《钢桶制造技术》
杨文亮 辛巧娟 编著
第十一章 桶底顶成形工艺
钢桶一般由桶身、桶顶、桶底、封闭器及相关辅件组成。在钢桶生产中，钢桶的桶顶、底盖和封闭器等常用冷冲压方法加工。钢桶顶底盖的冲裁、拉深、翻边；封闭器的落料、冲孔、拉深；钢桶顶盖与螺圈的锁装均由冲压加工完成。因而冲压加工在钢桶生产中有着很重要的地位，它是钢桶生产中应用广泛的一种加工工艺。
冲压是金属压力加工方法的一种，它是在常温下借助模具在冲床上进行的加工方法。
由于桶底顶盖和封闭器成批大量的生产，采用冲压加工，不论在技术方面还是在经济方面，都有着显著的优点，它不但能获得重量轻、强度高、刚性好、外表光滑美观的桶件，而且操作简便、劳动强度低。很容易实现机械化自动化生产，提高生产率。
第一节 桶底顶成形的特点
桶底顶的成形是由冲裁（落料）和拉深成形两个过程完成的。桶底顶的类型如图11-1所示可分为圆形、矩形、椭圆形，多边形等，还有些桶底顶设有加强筋。
a—圆形桶底顶；b—矩形桶底顶
图11-1 桶底顶的类型
图11-2 桶底顶冲裁过程
一、桶底顶冲裁（落料）成形特点
如图11-2是钢桶材料的冲裁过程。当模具间隙正常时，这个过程大致可以分成三个阶段。
1．弹性变形阶段
当冲头接触板料后，开始压缩材料，并使材料产生弹性压缩，拉伸与弯曲等变形。这时凸模冲头略挤入材料，材料的另一侧也略挤入凹模洞口。随着冲头继续压入，材料内的应力达到弹性极限。此时，凸模下的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘，间隙越大，弯曲和上翘越严重。
2．塑性变形阶段
当凸模冲头继续压入，压力增加，材料内的应力达到屈服阶段。这时冲头挤入材料的深度逐渐增大，即塑性变形程度逐渐增大，材料内部的拉应力和弯矩都增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形力不断增大，直到刃口附近的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，冲裁变形力达到最大值。材料出现微裂纹，说明材料开始破坏，因而塑性变形阶段告终。由于存在冲模间隙，这个阶段中除了剪切变形外，冲裁区还产生弯曲和拉深，显然，间隙越大，弯曲和拉深也越大。
a—塌角；b—光亮带；c—剪裂带； d—毛刺；σ—正应力；τ—切应力
图11-3 冲裁区应力与应变情况
3．断裂分离阶段
凸模冲头仍然不断地继续压入，已形成上下微裂纹逐渐扩大并向材料内延伸，像楔形那样地发展，当上下两裂纹相遇重合时，材料便被剪断分离。
材料在冲裁时的应力应变如图11-3所示，在塑性变形过程中，由冲头挤压切入所形成的表面是很光滑的，一般称为光亮带。材料在剪断分离时所形成的断裂带，表面粗糙，称为剪裂带。
桶底顶冲裁（落料）件的断面具有明显的区域性特征。断面上可以明显地区分为光亮带、剪裂带、塌角和毛刺四个部分。图11-3，a为塌角，形成塌角的原因是当冲头压入材料时，刃口附近的材料被牵连拉入变形的结果；b为光亮带，表面光滑，断面质量最佳；c为剪裂带，表面粗糙并略带斜度，不与板平面垂直；d为毛刺。
塑性差的材料，断裂倾向严重，经由塑性变形形成的光亮带及塌角两部分所占的比例较小，毛刺也较小，而断面大部分是剪裂带。塑性较好的材料，与此相反，其光亮带所占的比例较大，塌角和毛刺也较大，而剪裂带则小一些。
模具间隙较大时，材料中的拉应力将增大，容易产生剪裂纹，塑性变形阶段较早结束，因此光亮带要小一些，而剪裂带、塌角和毛刺都比较大，制件的翘曲现象也较显著。反之，间隙较小时，材料中拉应力成分减小，静水压效果增强，裂纹的产生受到抑制，所以光亮带变大，而塌角、斜度、翘曲等现象均减小。
间隙过大或过小均将导致上、下两方的剪裂线不能相交重合于一线，毛刺、塌角、斜度都将增大，使冲裁件尺寸与冲模刃口尺寸的偏差增大。间隙合适，即在合理间隙范围内时，上、下剪裂纹基本重合于一线，这时光亮带约占板厚的三分之一左右，塌角、毛刺和斜度也均不大。
