第5章 其他冲压成形方法从表1.2可见，除弯曲和拉深外，成形工序中还有很多方法，其中比较常用的有胀形、翻边、扩口、缩口等。这些工序的基本特征为局部变形，因此，也常统称为(狭义)成形工序。成形工序一般安排在冲裁、弯曲、拉深之后。
5.1 胀 形板料/空心工序件/空心半成品在双向拉应力作用下，产生扩张(鼓凸)变形，获得表面积增大(厚度变薄)的制件的冲压成形方法称为胀形。常见的胀形件有板料的压花(筋)件、肚形搪瓷制品、自行车管接头、波纹管等，以及汽车车身的某些覆盖件。
胀形的种类可从坯料形状、坯料所处状态、所用模具、所用能源、成形方式等角度作出区分，其中最基本的是按变形区所占比例划分为局部胀形和整体胀形，最常用的是平板坯料局部胀形和空心坯料胀形。
5.1.1 胀形变形特点图5.1所示为圆形板料局部胀形，坯料的外环部分在足够大的压力下不发生流动，仅在直径为d的区域内坯料产生变形，变形的结果是板料变薄、表面积增大。从第4章中拉深系数的概念还可得知，当坯料的外径与成形圆筒直径的比值D/d＞3时，外环形部分的材料产生切向收缩所需的径向拉应力很大，成为相对于中心部分的强区，以至于环形部分材料不可能向凹模内流动。显然，胀形变形区内材料承受大小不等的双向拉应力，并产生伸长类变形。正是由于这种应力状态，变形区不会产生起皱现象，成形后制件的表面光滑、规整。同时，由于变形区材料截面上拉应力沿厚度方向分布比较均匀，所以卸件后的弹复很小，容易得到精度较高的制件。因此，可以用胀形的方法来整形，提高冲压件的精度和表面质量。
图5.1 胀形变形区
5.1.2 平板坯料局部胀形平板坯料局部胀形又叫起伏成形，它是依靠平板材料的局部拉伸，使坯料或制件局部表面积增大，形成局部的下凹或凸起。生产中常见的有压花、压包、压字、压筋等(如图5.2所示)。
经过起伏成形后的制件，由于形状改变引起惯性矩发生变化，再加上材料的冷作硬化作用，所以能够有效地提高制件的刚度和强度。
在起伏成形中，由于摩擦力的关系，变形区材料的变薄、伸长并不均匀。在某个位置上最为严重，该部位的伸长应变最先达到最大值。若进一步增大变形程度，即会发生迸裂。
图5.2 起伏成形起伏成形的极限变形程度由许可的拉伸变薄量决定，主要受材料性能、制件几何形状、模具结构、胀形方法及润滑条件等因素影响，很难用某种计算方法来准确表示。特别是复杂形状的制件，成形部分各处的应力应变分布比较复杂，计算的结论误差比较大。所以，其危险部位和极限变形程度一般通过试验方法确定。但对于比较简单的筋条类起伏成形件(如图5.3所示)，则可按下式近似地确定其极限变形程度
n=(l－l0)/l0＜(0.70～0.75)
式中：n ——极限变形程度；
l0 ——起伏成形前材料的长度；
l ——起伏成形后制件轮廓的长度；
图5.3 起伏成形前后材料的长度
——材料单向拉伸的伸长率。
系数(0.70~0.75)视局部胀形的形状而定，球形筋取大值，梯形筋取小值。
如果制件要求的局部胀形量超过极限变形程度，可以采用分步方法解决(如图5.4所示)。第1道工序胀成大直径的球形(或锥形)，以求在较大范围内聚料和尽可能地均匀变形。第2道工序再得到所要求的尺寸。第1道成形的表面积应略小于最后成形的表面积，以便通过第2次成形使表面积再略微增大，起到整形作用，避免制件起皱。
压筋、压凸的形式和尺寸可参考表5.1。当起伏成形的筋(或包)与制件外边缘的距离小于3倍板料厚度时，成形过程中边缘材料会向内收缩(如图5.5所示)。对于要求较高的制件应预先留出切边余量，成形后修切整齐。也可以增大压边力，阻止材料向内滑动，保持边缘规整。
图5.4 深度较大的局部胀形法
图5.5 起伏成形距边缘的最小尺寸
表5.1 压筋压凸的形式和尺寸名 称
图 例
R
h
D或B
r
a(°)
压 筋
(3~4)t
(2~3)t
(7~10)t
(1~2)t
—
压 凸
—
(1.5~2)t
≥3h
(0.5~1.5)t
15~30
图 例
D/mm
L/mm
t/mm
6.5
10
6
8.5
13
7.5
10.5
15
9
13
18
11
15
22
13
18
26
16
24
34
20
31
44
26
36
51
30
43
60
35
48
68
40
55
78
45
在曲柄压力机上对薄板(t<1.5mm)、小制件(面积A<2000mm2)进行局部胀形时(加强筋除外)其冲压力可按下式近似计算：
P = AKt2
式中：P ——冲压力(N)；
A ——胀形面积(mm2)；
t ——板料厚度(mm)；
K ——系数，钢 K＝(200~300)N/mm4，黄铜 K＝(50~200)N/mm4。
加强筋所需冲压力可按下式近似计算：
P = LtK
式中：P ——冲压力(N)；
L ——胀形区的周边长度(mm)；
t ——板料厚度(mm)；
——材料抗拉强度(MPa)；
K ——系数。一般K＝0.7~1.0，筋窄而深取大值，反之取小值。
5.1.3 空心坯料胀形
1,极限胀形系数空心坯料的胀形俗称凸肚成形，成形时材料沿径向拉伸，将空心坯料(空心工序件或管坯)向外扩张，胀出所需凸起形状。胀形过程中材料变形部位的切向和母线方向均受拉应力，因此，胀形的变形程度受材料的极限伸长率限制，超过材料的极限伸长率制件将胀裂。变形程度以胀形系数K表示，即
K＝dmax/d0
式中：dmax ——胀形后的最大直径(中径)；
d0 ——坯料/工序件/半成品直径(中径)。
胀形系数K与坯料伸长率的关系为：
＝(dmax－d0)/d0=K－1
胀形件每个横截面的大小很可能不一致，危险截面在变形最大处(dmax)，设计时应特别注意。有些制件有强度要求，胀形件不可避免地会出现材料变薄而影响强度。因此，胀形系数不宜取极限值。表5.2是一些材料的极限胀形系数(极限变形程度)的实验值。
表5.2 极限胀形系数材 料
厚度/mm
材料许用伸长率(%)
极限胀形系数K
高塑性铝合金
0.5
25
1.25
纯铝
1.0
1.2
2.0
28
32
32
1.28
1.32
1.32
低碳钢
0.5
1.0
20
24
1.20
1.24
耐热不锈钢
0.5
1.0
26~32
28~34
1.26~1.32
1.28~1.34
2,胀形工序件计算(参见图5.6)
图5.6 胀形前后尺寸的变化工序件直径(中径)
d0＝dmax/K
工序件长度
L0＝L[1+(0.3～0.4)]+b
式中：L——制件的母线长度；
——制件切向最大伸长率；
b——切边余量，一般取5~15mm。
切边余量与材料的塑性应变比(r值)及模具的粗糙度有关，各向异性小者，b取小值。这点与拉深相同。系数(0.3~0.4)为切向伸长而产生高度缩小的因素。
由于材料的不均匀变薄，工序件的计算很难准确，需多次试验才能确定。
3,胀形的几种方法胀形的方法一般有机械胀形、橡皮胀形、液压胀形。
(1) 机械胀形(刚模胀形)
