《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

 

第二节 桶底顶成形工艺设计

一、冲裁力与冲裁间隙

冲裁力是选择冲压设备吨位和检验模具强度的一个重要依据。

平刃冲模的冲裁力可按下式计算：

P=kLtτ               （11-1）

式中：P——冲裁力，N；L——冲裁件周边长度，mm；t——材料厚度，mm；τ——材料抗剪强度，N/mm2；k——系数。

系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。生产中的各种实际因素很多，如模具间隙的波动和不均匀，刃口的钝化，板料机械性能和厚度的波动等。根据经验一般可取k=1.3。

抗剪强度τ的数值，取决于材料的种类和状态。为了便于估算，可取抗剪强度τ等于该材料强度极限σb的80%，即取τ=0.8σb。
为了简便也可按下式估算冲裁力：

P=Ltσb                （11-2）

用平刃模具冲裁时所需的冲裁力大，在钢桶底顶零件冲裁时，往往会超出现有设备的吨位。为了减小冲裁力，减小冲击、振动和噪声，可以采用斜刃冲模。

斜刃冲模冲裁时其情况如斜刃剪板机一样，材料是沿长度逐渐分离的。为了制取平整的零件，落料时凸模应做成平刃，凹模做成斜刃。斜刃一般做成波浪形，应力求对称以避免水平方向的侧向力。

斜刃冲模的减力程度由斜刃波峰高度H和角度φ而定。斜刃冲裁力Ps可按下式计算：

Ps=kP                      （11-4）

式中：P——用平刃冲模冲裁时所需的力；k——斜刃冲裁的减力系数（表11-2）。

在一般桶底顶落料情况下，可取H=2t，φ＜5°，如图11-8所示。

表11-2 斜刃减力k值

从上一节的冲裁过程分析中可知，冲裁凸模和凹模间的间隙，对冲裁件断面质量有极重要的影响。此外，冲裁间隙还影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，冲裁间隙是一个非常重要的工艺参数。

图11-8 斜刃冲模示意图

图11-9 冲裁模间隙

冲裁模的合理间隙数值应使冲裁时材料中的上、下两剪裂纹重合，正好相交于一条连线上（图11-9）。根据图上的几何关系可得：

                   （11-4）

式中：c——单边间隙，mm；t——材料厚度，mm；b——光亮带宽度，或产生裂纹时凸模挤入的深度，mm；b/t——产生裂纹时凸模挤入材料的相对深度，mm；β——剪裂纹与垂直线间的夹角。

材料厚度增大，间隙数值应成正比地增大，反之亦然。

比值b/t是产生剪裂纹时的相对挤入深度，它与材料有关。材料塑性好，光亮带b大，间隙数值就小。塑性低的硬脆材料，间隙数值就大一些。另外，b/t还与材料的厚度有关，对同一种材料来说，b/t不是一个常数。因此，薄料冲裁的合理间隙要小一些，而厚料的b/t数值小，合理间隙应取得大一些。

在实际工作中，可采用下述经验公式计算合理间隙c的数值。

c=mt0                                                     （11-5）

式中：t——材料厚度， mm；m0——系数，与材料性能及厚度有关。

在实用上，对于桶底顶一般情况来说，可以选用下列数值：m0=0.06～0.09。

间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的一个因素。冲裁过程中，凹模与落料之间均有摩擦，而且间隙越小，摩擦越严重，在正常情况下，间隙对冲裁力的影响不甚严重。

间隙对卸料力、推料力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料或从凹模洞口推料都将省力。一般当单边间隙增大到材料厚度的15～25%时，卸料力几乎减到零。

表11-3为正常情况下合理间隙数值。其中“双边”是指模具在直径方向上两边的间隙总和。

表11-3 冲裁模合理间隙值（双边）

在使用表11-3时，当对冲裁件断面质量要求高时，可将表中的间隙数值减小1/3；当凹模洞口型式为圆柱形时，取表中偏大的数值；当凹模洞口型式为锥形时，取表中偏小的数值。

 

二、拉深力与拉深间隙

拉深件的拉深程度一般用拉深系数表示，拉深系数（m）是指拉深后制件直径d与毛坯直径D的比值：

m=d/D                       （11-6）

m是小于1的系数。当m越小时，说明拉深时变形程度越大，传统习惯把K=1/m表示拉深程度或拉深比。

在确定m值时，在保证产品质量的前提下，要做到充分利用材料的塑性，使其达到最大可能的变形程度，以降低成本。

为了正确选择设备，工艺设计时应进行拉深力的计算，在生产中常用近似公式计算。

对圆形桶底顶制件：

P=Kπdtσb                               （11-7）

对于矩形桶或复杂形状的桶底顶制件：

P=KLtσb                          （11-8）

式中：t——材料厚度，mm；d——拉深凹直径，mm；L——拉深凹模口周长，mm；σb——材料强度极限，N/mm2；K——系数，取0.6～1.0（m小时取大值）。

为了防止拉深过程中起皱，模具应有压料装置，压料力一般由下式计算：

对于圆形桶底顶制件：

                        (11-9)

