据零件的结构特点采用拉弯成型（弯梁）、滚压成型（罐车罐筒）等工艺。三、最小弯曲半径三、最小弯曲半径 1材料的机械性能和热处理状态 2材料厚度：材料愈厚，工件愈易弯裂，其最小弯曲半径值就要取大一些。3材料的纤维方向：板料的轧制纤维方向与弯曲线平行时，材料塑性最差。一般在弯曲硬的及塑性低的材料时，其排样应使弯曲线与纤维方向垂直。4弯曲毛坯的毛刺：毛刺会引起应力集中。图3-17 弯曲线与纤维方向的关系（a）纹路及裂纹；（b）毛料在板料或条料上的位置。各种材料的允许最小弯曲半径值，可查冲压有关资料或手册。在实际生产中，往往要根据具体倩况来调整决定最小弯曲半径值。对于弯曲半径不具重要作用的弯曲
9、件，设计人员应从简化工艺的原则出发，选取比最小弯曲半径为大的数值来设计工件的弯曲半径。一般认为合适的弯曲半径为R5t(t为板料厚度)；对于弯曲半径必须小于最小弯曲半径的弯曲件，就只好增加一次校正工序，或进行退火然后再弯曲到工件要求的弯曲半径。第四节 拉 延 把平板毛坯通过拉延模压制成圆筒形或其他断面形状的开口空心件，这种冲压方法称为拉延(或拉伸)。车辆上一些空心工件，例如罐车罐体端板和空气包盖、风缸盖、灯罩等，就是用拉延工艺制成的。一、拉延过程中金属变形的特点一、拉延过程中金属变形的特点)d(21Dh 图3-18 拉延圆筒形工件)d(21Dh 拉延件各部分的厚度是不一致的，一般是：底部略有变薄
10、，但基本上等于原毛坯的厚度；壁部上段增厚，愈到上绦增厚愈大；壁部下段变薄，愈靠下部变薄愈多；由壁部向底部转角稍上处(图中a)则出现严重变薄，甚至断裂。另外、沿高度方向，零件各部分的硬度也不一样，愈到上缘硬度愈高。图3-19 拉延件沿高度方向硬度与厚度的变化图3-20 破裂与起皱二、起皱与压边二、起皱与压边 为了解决拉延工作中的起皱问题，在当前实际生产中主要是采用防皱压边圈(图3-21)。图3-21 压边示意图1凸模；2压边圈；3毛坯；4凹模。是否需要采用压边圈，在生产中可按表3-5的条件决定。tD为毛坯相对厚度，其中t为板材厚度，D为毛坯直径，m1和m2分别为第一次拉延及以后各次拉延的拉延系数
11、。拉延方法第一次拉延以后各次拉延tD100m1tD100m n用压边1.50.610.8可用可不用压边1.52.00.611.50.8不用压边2.00.61.50.8表表3-5 3-5 采用或不采用压边圈的条件采用或不采用压边圈的条件1弹性压边装置 通常有三种弹性压边装置。即橡皮压边装置，弹簧压边装置和气垫式压边装置。工件随着拉延深度的增加，需要压边的凸缘部分不断减少，故所需的压边力也就逐渐减小。图3-22 压边力曲线1橡皮压边装置；2弹簧压边装置；3气垫压边装置。2刚性压边装置 压边力不随行程变化的刚性压边装置，拉延效果较好，而且模具结构简单。刚性压边装置用于双动压床，凸模装在压床的内滑块上
12、，压边装置装在外滑块上。拉延时，压边装置随外滑块首先下降压住毛坯，然后装在内滑块上的凸模下降，将毛坯拉延成形。三、拉延系数与拉延次数三、拉延系数与拉延次数 圆筒形零件的拉延系数，是指每次拉延后圆筒工件的直径与拉延前毛坯(或半成品)的直径之比。式中：m1、m2、mn各次的拉延系数；D毛坯直径；d1、d2、d3、dn各次半成品(或工件)的直径。Ddm11122ddm 233ddm 1nnnddm图3-23 拉延工序示意图拉延系数m值是永远小于1的。拉延系数是拉延工作中重要的工艺参数。在工艺计算中，只要知道每道工序的拉延系数值，就可以计算出各道工序中工件的尺寸。拉延系数也表示拉延过程中的变形程度。拉
13、延系数值愈小，说明拉延前后直径差别愈大，需要转移的“多余三角形”面积愈大，亦即该道工序的变形程度愈大。影响拉延系数主要有以下因素：影响拉延系数主要有以下因素：1材料的机械性能材料的机械性能凡延伸率凡延伸率愈大，比值愈大，比值sb越小，对拉延越有利。越小，对拉延越有利。2材料的相对厚度材料的相对厚度tD相对厚度相对厚度tD值大，则对拉延有利。值大，则对拉延有利。3润滑润滑润滑条件良好对拉延有利，可以降低拉延系数。润滑条件良好对拉延有利，可以降低拉延系数。4模具的几何参数模具的几何参数凸模与凹模的圆角半径对拉延工作影响很大，尤其是凸模与凹模的圆角半径对拉延工作影响很大，尤其是凹模的圆角半径影响更显