典型机械胀形如图5.7所示。它是利用锥形芯块4将分瓣凸模2顶开，使坯料胀成所需形状。这种方法模具结构较为复杂。由于凸模分开后存在间隙且周向位移难以一致，因此只能应用于胀形量小且精度不高的制件。图5.8是机械胀形的另一种方法，它采用机械式无凸模胀形法。凹模分上下2块，杯形工序件/半成品放置于下凹模6中，成形时芯轴2先进入工序件/半成品内将其定位，保证杯壁不失稳，继而对其进行镦压。由于凹模及芯轴的约束作用，工序件/半成品只有在中间空腔处变形，达到胀形的目的。这种方法只适用于较小的局部变形。
图5.7 滑块式机械胀形
1—凹模；2—分瓣凸模；3—拉簧；4—锥形芯块
图5.8 无凸模机械胀形
1—上凹模；2—芯轴；3—顶杆；4—推件块；5—顶件块；6—下凹模
(2) 橡皮胀形橡皮胀形如图5.9所示。在压力作用下橡皮变形，使制件沿凹模胀出所需形状。所用橡皮应具有弹性好、强度高和耐油等特点，以聚氨酯橡胶为好。
(3) 液压胀形液压胀形如图5.10所示。压力机滑块下行时，先将灌注有定量液体的工序件/半成品口部密封(可采用橡胶垫)，滑块继续下行，通过液体将高压传递给工序件/半成品内腔，使其变形。这种方法靠液体传力，在无摩擦状态下成形，受力均匀且流动性很好，因此可以制作很复杂的胀形件(如皮带轮等)。这种方法工艺较复杂，成本较高。
图5.9 橡皮胀形
图5.10 液压胀形
1—凸模；2—凹模(2块)；3—橡皮
1—凸模；2—凹模；3—油
橡皮胀形和液压胀形又称软凸模胀形。
4,胀形力软凸模胀形所需的单位压力p，可由变形区内单元体的平衡条件求得。
当坯料两端固定，且不产生轴向收缩时
当坯料两端不固定，允许轴向自由收缩时，可近似按下式计算：
p=(t/rmax)
式中：p——软凸模胀形所需的单位压力(MPa)；
——材料屈服点，胀形的变形程度大时，其值应由材料硬化曲线确定(MPa)；
t——板料厚度(mm)；
rmax，R——胀形制件纬向和经向曲率半径(mm)。
刚模胀形所需压力的近似计算可参考有关手册。
5.2 翻 边翻边主要用于制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等)，或者为了提高制件的刚度而加工出的特定形状，在大型板金成形时，也可作为控制破裂或褶皱的手段。
按工艺特点，翻边可分为内孔(圆孔/非圆孔)翻边、外缘翻边(含内曲翻边和外曲翻边)等；按变形性质可分为伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。伸长类翻边的变形区为二向拉应力状态，沿切向作用的拉应力是最大主应力，在该方向发生伸长变形，而厚度变薄，在边缘易发生破裂。压缩类翻边的变形区为切向受压、径向受拉的应力状态，沿切向作用的压应力为绝对值最大主应力，在该方向发生压缩变形，而厚度增厚，在边缘易发生起皱。
按坯料的状况，翻边还可分为平面翻边和曲面翻边。本书只讨论平面翻边。
5.2.1 圆孔翻边
1,圆孔翻边的变形情况及极限翻边系数圆孔翻边是在制件或板料上将制好的孔直接冲制出竖立边缘的成形方法(如图5.11所示)。翻边的变形区为凹模圆角区之内的环形区，其变形情况是，把板料内孔边缘向凹模洞口弯曲的同时，将内孔沿圆周方向拉长而形成竖边。从坐标网格的变化看出，不同直径的同心圆平面，变成了直径相同的柱面，厚度变薄，而同心圆之间的距离变化则不显著。因此，在通过翻边后得到的柱面轴心线的平面内，可以将翻边变形近似看作弯曲(但厚度变化规律不同)。
图5.11 圆孔翻边时的应力与变形情况
翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力和径向拉应力的作用。切向拉应力是最大主应力，在孔口处达到最大值，此值若超过材料的允许值，翻边即会破裂。因此孔口边缘的许用变形程度决定了翻边能否顺利进行。变形程度以翻边系数K表示，即
K=d/D
式中：d——翻边前预制孔直径；
D——翻边后直径(中径)。
K值愈小变形程度愈大。翻边时孔口不破裂可能达到的最小值称为极限翻边系数Kmin。影响Kmin的因素有材料塑性、孔的边缘状况、翻边凸模的形式、d/t(相对厚度)等。翻边工艺设计时可针对这些因素采用工艺措施以利于翻边进行。
表5.3是低碳钢圆孔翻边的极限翻边系数。
表5.3 低碳钢的圆孔极限翻边系数Kmin
凸模型式
孔的加工方法
比 值 d/t
100
50
35
20
15
10
8
6.5
5
3
1
球 形
钻孔去毛刺
0.70
0.60
0.52
0.45
0.40
0.36
0.33
0.31
0.30
0.25
0.20
冲 孔
0.75
0.65
0.57
0.52
0.48
0.45
0.44
0.43
0.42
0.42
－
圆柱形平底
钻孔去毛刺
0.80
0.70
0.60
0.50
0.45
0.42
0.40
0.37
0.35
0.30
0.25
冲 孔
0.85
0.75
0.65
0.60
0.55
0.52
0.50
0.50
0.48
0.47
－
翻边后竖边边缘的厚度小于坯料厚度，其值可按下式估算：
t′= t= t
式中：t′——翻边后竖边边缘厚度；
t——板料或坯料的原始厚度；
K——翻边系数。
2,圆孔翻边的工艺计算平板坯料圆孔翻边的尺寸计算参见图5.11。翻边前需在坯料上加工预制孔，按弯曲成形展开料的原则可求出预制孔直径
d = D－2(H－0.43r－0.72t)
式中符号表示参见图5.11。
翻边高度
H =(D－d)/2＋0.43r＋0.72t
将K=d/D代入可得
H=D(1－K)/2＋0.43r＋0.72t
若以极限翻边系数Kmin代入，即可求出一次翻边可达到的极限翻边高度Hmax
Hmax=D(1－Kmin)/2 + 0.43r ＋0.72t
当制件高度大于Hmax时，说明不可能在一次翻边中直接成形，需增加其他工序，如加热翻边、多次翻边或先拉深、冲孔再翻边等方法。
多次翻边的制件应在2次工序之间进行退火，以消除前次翻边的冷作硬化。后续翻边的极限翻边系数
= (1.15～1.20)Kmin
先拉深，再在底部冲孔再翻边的方法如图5.12所示。
图5.12 拉深后再翻边在拉深件底部冲孔翻边时，应先决定翻边所能达到的最大高度h，根据翻边高度h及制件高度H来确定拉深高度。按中性层长度不变原则计算翻边高度
h = －≈0.57r
极限翻边高度
hmax =D(1－Kmin)/2+0.57r
预制孔直径
d = D－2h + 1.14r
拉深高度
h′= H－h + r + t
上述各式中符号表示如图5.12所示。
由于圆孔翻边的变形区材料在切向拉应力及径向压应力的作用下会产生变薄及伸长，按上述板料中性层长度不变原则推导出的关系式有不同程度的误差。还有一种按体积不变原则推导出的计算关系式，但也不十分精确。同时，需要指出的是，影响圆孔翻边高度的因素还有很多，如不同的板料、不同的凸模都可能产生不同的影响。若预制孔在拉深之前加工好，拉深过程中，该孔的尺寸可能产生变化，也会影响计算的翻边高度。因此，在生产实际中往往通过现场试验来检验和校正上述关系式的计算值。