对于矩形及复杂形状的桶底顶制件：

Q=K1Fq                      （11-10）

式中：D——毛坯直径，mm；d——拉深凹模直径，mm；r凹——凹模圆角半径，mm；q——单位压料力，N/mm2，对于一般桶底顶制件，q=0.25N/mm2。F——有效压边面积，mm2；K1——系数，取1.1～1.4（m小时取大值）。

因为压料力和拉深力是同时进行的，所以计算总的拉深力时包括压料力在内，即

P总=P+Q                       （11-11）

拉深模具凸凹模之间应有一定的间隙，拉深模的间隙数值，主要决定于拉深零件的形状、尺寸精度的要求，拉深方法等，由于拉深过程中板材不可避免地有增厚现象（图11-10），所以间隙的数值通常必须取得大于毛坯的原始厚度，以利于拉深过程的进行。

图11-10 有压料圈拉紧时制件厚度的变化

（制件名义尺寸为1.0）

拉深间隙就是凸模与凹模直径之差的一半，通常用Z来表示。拉深间隙的大小，对拉深力、制件质量和模具寿命均有影响。间隙过大，制件容易起皱；过小则直壁容易变薄，表面挤伤甚至拉裂，也降低模具寿命。拉深间隙的计算公式为：

                     （11-12）

式中：K——系数，取1.1～1.5；t——料厚，mm；△——料厚上偏差，mm。

对于一般桶底顶拉深情况来说，可取K=1.1，即用下式来计算拉深间隙：

Z=1.1t+△                                                      （11-13）

 

三、矩形桶底顶件毛坯形状和尺寸的确定

正确地决定矩形制件毛坯的形状和尺寸，对节约钢材和提高拉深件质量都是很重要的。因为过大的毛坯尺寸，能够引起危险断面的拉应力的增大。当毛坯局部尺寸过大时，在拉深过程中，这部分会从变形区突出去，不但突出部分本身的变形减小，而且也使邻近部分的板料变形比较困难。毛坯尺寸大的部分变形阻力增大，使其变形过程减小，必然导致拉深变形较多集中到其他部分去，于是增加了沿毛坯周边变形分布不均匀的程度。引起制件壁厚不均匀和变形过分集中部位的局部起皱，降低了拉深件的质量。

矩形件拉深时，计算毛坯尺寸的依据是等面积法，即根据毛坯的面积和制件的面积相等的原则进行计算。但是，毛坯的形状必须保证材料在整个周边的分布，能满足制件周边每点上都形成等高的侧壁的需要。

矩形件直边部分的应变可略而不计，即认为是简单的弯曲，按弯曲变形展开计算。

图11-11 矩形拉深毛坯的概略计算

圆角部分按四分之一圆形件拉深变形在矩形件底部的平面展开，见图11-11的ABCDEF。

上述毛坯不具有圆滑过渡的轮廓，而且也没有考虑到圆角部分向直边部分转移，所以要作如下修正：由BC和DE的中点G和H做圆弧R的切线，并用圆弧R将切线和直边展开线连接起来，则得到修正后的毛坯外形ALGHMF。

按弯曲变形展开的直边部分长度L为：

                      （11-14）

式中：H——矩形件的冲压高度（应包括修边余量△h，其值为0.03h～0.05h），其值应等于矩形件高度h和△h之和，mm；rp——矩形件底部的圆角半径，mm；Rf——底部圆角中心和凸缘边之间的距离，mm；rf——矩形件边缘与侧壁圆角半径，mm。

圆角部分按四分之一圆形件展开得半径R，其值按下式计算：

            （11-15）

式中：a——桶底顶的边宽，mm。

矩形件可以一次拉深成功，拉深力P可近似地按下式计算：

                    （11-16）

式中：r——矩形件圆角部分的圆角半径；L——矩形件直边部分长度的总和；σb——材料的强度极限；t——材料的厚度；K1——系数，一般可取K1=0.5；K2——系数，间隙足够大，压边力较大，Q≥0.3P时取K2=0.3，强力压边时取K2=1。

 

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