从上面分析中可以看出，冲裁件质量主要是通过断面光亮带大小、塌角、毛刺以及冲裁件的翘曲等来判断的。增大光亮带的关键在于推迟剪裂纹的产生，所以要尽量减小材料内的拉应力和弯曲力矩，其主要途径是减小间隙。压紧凹模上的材料，对凸模下的材料施加反压力。减小塌角、毛刺和翘曲的措施，除了尽可能采用合理间隙的下限值外，还要注意保持刃口的锋利，采用压板和在凸模下面加反压力等。
表11-1为一般桶底顶冲裁（落料）件允许的毛刺高度。对于一般钢桶用材料，冲裁断面粗糙度在12.5～6.3之间。
表11-1 桶底顶冲裁毛刺的允许高度
材料厚度，mm |
生产时毛刺高度，mm |
试模时毛刺高度，mm |
～0.5 |
≤0.05 |
≤0.015 |
0.6～1.0 |
≤0.10 |
≤0.03 |
1.1～2.0 |
≤0.15 |
≤0.05 |
二、桶底顶拉深成形特点
拉深成形过程，是利用模具使冲裁后得到的平面桶底顶毛坯变成为如图11-1所示的零件的冲压工艺方法。在多数企业的桶底顶实际生产中，冲裁落料与拉深是在同一个复合模中一次冲压成形的。也有一些生产条件较差的（或缺少大吨位冲床的）企业生产中，会单独进行拉深加工。现就拉深成形的特点进行简单的分析。
桶底顶拉深过程如图11-4所示，其凸模与凹模和冲裁时不同，它们的工作部分都没有锋利的刃口，而是做成为一定的圆角半径，并且其间隙也稍大于板料的厚度。在凸模的作用下，原始直径为D0的毛坯，在凹模端面和压边圈之间的缝隙中变形，并被拉进凸模与凹模之间的间隙里形成空间零件的直壁。零件上高度为H的直壁部分是由毛坯的外部环形部分转化而成的，所以拉深时毛坯的外部环形部分是变形区，而底部通常是不参加变形的不变形区。
1—凸模；2—压边圈；3—毛坯；4—凹模
图11-4 桶底顶拉深过程
1．圆形桶底顶的拉深特点
圆形桶底顶制件在拉深过程中，毛坯各部分的受力情况都是不同的，其毛坯的变形特点，见图11-5所示。
图11-5 圆形桶底顶拉深的变形特点
制件的OC0D0部分，在全部拉深过程中始终保持其平面形状，是不变形区。这部分毛坯起力的传递作用，它把接收到的凸模作用力传给毛坯的圆柱形的侧壁，使侧壁产生轴向拉应力，而本身是双向受拉的应力状态，如图11-6所示。
图11-6 拉深时毛坯内各部分的内应力
拉深时形成的圆柱形侧壁部分C＇D＇E＇F＇是由平板毛坯C0D0E0F0部分转化而成的。这部分是已经结束了自己的塑性变形阶段的已变形区，它也起着力的传递作用，即把凸模的作用力传到平面环形部分A＇B＇E＇F＇，并使其内部产生足以引起拉深变形的径向拉应力σ1（图11-6）。平面环形部分A＇B＇E＇F＇是拉深时变形区，在径向应力的作用下，产生塑性变形，并向中心移动，而且逐渐地进入凸模与凹模的间隙里，最终形成制件所需要的形状。
拉深毛坯在凸模圆角处一直承受着圆柱形直壁传来的拉应力，并且受到凸模的压力，使这部分材料变薄最为严重，因此危险断面就在凸模圆角附近处。当拉深程度较小时，侧壁内的拉应力也小，毛坯与凸模圆角部分不能紧密接触，制件的底部也容易产生畸变。
2．矩形桶底顶的拉深特点
矩形桶底顶制件的拉深，是一种复杂的变形过程，是拉深与弯曲的组合。矩形制件与圆形制件的最大差别是在拉深件周边上变形是不均匀的，见图11-7。
图11-7 矩形件拉深变形特点试验
为了分析矩形桶底顶制件在拉深时的变形特点，拉深前在毛坯表面上，在圆角部分成径向放射线与同心圆弧所组成的网格。而在直边部分划成由相互垂直的等距离平行线组成的网格，然后拉深。观察拉深后制件表面网格的变化，可以了解矩形桶底顶制件在拉深时变形的情况。
（1）直边部位侧壁上的网格尺寸发生了横向压缩和纵向伸长的变化，同时其分布也是不均匀的：在直边部分的中间部位拉深变形最小，在靠近圆角部分的拉深变形最大。变形在高度方向上也是不均匀的：在靠近底部位置变形最小，在靠近上口部位变形最大。
（2）圆角部位平板上的径向放射线，在拉深变形后不是成为与底面垂直的等距离平行线，而是成为上部距离大，下部距离小的斜线。其变形特点与圆形桶底顶制件拉深相似，但其变形程度小于半径与高度相同的圆形制件。
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