3,无预制孔翻边无预制孔翻边多应用于薄板小孔翻边件。翻边前不预先加工孔，翻边时，凸模的尖锥形头部先刺破板料，继而进行翻边。这种翻边形式得到的翻边件口部不易规整，但生产效率较高，在电器产品的零件中常有应用。
4,翻边凸模翻边力与压边力翻边凸模的形状(如图5.13所示)对翻边力的影响很大，理论分析与实践证明，抛物线形凸模的翻边力最小，依次增大的为球形凸模、锥形凸模、柱形凸模。抛物线形凸模的加工难度最大。如设备吨位足够大，应尽量采用形状简单的凸模。
图5.13 圆孔翻边凸模的形状和尺寸不同形状凸模翻边力的计算式为：
柱形凸模 P = 1.1t(D－d)
球形凸模 P = 1.2Dtm
式中：P ——翻边力(N)；
t ——板料厚度(mm)；
D ——翻孔中径(mm)；
d ——预制孔直径(mm)；
——材料的抗拉强度(MPa)；
m ——系数(见表5.4)。
表5.4 翻边力计算的m值翻边系数
0.5
0.6
0.7
0.8
系数m
0.2~0.25
0.14~0.18
0.08~0.12
0.05~0.07
翻边时一般要采用压边圈施加压边力。压边力的作用是保证非翻边区不产生流动和变形，所以压边力要较大。特别是外法兰部分面积较小的翻边件压力要更大。压边力的计算可参照拉深压边力计算并取偏大值。外法兰部分面积比翻边孔大得愈多，压边力愈小，甚至可不需压边力。
5.2.2 外缘翻边外缘翻边有外曲翻边和内曲翻边两种情况(如图5.14所示)。
图5.14 外缘翻边外曲翻边的变形状况近似于浅拉深，变形区主要为切向受压，属于压缩类变形，压应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递减。内曲翻边的变形状况近似于圆孔翻边，变形区主要为切向受拉，属于伸长类变形，拉应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递增。可见，对于精度要求较高的外缘翻边制件，变形区坯料要给一定的修正量(可查手册或由试验确定)。
外曲翻边变形程度，可以表述为
=b/(R+b)
内曲翻边变形程度，可以表述为
=b/(R－b)
表5.5给出了几种常用材料在外缘翻边时的允许变形程度。
表5.5 外缘翻边允许的变形程度材料名称及牌号
×100
×100
材料名称及牌号
×100
×100
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
铝
合
金
L4软
25
30
06
40
黄铜
H62软
30
40
8
45
L4硬
05
08
03
12
H62半硬
10
14
4
16
LF21软
23
30
06
40
H68软
35
45
8
55
LF21硬
05
08
03
12
H68半硬
10
14
4
16
LF2软
20
25
06
35
钢
10
—
38
—
10
LF2硬
05
08
03
12
20
—
22
—
10
LY12软
14
20
06
30
1Cr18Ni9软
—
15
—
10
LY12硬
06
08
0.5
09
1Cr18Ni9硬
—
40
—
10
LY11软
14
20
04
30
2Cr18Ni9软
—
40
—
10
LY11硬
05
06
00
00
5.2.3 非圆孔翻边图5.15为非圆孔翻边。从变形情况看，可以沿孔边分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3种性质不同的变形区，其中Ⅰ型区属于圆孔翻边变形，Ⅱ型区为直边，可看作弯曲变形，而Ⅲ型区属于压缩类变形。因此，非圆孔翻边通常是由伸长类变形、压缩类变形、弯曲组合起来的复合成形。由于Ⅱ和Ⅲ型区两部分的变形性质可以减轻I型部分的变形程度，因此非圆孔翻边系数Kf(一般指小圆弧部分的翻边系数)可小于圆孔翻边系数K，两者的关系大致是：
Kf = (0.85~0.95)K
图5.15 非圆孔翻边低碳钢非圆孔的极限翻边系数，可根据各圆弧段的圆心角大小，查表5.6。
表5.6 低碳钢非圆孔的极限翻边系数Kfmin
/(°)
比值r/(2 t)
50
33
20
12.5~8.3
6.6
5
3.3
180~360
0.80
0.60
0.52
0.50
0.48
0.46
0.45
165
0.73
0.55
0.48
0.46
0.44
0.42
0.41
150
0.67
0.50
0.43
0.42
0.40
0.38
0.375
135
0.60
0.45
0.39
0.38
0.36
0.35
0.34
120
0.53
0.40
0.35
0.33
0.32
0.31
0.30
105
0.47
0.35
0.30
0.29
0.28
0.27
0.26
90
0.40
0.30
0.26
0.25
0.24
0.23
0.225
75
0.33
0.25
0.22
0.21
0.20
0.19
0.185
60
0.27
0.20
0.17
0.17
0.16
0.15
0.15
45
0.20
0.15
0.13
0.13
0.12
0.12
0.11
30
0.14
0.10
0.09
0.08
0.08
0.08
0.08
15
0.07
0.05
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0
弯 曲 变 形
非圆孔翻边坯料的预制孔，可以按圆孔翻边、外缘翻边和弯曲各型区分别展开，然后用作图法把各展开线交接处光滑连接起来。
5.3 扩 口扩口也称扩径，它是将管状坯料或空心坯料的口部通过扩口模加以扩大的一种成形方法。一些较长制件中很难采用缩口或阶梯拉深的方法实现变径，采用扩口方法可以比较方便有效地解决。对于两端直径相差较大的管件也可采用直径介于两端之间的坯料，一端缩口，另一端扩口的方法达到成形目的。对于一些内孔尺寸精度要求较高的管料还可采用这种方法整形，以提高内孔的精度和降低粗糙度。几种扩口制件实例如图5.16所示。
图5.16 扩口制件实例扩口模较为简单，一般没有凹模，如图5.17所示。为了工作稳定和定位准确，一般在传力区设有支承装置或夹紧装置，对于长度较短、壁较厚的制件也可不用支承固定，但应设有可靠的定位装置。
图5.17 扩口变形示意及变形区的应力应变状态
A—已变形区；B—变形区；C—传力区
5.3.1 扩口变形特点与扩口系数扩口变形区的应力应变状态如图5.17所示。在凸模施加力的作用下，坯料口部直径扩大而长度变短。扩口变形区受切向拉应力和轴向压应力的双重作用，其中切向拉应力较大，轴向压应力较小，带来的应变为，切向拉伸应变最大，孔径扩大，板厚方向是压应变，厚度变薄。这种应力应变状态的最本质特征与内曲翻边、胀形是相同的。因此，扩口也属于伸长类成形。
扩口变形程度一般用扩口系数表示，即
K＝d/d0
式中：d——扩口后的直径(中径)；
d0——扩口前坯料/工序件/半成品的直径(中径)。