14、著。凹模的圆角半径影响更显著。拉延模的间隙正常有助于拉延系数的减小。拉延模的间隙正常有助于拉延系数的减小。图3-24 拉延中的摩擦力F1凹模圆角处的摩擦力；F2压边圈、凹模与毛坯之间的摩擦力；F3工件与凹模壁之间的摩擦力；F4工件与凸模之间的摩擦力；F5凸模圆角处的摩擦力。(二)拉延次数 实际上拉延系数有两方面的情况。一个是零件所要求的拉延系数m总，即：式中 m总零件总的拉延系数；d零件的直径；D该零件所需要的毛坯直径。Ddm总 另一个是按材料的机械性能及加工条件等因素在一次拉延中，所能达到的极限拉延系数m。假若零件所要求的拉延系数m总值大于按材料及加工条件所允许的极限拉延系数m时，则该零件只
15、需一次拉延即可制成，否则必须进行多次拉延。四、拉延件毛坯尺寸的确定四、拉延件毛坯尺寸的确定 拉延后工件的平均厚度与毛坯厚度差别不大，厚度变化可以忽略不计。所以拉延件毛坯尺寸的确定，可按照拉延前毛坯的面积和拉延后工件中性层展开表面积相等的原则计算。对于简单的圆筒形拉延件(见图3-25)，根据拉延前毛坯的面积和拉延后零件中性层展开面积相等的假设，则为：32124FFFD2020828.6)(4ppprdrhhddD式中：D毛坯直径；F1、F2、F3圆筒形拉延件的各部分面积；h修边余量；图3-25 圆筒形拉延件毛坯计算图第五节第五节 成型成型 一、冷挤压一、冷挤压 冷挤压是在常温下将金属坯料放入模具
16、的模腔内，利用压力机的强大压力，迫使坯料三向受压产生塑性流动，使金属从模孔或模具的缝隙挤出，从而获得所需制件的一种加工方法。冷挤压一般可分为以下三种基本方式。正挤压：金属的挤出方向与凸模运动方向相同。正挤压可以利用实心或空心坯料制造各种形状的实心和空心件。反挤压：金属的挤出方向与凸模的运动方向相反。反挤压可以制造各种断面形状的杯形件。复合挤压：金属的挤出方向与凸模的运动方向，有一部分相同，另一部分相反。复合挤压可以制造各类复杂形状的空心件。图3-26 冷挤压方式 正挤压、反挤压与复合挤压统称为轴向冷挤压。径向冷挤压时金属的流动方向与凸模轴线方向相垂直，可以制造带有法兰或凸台类的轴对称零件。润滑
17、对冷挤压的影响十分重要。常用的润滑剂有液体润滑剂(动物油、植物油、矿物油)和固体润滑剂(硬脂酸锌、硬脂酸钠、二硫化钼、石墨等)。根据冷挤压金属变形的特点，冷挤压件的形状应尽量有利于挤压时金属变形均匀，在挤出的方向与流速一致，挤压力小，模具寿命长。最适宜于冷挤压的零件形状是轴对称旋转体零件。其次是有对称轴的非旋转体零件，如方形、矩形、正多边形、齿形等零件。一般对冷挤压件的要求如下(1)对称性：对称性愈高，所需的挤压力愈小。(2)断面面积之差小：零件断面面积之差过大时，在断面变形的过渡部位容易破裂。(3)断面形状避免阶梯形；(4)避免细小深孔；(5)适当的圆角半径：挤压件上圆角半径尽量取较大的数值
18、。(6)挤压件的尺寸要合理：冷挤压工艺能够加工的尺寸是有一定范围的。图3-27 阶梯形件的改造（a）不推荐的阶梯形；（b）适宜的形状。二、拉弯二、拉弯图3-28 拉弯机示意图1工作台面；2转臂；3拉伸油缸；4弯曲油缸；5拉杆；6夹头；7毛料；8拉弯模。弯曲内层的弯曲内层的合成应力稍合成应力稍大于材料的大于材料的屈服极限，屈服极限，并在此拉伸并在此拉伸状态下，使状态下，使毛坯完成弯毛坯完成弯曲变形。曲变形。拉弯的特点有：1、由于在成型过程中没有模具与材料的摩擦，所以不会损伤材料表面。2、空腔、复杂截面的型材可一次成形。3、在相对弯曲半径允许的情况下，内壁不会起皱，截面不会畸变。4、拉弯可有效消除
19、材料内部的残余应力，产品尺寸稳定性好。5、由于金属材料的冷作硬化，材料经拉弯后，可改善材料的综合机械性能。三、卷板（滚筒）三、卷板（滚筒）卷板工艺是利用卷板机对板料进行连续点弯曲的塑性变形过程。主要用于罐车罐体、工业容器罐、压力管成型加工等机械冷加工领域。在卷板机上进行板材的弯曲是通过上滚轴向下移动时所产生的压力来达到的。卷板机按轴辊数目和位置可分为三辊卷板机和四辊卷板机两类，三辊卷板机又分为对称式与不对称式两种。卷板工艺过程 预弯对中卷圆矫圆过程。图3-29卷板成型工艺过程 对板料进行板边预弯，使剩余直边接近理论值。对正的目的是使工件母线与辊轴线平行，防止产生扭斜。圆柱的卷弯，一般采用多次滚弯，逐步压下上辊并来回滚动，使板料的曲率半径逐渐减小直至达到规定的要求。矫圆工艺、圆筒卷弯焊接后会发生焊后变形，所以必须进行矫圆。矫圆分加载、滚圆和卸载三个步骤。四、旋压四、旋压 旋压是利用旋轮连续地依次对工件的极小部分施加压力而使其逐渐成型的一种工艺方法。图3-30 旋压原理五、翻边 翻边是将毛坯或半成品的外边缘或孔边缘沿一定的曲线翻成竖立的边缘的冲压方法。内孔翻边属于伸长类成型，其极限受变形区内过大的拉应力破坏的限制。外缘翻边属于压缩类成型，其极限受压应力失稳的限制。圆孔翻边的变形程度用翻边系数m表示，越小变形程度越大，设计时应控制mmmin。Ddm0