极限扩口系数是在传力区不失稳、变形区不开裂的条件下，所能达到的最大扩口系数。用Kmax来表示。此系数也是衡量扩口能否顺利进行的重要参数。图5.18给出了15钢的极限扩口系数值。极限扩口系数的大小取决于坯料材料的种类、坯料的厚度、坯料口部规整程度、扩口角度及扩口时采用的设备等因素。常用的扩口角一般取20°~30°。在一般情况下，软料、厚料的系数会大一些。
图5.18 极限扩口系数(15钢，扩口角＝20°)
5.3.2 扩口坯料尺寸和制件精度文献中记载的几种计算扩口坯料尺寸的理论公式实用性不强。依据体积不变条件和几何关系，推导并提出的扩口件坯料长度的计算实验公式，经生产实践验证有一定的指导意义，但由于影响扩口变形的因素较复杂，在具体应用时还需作相应的调整。下面介绍几种计算实验公式。
(1) 锥口形扩口件(如图5.19所示)
H0=(0.97~1.00)
(2) 带圆筒形扩口件(如图5.20所示)
H0=(0.97~1.0)
图5.19 锥口形扩口件的坯料计算
图5.20 带圆筒形扩口件的坯料计算
(3) 平口形扩口件(如图5.21所示)
H0=(0.97~1.0)
(4) 整体扩径件(如图5.22所示)
H0=H
图5.21 平口形扩口件的坯料计算
图5.22 整体扩径件的坯料计算
有分析和试验证明，对于带圆筒形扩口件和整体扩径件的尺寸会比扩口冲头直径稍有增大。这种稍微增大的变化量称之为附加扩径量。附加扩径量的规律性数值目前尚未提出。
整体扩径件的尺寸变化规律是两端口部直径较小，其余部分都产生附加扩径量。究其原因，可能是扩径凸模运动过程的不平稳所致。
5.3.3 扩口力的计算采用锥形刚性凸模扩口时(参见图5.17)，单位扩口力p可用下式计算
(MPa)
式中：——单位变形抗力(MPa)；
——摩擦系数；
——凸模半锥角(°)；
K——扩口系数。
5.4 缩 口缩口是将管状坯料或圆筒形工序件/半成品通过缩口模具使其口部直径缩小的一种成形工序，也可称为缩径(如图5.23所示)。
图5.23 缩口成形示意图
A—变形区；B—待变形区(传力区)；C—已变形区缩口工艺应用的例子有子弹壳、圆珠笔芯头部、异径管接头等。无缝钢管的拔制工序也可视为缩口，不过它较为特殊，其变形区不仅是局部而是整支钢管。
缩口工序在某些地方可以代替拉深。如图5.24所示，该制件可以采用板料落料、拉深(多道次)、冲孔、切边等工序完成；如果改用管坯料，那么可采用管料切断、缩口(2次)等工序完成，工序可大大缩短，材料利用率也可提高，经济效益明显，特别是对细长的管状制件，缩口工艺可以起到不可替代的作用。
图5.24 缩口代替拉深的实例
5.4.1 缩口变形特点及缩口系数缩口变形时坯料切向受压应力，在此应力作用下坯料直径减小而厚度与高度略有增加，其应力应变状态如图5.23所示。缩口变形特点与拉深变形相同，也属于压缩类变形。正因为如此，缩口工艺中坯料变形区容易产生失稳起皱。而在非变形区(筒壁)由于承受全部缩口时的压力，也易产生失稳变形。因此，防止这两种失稳变形是缩口工艺能否顺利进行的主要问题。缩口的极限变形程度主要受失稳条件的限制，选择缩口系数m至关重要。
缩口变形程度用缩口系数m表示，即
m=d/D
式中：d ——缩口后的直径；
D ——缩口前坯料/工序件/半成品的直径。
极限缩口系数主要与材料种类、厚度、硬度、模具形式、润滑条件和表面质量有关，与使用的设备也有一定的关系，如用油压机与机械压力机有一些差别。
表5.7是不同材料、不同厚度的平均缩口系数。表5.8是不同材料、不同支承方式的允许缩口系数参考值。从两表给出的数值可以看出，板料厚度大，塑性较好，模具结构中对筒壁有支承作用时，许可缩口系数便较小。这些因素在设计缩口工艺、设计模具时应综合考虑。如不锈钢拉深件，冷作硬化现象较严重，可以在缩口前加一道热处理软化工序以减小制件的缩口系数。但也会由于筒身的软化，导致筒身支承强度减弱，不利于缩口。
表5.7 平均缩口系数
材 料
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1.0
>1.0
黄铜
0.85
0.80～0.70
0.70～0.65
钢
0.80
0.75
0.70～0.65
表5.8 允许缩口系数
材 料
支 承 方 式
无 支 承
外 支 承
内 外 支 承
软 钢
0.70～0.75
0.55～0.60
0.3～0.35
黄铜H62、H68
0.65～0.70
0.50～0.55
0.3～0.32
铝
0.68～0.72
0.53～0.57
0.27～0.32
硬铝(退火)
0.73～0.80
0.60～0.63
0.35～0.40
硬铝(淬火)
0.75～0.80
0.68～0.72
0.40～0.43
5.4.2 缩口模基本结构典型的缩口模具形式如图5.25所示，缩口时工序件/半成品由夹紧装置夹紧，夹紧力通过上模套筒与下模外圆紧配实现，也可通过斜楔装置实现。
缩口模具的支承形式有3种。无支承(如图5.23所示)的模具结构简单、造价低，但稳定性差，一般只在厚壁坯料上采用；外支承形式(图5.26(a))的模具较前者复杂一些，但缩口稳定性较好，许可缩口系数可取小些，这种形式生产中采用较多；内外支承形式(图5.26(b))的模具结构最复杂，但由于应力状态理想、稳定性最好，一般在薄壁筒形件中使用。
图5.25 缩口模原理图
图5.26 不同支承方法的缩口模
1—压簧；2—芯座；3—活动夹紧环；4—套筒；
5—缩口凹模；6—推件器(兼内支承作用)
5.4.3 缩口工艺计算
1,缩口次数若制件的缩口系数m小于允许的缩口系数，可采用多次缩口工艺。先确定缩口次数n。
缩口总次数
n =
式中：d[n] ——缩口的最终直径(中径)；
D ——坯料/工序件/半成品直径(中径)；
m0——平均缩口系数(表5.7)。
m0 = === … ＝
式中：d[1]，d[2]，…，d[n]——分别为第1，2，…，n次缩口后制件的中径。
首次缩口系数m[1]=0.9m0，再次缩口系数m[2]=(1.05~1.10)m0 。需要注意的是，材料变形后的冷作硬化现象会影响缩口系数。缩口次数愈多，缩口系数愈大。
缩口后，制件端部壁厚略有增大，一般可忽略不计。若需要较准确的数据，可按下式估算：
t[n]=
式中：t[n]，——缩口后与缩口前的厚度；
d[n]，——缩口后与缩口前的中径。
2,缩口坯料高度缩口制件的基本类型有3种，如图5.27所示。缩口坯料高度H的计算如下。
图5.27 缩口制件的基本类型图5.27(a)所示形式
H=1.05
图5.27(b)所示形式
H=1.05+
上述两个式子中为缩口模的半锥角，一般小于45°，最好小于30°。这点在冲压件结构设计时应尽量给予考虑。
图5.27(c)所示形式
H=h1+
缩口后由于回弹，制件要比模具尺寸增大0.5%~0.8%。缩口制件精度要求较高时，模具难以一次设计制造到位，最好通过多次试验修正确定。
3,缩口力缩口力的大小与缩口件的形状、变形程度、冲压设备及模具结构形式有关，很难精确计算。对于图5.26(a)所示的锥形缩口件，在无芯轴内支承时其缩口力可按下式计算
P=k
式中：P——缩口力(N)；
t——缩口前板料厚度(mm)；
D——缩口前直径(中径，mm)；
d——制件缩口部位直径(mm)；
——制件与凹模接触面摩擦系数；
——材料屈服强度(MPa)；
——凹模圆锥半锥角；
k——速度系数，在曲柄轴压力机上工作时，k = 1.15。
注意对已冷作硬化的制件，取值应比该材料的屈服强度大。
5.1 胀 形板料/空心工序件/空心半成品在双向拉应力作用下，产生扩张(鼓凸)变形，获得表面积增大(厚度变薄)的制件的冲压成形方法称为胀形。常见的胀形件有板料的压花(筋)件、肚形搪瓷制品、自行车管接头、波纹管等，以及汽车车身的某些覆盖件。
胀形的种类可从坯料形状、坯料所处状态、所用模具、所用能源、成形方式等角度作出区分，其中最基本的是按变形区所占比例划分为局部胀形和整体胀形，最常用的是平板坯料局部胀形和空心坯料胀形。
5.1.1 胀形变形特点图5.1所示为圆形板料局部胀形，坯料的外环部分在足够大的压力下不发生流动，仅在直径为d的区域内坯料产生变形，变形的结果是板料变薄、表面积增大。从第4章中拉深系数的概念还可得知，当坯料的外径与成形圆筒直径的比值D/d＞3时，外环形部分的材料产生切向收缩所需的径向拉应力很大，成为相对于中心部分的强区，以至于环形部分材料不可能向凹模内流动。显然，胀形变形区内材料承受大小不等的双向拉应力，并产生伸长类变形。正是由于这种应力状态，变形区不会产生起皱现象，成形后制件的表面光滑、规整。同时，由于变形区材料截面上拉应力沿厚度方向分布比较均匀，所以卸件后的弹复很小，容易得到精度较高的制件。因此，可以用胀形的方法来整形，提高冲压件的精度和表面质量。
图5.1 胀形变形区
5.1.2 平板坯料局部胀形平板坯料局部胀形又叫起伏成形，它是依靠平板材料的局部拉伸，使坯料或制件局部表面积增大，形成局部的下凹或凸起。生产中常见的有压花、压包、压字、压筋等(如图5.2所示)。
经过起伏成形后的制件，由于形状改变引起惯性矩发生变化，再加上材料的冷作硬化作用，所以能够有效地提高制件的刚度和强度。
在起伏成形中，由于摩擦力的关系，变形区材料的变薄、伸长并不均匀。在某个位置上最为严重，该部位的伸长应变最先达到最大值。若进一步增大变形程度，即会发生迸裂。
图5.2 起伏成形起伏成形的极限变形程度由许可的拉伸变薄量决定，主要受材料性能、制件几何形状、模具结构、胀形方法及润滑条件等因素影响，很难用某种计算方法来准确表示。特别是复杂形状的制件，成形部分各处的应力应变分布比较复杂，计算的结论误差比较大。所以，其危险部位和极限变形程度一般通过试验方法确定。但对于比较简单的筋条类起伏成形件(如图5.3所示)，则可按下式近似地确定其极限变形程度
n=(l－l0)/l0＜(0.70～0.75)
式中：n ——极限变形程度；
l0 ——起伏成形前材料的长度；
l ——起伏成形后制件轮廓的长度；
图5.3 起伏成形前后材料的长度
——材料单向拉伸的伸长率。
系数(0.70~0.75)视局部胀形的形状而定，球形筋取大值，梯形筋取小值。
如果制件要求的局部胀形量超过极限变形程度，可以采用分步方法解决(如图5.4所示)。第1道工序胀成大直径的球形(或锥形)，以求在较大范围内聚料和尽可能地均匀变形。第2道工序再得到所要求的尺寸。第1道成形的表面积应略小于最后成形的表面积，以便通过第2次成形使表面积再略微增大，起到整形作用，避免制件起皱。
压筋、压凸的形式和尺寸可参考表5.1。当起伏成形的筋(或包)与制件外边缘的距离小于3倍板料厚度时，成形过程中边缘材料会向内收缩(如图5.5所示)。对于要求较高的制件应预先留出切边余量，成形后修切整齐。也可以增大压边力，阻止材料向内滑动，保持边缘规整。
图5.4 深度较大的局部胀形法
图5.5 起伏成形距边缘的最小尺寸
表5.1 压筋压凸的形式和尺寸名 称
图 例
R
h
D或B
r
a(°)
压 筋
(3~4)t
(2~3)t
(7~10)t
(1~2)t
—
压 凸
—
(1.5~2)t
≥3h
(0.5~1.5)t
15~30
图 例
D/mm
L/mm
t/mm
6.5
10
6
8.5
13
7.5
10.5
15
9
13
18
11
15
22
13
18
26
16
24
34
20
31
44
26
36
51
30
43
60
35
48
68
40
55
78
45
在曲柄压力机上对薄板(t<1.5mm)、小制件(面积A<2000mm2)进行局部胀形时(加强筋除外)其冲压力可按下式近似计算：
P = AKt2
式中：P ——冲压力(N)；
A ——胀形面积(mm2)；
t ——板料厚度(mm)；
K ——系数，钢 K＝(200~300)N/mm4，黄铜 K＝(50~200)N/mm4。
加强筋所需冲压力可按下式近似计算：
P = LtK
式中：P ——冲压力(N)；
L ——胀形区的周边长度(mm)；
t ——板料厚度(mm)；
——材料抗拉强度(MPa)；
K ——系数。一般K＝0.7~1.0，筋窄而深取大值，反之取小值。
5.1.3 空心坯料胀形
1,极限胀形系数空心坯料的胀形俗称凸肚成形，成形时材料沿径向拉伸，将空心坯料(空心工序件或管坯)向外扩张，胀出所需凸起形状。胀形过程中材料变形部位的切向和母线方向均受拉应力，因此，胀形的变形程度受材料的极限伸长率限制，超过材料的极限伸长率制件将胀裂。变形程度以胀形系数K表示，即
K＝dmax/d0
式中：dmax ——胀形后的最大直径(中径)；
d0 ——坯料/工序件/半成品直径(中径)。
胀形系数K与坯料伸长率的关系为：
＝(dmax－d0)/d0=K－1
胀形件每个横截面的大小很可能不一致，危险截面在变形最大处(dmax)，设计时应特别注意。有些制件有强度要求，胀形件不可避免地会出现材料变薄而影响强度。因此，胀形系数不宜取极限值。表5.2是一些材料的极限胀形系数(极限变形程度)的实验值。
表5.2 极限胀形系数材 料
厚度/mm
材料许用伸长率(%)
极限胀形系数K
高塑性铝合金
0.5
25
1.25
纯铝
1.0
1.2
2.0
28
32
32
1.28
1.32
1.32
低碳钢
0.5
1.0
20
24
1.20
1.24
耐热不锈钢
0.5
1.0
26~32
28~34
1.26~1.32
1.28~1.34
2,胀形工序件计算(参见图5.6)
图5.6 胀形前后尺寸的变化工序件直径(中径)
d0＝dmax/K
工序件长度
L0＝L[1+(0.3～0.4)]+b
式中：L——制件的母线长度；
——制件切向最大伸长率；
b——切边余量，一般取5~15mm。
切边余量与材料的塑性应变比(r值)及模具的粗糙度有关，各向异性小者，b取小值。这点与拉深相同。系数(0.3~0.4)为切向伸长而产生高度缩小的因素。
由于材料的不均匀变薄，工序件的计算很难准确，需多次试验才能确定。
3,胀形的几种方法胀形的方法一般有机械胀形、橡皮胀形、液压胀形。
(1) 机械胀形(刚模胀形)
典型机械胀形如图5.7所示。它是利用锥形芯块4将分瓣凸模2顶开，使坯料胀成所需形状。这种方法模具结构较为复杂。由于凸模分开后存在间隙且周向位移难以一致，因此只能应用于胀形量小且精度不高的制件。图5.8是机械胀形的另一种方法，它采用机械式无凸模胀形法。凹模分上下2块，杯形工序件/半成品放置于下凹模6中，成形时芯轴2先进入工序件/半成品内将其定位，保证杯壁不失稳，继而对其进行镦压。由于凹模及芯轴的约束作用，工序件/半成品只有在中间空腔处变形，达到胀形的目的。这种方法只适用于较小的局部变形。
图5.7 滑块式机械胀形
1—凹模；2—分瓣凸模；3—拉簧；4—锥形芯块
图5.8 无凸模机械胀形
1—上凹模；2—芯轴；3—顶杆；4—推件块；5—顶件块；6—下凹模
(2) 橡皮胀形橡皮胀形如图5.9所示。在压力作用下橡皮变形，使制件沿凹模胀出所需形状。所用橡皮应具有弹性好、强度高和耐油等特点，以聚氨酯橡胶为好。
(3) 液压胀形液压胀形如图5.10所示。压力机滑块下行时，先将灌注有定量液体的工序件/半成品口部密封(可采用橡胶垫)，滑块继续下行，通过液体将高压传递给工序件/半成品内腔，使其变形。这种方法靠液体传力，在无摩擦状态下成形，受力均匀且流动性很好，因此可以制作很复杂的胀形件(如皮带轮等)。这种方法工艺较复杂，成本较高。
图5.9 橡皮胀形
图5.10 液压胀形
1—凸模；2—凹模(2块)；3—橡皮
1—凸模；2—凹模；3—油
橡皮胀形和液压胀形又称软凸模胀形。
4,胀形力软凸模胀形所需的单位压力p，可由变形区内单元体的平衡条件求得。
当坯料两端固定，且不产生轴向收缩时
当坯料两端不固定，允许轴向自由收缩时，可近似按下式计算：
p=(t/rmax)
式中：p——软凸模胀形所需的单位压力(MPa)；
——材料屈服点，胀形的变形程度大时，其值应由材料硬化曲线确定(MPa)；
t——板料厚度(mm)；
rmax，R——胀形制件纬向和经向曲率半径(mm)。
刚模胀形所需压力的近似计算可参考有关手册。
5.2 翻 边翻边主要用于制出与其他零件装配的部位(如螺纹底孔等)，或者为了提高制件的刚度而加工出的特定形状，在大型板金成形时，也可作为控制破裂或褶皱的手段。
按工艺特点，翻边可分为内孔(圆孔/非圆孔)翻边、外缘翻边(含内曲翻边和外曲翻边)等；按变形性质可分为伸长类翻边、压缩类翻边以及属于体积成形的变薄翻边等。伸长类翻边的变形区为二向拉应力状态，沿切向作用的拉应力是最大主应力，在该方向发生伸长变形，而厚度变薄，在边缘易发生破裂。压缩类翻边的变形区为切向受压、径向受拉的应力状态，沿切向作用的压应力为绝对值最大主应力，在该方向发生压缩变形，而厚度增厚，在边缘易发生起皱。
按坯料的状况，翻边还可分为平面翻边和曲面翻边。本书只讨论平面翻边。
5.2.1 圆孔翻边
1,圆孔翻边的变形情况及极限翻边系数圆孔翻边是在制件或板料上将制好的孔直接冲制出竖立边缘的成形方法(如图5.11所示)。翻边的变形区为凹模圆角区之内的环形区，其变形情况是，把板料内孔边缘向凹模洞口弯曲的同时，将内孔沿圆周方向拉长而形成竖边。从坐标网格的变化看出，不同直径的同心圆平面，变成了直径相同的柱面，厚度变薄，而同心圆之间的距离变化则不显著。因此，在通过翻边后得到的柱面轴心线的平面内，可以将翻边变形近似看作弯曲(但厚度变化规律不同)。
图5.11 圆孔翻边时的应力与变形情况
翻边变形区受二向拉应力即切向拉应力和径向拉应力的作用。切向拉应力是最大主应力，在孔口处达到最大值，此值若超过材料的允许值，翻边即会破裂。因此孔口边缘的许用变形程度决定了翻边能否顺利进行。变形程度以翻边系数K表示，即
K=d/D
式中：d——翻边前预制孔直径；
D——翻边后直径(中径)。
K值愈小变形程度愈大。翻边时孔口不破裂可能达到的最小值称为极限翻边系数Kmin。影响Kmin的因素有材料塑性、孔的边缘状况、翻边凸模的形式、d/t(相对厚度)等。翻边工艺设计时可针对这些因素采用工艺措施以利于翻边进行。
表5.3是低碳钢圆孔翻边的极限翻边系数。
表5.3 低碳钢的圆孔极限翻边系数Kmin
凸模型式
孔的加工方法
比 值 d/t
100
50
35
20
15
10
8
6.5
5
3
1
球 形
钻孔去毛刺
0.70
0.60
0.52
0.45
0.40
0.36
0.33
0.31
0.30
0.25
0.20
冲 孔
0.75
0.65
0.57
0.52
0.48
0.45
0.44
0.43
0.42
0.42
－
圆柱形平底
钻孔去毛刺
0.80
0.70
0.60
0.50
0.45
0.42
0.40
0.37
0.35
0.30
0.25
冲 孔
0.85
0.75
0.65
0.60
0.55
0.52
0.50
0.50
0.48
0.47
－
翻边后竖边边缘的厚度小于坯料厚度，其值可按下式估算：
t′= t= t
式中：t′——翻边后竖边边缘厚度；
t——板料或坯料的原始厚度；
K——翻边系数。
2,圆孔翻边的工艺计算平板坯料圆孔翻边的尺寸计算参见图5.11。翻边前需在坯料上加工预制孔，按弯曲成形展开料的原则可求出预制孔直径
d = D－2(H－0.43r－0.72t)
式中符号表示参见图5.11。
翻边高度
H =(D－d)/2＋0.43r＋0.72t
将K=d/D代入可得
H=D(1－K)/2＋0.43r＋0.72t
若以极限翻边系数Kmin代入，即可求出一次翻边可达到的极限翻边高度Hmax
Hmax=D(1－Kmin)/2 + 0.43r ＋0.72t
当制件高度大于Hmax时，说明不可能在一次翻边中直接成形，需增加其他工序，如加热翻边、多次翻边或先拉深、冲孔再翻边等方法。
多次翻边的制件应在2次工序之间进行退火，以消除前次翻边的冷作硬化。后续翻边的极限翻边系数
= (1.15～1.20)Kmin
先拉深，再在底部冲孔再翻边的方法如图5.12所示。
图5.12 拉深后再翻边在拉深件底部冲孔翻边时，应先决定翻边所能达到的最大高度h，根据翻边高度h及制件高度H来确定拉深高度。按中性层长度不变原则计算翻边高度
h = －≈0.57r
极限翻边高度
hmax =D(1－Kmin)/2+0.57r
预制孔直径
d = D－2h + 1.14r
拉深高度
h′= H－h + r + t
上述各式中符号表示如图5.12所示。
由于圆孔翻边的变形区材料在切向拉应力及径向压应力的作用下会产生变薄及伸长，按上述板料中性层长度不变原则推导出的关系式有不同程度的误差。还有一种按体积不变原则推导出的计算关系式，但也不十分精确。同时，需要指出的是，影响圆孔翻边高度的因素还有很多，如不同的板料、不同的凸模都可能产生不同的影响。若预制孔在拉深之前加工好，拉深过程中，该孔的尺寸可能产生变化，也会影响计算的翻边高度。因此，在生产实际中往往通过现场试验来检验和校正上述关系式的计算值。
3,无预制孔翻边无预制孔翻边多应用于薄板小孔翻边件。翻边前不预先加工孔，翻边时，凸模的尖锥形头部先刺破板料，继而进行翻边。这种翻边形式得到的翻边件口部不易规整，但生产效率较高，在电器产品的零件中常有应用。
4,翻边凸模翻边力与压边力翻边凸模的形状(如图5.13所示)对翻边力的影响很大，理论分析与实践证明，抛物线形凸模的翻边力最小，依次增大的为球形凸模、锥形凸模、柱形凸模。抛物线形凸模的加工难度最大。如设备吨位足够大，应尽量采用形状简单的凸模。
图5.13 圆孔翻边凸模的形状和尺寸不同形状凸模翻边力的计算式为：
柱形凸模 P = 1.1t(D－d)
球形凸模 P = 1.2Dtm
式中：P ——翻边力(N)；
t ——板料厚度(mm)；
D ——翻孔中径(mm)；
d ——预制孔直径(mm)；
——材料的抗拉强度(MPa)；
m ——系数(见表5.4)。
表5.4 翻边力计算的m值翻边系数
0.5
0.6
0.7
0.8
系数m
0.2~0.25
0.14~0.18
0.08~0.12
0.05~0.07
翻边时一般要采用压边圈施加压边力。压边力的作用是保证非翻边区不产生流动和变形，所以压边力要较大。特别是外法兰部分面积较小的翻边件压力要更大。压边力的计算可参照拉深压边力计算并取偏大值。外法兰部分面积比翻边孔大得愈多，压边力愈小，甚至可不需压边力。
5.2.2 外缘翻边外缘翻边有外曲翻边和内曲翻边两种情况(如图5.14所示)。
图5.14 外缘翻边外曲翻边的变形状况近似于浅拉深，变形区主要为切向受压，属于压缩类变形，压应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递减。内曲翻边的变形状况近似于圆孔翻边，变形区主要为切向受拉，属于伸长类变形，拉应力从中间部位向两侧递减，因此变形后翻边高度从中间部位向两侧递增。可见，对于精度要求较高的外缘翻边制件，变形区坯料要给一定的修正量(可查手册或由试验确定)。
外曲翻边变形程度，可以表述为
=b/(R+b)
内曲翻边变形程度，可以表述为
=b/(R－b)
表5.5给出了几种常用材料在外缘翻边时的允许变形程度。
表5.5 外缘翻边允许的变形程度材料名称及牌号
×100
×100
材料名称及牌号
×100
×100
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
橡皮成形
模具成形
铝
合
金
L4软
25
30
06
40
黄铜
H62软
30
40
8
45
L4硬
05
08
03
12
H62半硬
10
14
4
16
LF21软
23
30
06
40
H68软
35
45
8
55
LF21硬
05
08
03
12
H68半硬
10
14
4
16
LF2软
20
25
06
35
钢
10
—
38
—
10
LF2硬
05
08
03
12
20
—
22
—
10
LY12软
14
20
06
30
1Cr18Ni9软
—
15
—
10
LY12硬
06
08
0.5
09
1Cr18Ni9硬
—
40
—
10
LY11软
14
20
04
30
2Cr18Ni9软
—
40
—
10
LY11硬
05
06
00
00
5.2.3 非圆孔翻边图5.15为非圆孔翻边。从变形情况看，可以沿孔边分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型3种性质不同的变形区，其中Ⅰ型区属于圆孔翻边变形，Ⅱ型区为直边，可看作弯曲变形，而Ⅲ型区属于压缩类变形。因此，非圆孔翻边通常是由伸长类变形、压缩类变形、弯曲组合起来的复合成形。由于Ⅱ和Ⅲ型区两部分的变形性质可以减轻I型部分的变形程度，因此非圆孔翻边系数Kf(一般指小圆弧部分的翻边系数)可小于圆孔翻边系数K，两者的关系大致是：
Kf = (0.85~0.95)K
图5.15 非圆孔翻边低碳钢非圆孔的极限翻边系数，可根据各圆弧段的圆心角大小，查表5.6。
表5.6 低碳钢非圆孔的极限翻边系数Kfmin
/(°)
比值r/(2 t)
50
33
20
12.5~8.3
6.6
5
3.3
180~360
0.80
0.60
0.52
0.50
0.48
0.46
0.45
165
0.73
0.55
0.48
0.46
0.44
0.42
0.41
150
0.67
0.50
0.43
0.42
0.40
0.38
0.375
135
0.60
0.45
0.39
0.38
0.36
0.35
0.34
120
0.53
0.40
0.35
0.33
0.32
0.31
0.30
105
0.47
0.35
0.30
0.29
0.28
0.27
0.26
90
0.40
0.30
0.26
0.25
0.24
0.23
0.225
75
0.33
0.25
0.22
0.21
0.20
0.19
0.185
60
0.27
0.20
0.17
0.17
0.16
0.15
0.15
45
0.20
0.15
0.13
0.13
0.12
0.12
0.11
30
0.14
0.10
0.09
0.08
0.08
0.08
0.08
15
0.07
0.05
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
0
弯 曲 变 形
非圆孔翻边坯料的预制孔，可以按圆孔翻边、外缘翻边和弯曲各型区分别展开，然后用作图法把各展开线交接处光滑连接起来。
5.3 扩 口扩口也称扩径，它是将管状坯料或空心坯料的口部通过扩口模加以扩大的一种成形方法。一些较长制件中很难采用缩口或阶梯拉深的方法实现变径，采用扩口方法可以比较方便有效地解决。对于两端直径相差较大的管件也可采用直径介于两端之间的坯料，一端缩口，另一端扩口的方法达到成形目的。对于一些内孔尺寸精度要求较高的管料还可采用这种方法整形，以提高内孔的精度和降低粗糙度。几种扩口制件实例如图5.16所示。
图5.16 扩口制件实例扩口模较为简单，一般没有凹模，如图5.17所示。为了工作稳定和定位准确，一般在传力区设有支承装置或夹紧装置，对于长度较短、壁较厚的制件也可不用支承固定，但应设有可靠的定位装置。
图5.17 扩口变形示意及变形区的应力应变状态
A—已变形区；B—变形区；C—传力区
5.3.1 扩口变形特点与扩口系数扩口变形区的应力应变状态如图5.17所示。在凸模施加力的作用下，坯料口部直径扩大而长度变短。扩口变形区受切向拉应力和轴向压应力的双重作用，其中切向拉应力较大，轴向压应力较小，带来的应变为，切向拉伸应变最大，孔径扩大，板厚方向是压应变，厚度变薄。这种应力应变状态的最本质特征与内曲翻边、胀形是相同的。因此，扩口也属于伸长类成形。
扩口变形程度一般用扩口系数表示，即
K＝d/d0
式中：d——扩口后的直径(中径)；
d0——扩口前坯料/工序件/半成品的直径(中径)。
极限扩口系数是在传力区不失稳、变形区不开裂的条件下，所能达到的最大扩口系数。用Kmax来表示。此系数也是衡量扩口能否顺利进行的重要参数。图5.18给出了15钢的极限扩口系数值。极限扩口系数的大小取决于坯料材料的种类、坯料的厚度、坯料口部规整程度、扩口角度及扩口时采用的设备等因素。常用的扩口角一般取20°~30°。在一般情况下，软料、厚料的系数会大一些。
图5.18 极限扩口系数(15钢，扩口角＝20°)
5.3.2 扩口坯料尺寸和制件精度文献中记载的几种计算扩口坯料尺寸的理论公式实用性不强。依据体积不变条件和几何关系，推导并提出的扩口件坯料长度的计算实验公式，经生产实践验证有一定的指导意义，但由于影响扩口变形的因素较复杂，在具体应用时还需作相应的调整。下面介绍几种计算实验公式。
(1) 锥口形扩口件(如图5.19所示)
H0=(0.97~1.00)
(2) 带圆筒形扩口件(如图5.20所示)
H0=(0.97~1.0)
图5.19 锥口形扩口件的坯料计算
图5.20 带圆筒形扩口件的坯料计算
(3) 平口形扩口件(如图5.21所示)
H0=(0.97~1.0)
(4) 整体扩径件(如图5.22所示)
H0=H
图5.21 平口形扩口件的坯料计算
图5.22 整体扩径件的坯料计算
有分析和试验证明，对于带圆筒形扩口件和整体扩径件的尺寸会比扩口冲头直径稍有增大。这种稍微增大的变化量称之为附加扩径量。附加扩径量的规律性数值目前尚未提出。
整体扩径件的尺寸变化规律是两端口部直径较小，其余部分都产生附加扩径量。究其原因，可能是扩径凸模运动过程的不平稳所致。
5.3.3 扩口力的计算采用锥形刚性凸模扩口时(参见图5.17)，单位扩口力p可用下式计算
(MPa)
式中：——单位变形抗力(MPa)；
——摩擦系数；
——凸模半锥角(°)；
K——扩口系数。
5.4 缩 口缩口是将管状坯料或圆筒形工序件/半成品通过缩口模具使其口部直径缩小的一种成形工序，也可称为缩径(如图5.23所示)。
图5.23 缩口成形示意图
A—变形区；B—待变形区(传力区)；C—已变形区缩口工艺应用的例子有子弹壳、圆珠笔芯头部、异径管接头等。无缝钢管的拔制工序也可视为缩口，不过它较为特殊，其变形区不仅是局部而是整支钢管。
缩口工序在某些地方可以代替拉深。如图5.24所示，该制件可以采用板料落料、拉深(多道次)、冲孔、切边等工序完成；如果改用管坯料，那么可采用管料切断、缩口(2次)等工序完成，工序可大大缩短，材料利用率也可提高，经济效益明显，特别是对细长的管状制件，缩口工艺可以起到不可替代的作用。
图5.24 缩口代替拉深的实例
5.4.1 缩口变形特点及缩口系数缩口变形时坯料切向受压应力，在此应力作用下坯料直径减小而厚度与高度略有增加，其应力应变状态如图5.23所示。缩口变形特点与拉深变形相同，也属于压缩类变形。正因为如此，缩口工艺中坯料变形区容易产生失稳起皱。而在非变形区(筒壁)由于承受全部缩口时的压力，也易产生失稳变形。因此，防止这两种失稳变形是缩口工艺能否顺利进行的主要问题。缩口的极限变形程度主要受失稳条件的限制，选择缩口系数m至关重要。
缩口变形程度用缩口系数m表示，即
m=d/D
式中：d ——缩口后的直径；
D ——缩口前坯料/工序件/半成品的直径。
极限缩口系数主要与材料种类、厚度、硬度、模具形式、润滑条件和表面质量有关，与使用的设备也有一定的关系，如用油压机与机械压力机有一些差别。
表5.7是不同材料、不同厚度的平均缩口系数。表5.8是不同材料、不同支承方式的允许缩口系数参考值。从两表给出的数值可以看出，板料厚度大，塑性较好，模具结构中对筒壁有支承作用时，许可缩口系数便较小。这些因素在设计缩口工艺、设计模具时应综合考虑。如不锈钢拉深件，冷作硬化现象较严重，可以在缩口前加一道热处理软化工序以减小制件的缩口系数。但也会由于筒身的软化，导致筒身支承强度减弱，不利于缩口。
表5.7 平均缩口系数
材 料
材料厚度t/mm
～0.5
>0.5～1.0
>1.0
黄铜
0.85
0.80～0.70
0.70～0.65
钢
0.80
0.75
0.70～0.65
表5.8 允许缩口系数
材 料
支 承 方 式
无 支 承
外 支 承
内 外 支 承
软 钢
0.70～0.75
0.55～0.60
0.3～0.35
黄铜H62、H68
0.65～0.70
0.50～0.55
0.3～0.32
铝
0.68～0.72
0.53～0.57
0.27～0.32
硬铝(退火)
0.73～0.80
0.60～0.63
0.35～0.40
硬铝(淬火)
0.75～0.80
0.68～0.72
0.40～0.43
5.4.2 缩口模基本结构典型的缩口模具形式如图5.25所示，缩口时工序件/半成品由夹紧装置夹紧，夹紧力通过上模套筒与下模外圆紧配实现，也可通过斜楔装置实现。
缩口模具的支承形式有3种。无支承(如图5.23所示)的模具结构简单、造价低，但稳定性差，一般只在厚壁坯料上采用；外支承形式(图5.26(a))的模具较前者复杂一些，但缩口稳定性较好，许可缩口系数可取小些，这种形式生产中采用较多；内外支承形式(图5.26(b))的模具结构最复杂，但由于应力状态理想、稳定性最好，一般在薄壁筒形件中使用。
图5.25 缩口模原理图
图5.26 不同支承方法的缩口模
1—压簧；2—芯座；3—活动夹紧环；4—套筒；
5—缩口凹模；6—推件器(兼内支承作用)
5.4.3 缩口工艺计算
1,缩口次数若制件的缩口系数m小于允许的缩口系数，可采用多次缩口工艺。先确定缩口次数n。
缩口总次数
n =
式中：d[n] ——缩口的最终直径(中径)；
D ——坯料/工序件/半成品直径(中径)；
m0——平均缩口系数(表5.7)。
m0 = === … ＝
式中：d[1]，d[2]，…，d[n]——分别为第1，2，…，n次缩口后制件的中径。
首次缩口系数m[1]=0.9m0，再次缩口系数m[2]=(1.05~1.10)m0 。需要注意的是，材料变形后的冷作硬化现象会影响缩口系数。缩口次数愈多，缩口系数愈大。
缩口后，制件端部壁厚略有增大，一般可忽略不计。若需要较准确的数据，可按下式估算：
t[n]=
式中：t[n]，——缩口后与缩口前的厚度；
d[n]，——缩口后与缩口前的中径。
2,缩口坯料高度缩口制件的基本类型有3种，如图5.27所示。缩口坯料高度H的计算如下。
图5.27 缩口制件的基本类型图5.27(a)所示形式
H=1.05
图5.27(b)所示形式
H=1.05+
上述两个式子中为缩口模的半锥角，一般小于45°，最好小于30°。这点在冲压件结构设计时应尽量给予考虑。
图5.27(c)所示形式
H=h1+
缩口后由于回弹，制件要比模具尺寸增大0.5%~0.8%。缩口制件精度要求较高时，模具难以一次设计制造到位，最好通过多次试验修正确定。
3,缩口力缩口力的大小与缩口件的形状、变形程度、冲压设备及模具结构形式有关，很难精确计算。对于图5.26(a)所示的锥形缩口件，在无芯轴内支承时其缩口力可按下式计算
P=k
式中：P——缩口力(N)；
t——缩口前板料厚度(mm)；
D——缩口前直径(中径，mm)；
d——制件缩口部位直径(mm)；
——制件与凹模接触面摩擦系数；
——材料屈服强度(MPa)；
——凹模圆锥半锥角；
k——速度系数，在曲柄轴压力机上工作时，k = 1.15。
注意对已冷作硬化的制件，取值应比该材料的屈服强度大。
