翻孔工艺中的极限翻孔系数与变薄翻孔设计要点

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：翻孔时孔的边缘不破裂所能达到的最小翻孔系数，称为极限翻孔系数。例4-2固定套翻孔件的工艺计算。由d0/t=32.3，查表4-56，若采用圆柱形凸模，得低碳钢极限翻孔系数为0.65，小于计算值，所以该制件能一次翻孔成形。图4-52 凹模入口圆角设计要点5.变薄翻孔当翻孔制件要求具有较高的竖边高度，而竖边又允许变薄时，可以采用变薄翻孔。图4-53所示为变薄翻孔的尺寸变化。变薄翻孔时，凸模与凹模之间应具有良好的导向，以保证间隙均匀。

翻孔是沿制件内孔周围将材料翻成侧立凸缘的冲压工序，又称为内孔翻边。常见的翻孔为圆形翻孔。如图4-43所示，翻孔前毛坯孔径为d₀，翻孔变形区是内径为d₀、外径为D的环形部分。当凸模下行时，d₀不断扩大，并逐渐形成侧边，最后使平面环形变成竖直的侧边。变形区毛坯受切向拉应力σ_θ和径向拉应力σ_r的作用，其中切向拉应力σ_θ是最大主应力，而径向拉应力σ_r值较小，它是由毛坯与模具摩擦产生的。在整个变形区内，孔的外缘处于切向拉应力状态，且其值最大，该处的应变在变形区内也最大。因此在翻孔过程中，竖立侧边的边缘部分最容易变薄、开裂。

1.翻孔系数

翻孔的变形程度用翻孔系数K来表示：

翻孔系数K越小，翻孔的变形程度越大。翻孔时孔的边缘不破裂所能达到的最小翻孔系数，称为极限翻孔系数。影响翻孔系数的主要因素如下：

1）材料的性能。塑性越好，极限翻孔系数越小。

2）预制孔的加工方法。冲压出的孔没有撕裂面，翻孔时不易出现裂纹，极限翻孔系数较小。冲出的孔有部分撕裂面，翻孔时容易开裂，极限翻孔系数较大。如果冲孔后对材料进行孔的整修，可以减小开裂。此外，还可以将冲孔的方向与翻孔的方向相反，使毛刺位于翻孔内侧，这样也可以减小开裂，降低极限翻孔系数。

图4-43 翻孔时变形区的应力状态

3）如果翻孔前预制孔径d₀与材料厚度t的比值d₀/t较小，在开裂前材料的绝对伸长可以较大，因此极限翻孔系数可以取较小值。

4）采用球形、抛物面形或锥形凸模翻孔时，孔边圆滑地逐渐胀开，所以极限翻边系数可以较小，而采用平面凸模则容易开裂。

低碳钢的极限翻孔系数见表4-56。翻圆孔时各种材料的翻孔系数见表4-57。

表4-56 低碳钢的极限翻孔系数

表4-57 翻圆孔时各种材料的翻孔系数

2.翻孔尺寸计算

图4-44 平板毛坯翻孔

平板毛坯翻孔的尺寸如图4-44所示。

在平板毛坯上翻孔时，按制件中性层长度不变的原则近似计算。预制孔直径d₀由下式计算，即

其中D₁=D+2r+t h=H-r-t

翻孔后的高度H由下式计算，即

将式（4-62）代入式（4-64），即可求出最大翻孔高度。当制件要求的高度大于最大翻孔高度时，就难以一次翻孔成形。这时应先进行拉深，在拉深件的底部先加工出预制孔，然后再进行翻孔，如图4-45所示。

3.翻孔力计算

有预制孔的翻孔力由下式计算，即

式中 F———翻孔力（N）；

σ_s———材料屈服强度（MPa）；

D———翻孔后中性层直径（mm）；

d₀———预制孔直径（mm）；

t———材料厚度（mm）。

图4-45 拉深后再翻孔

无预制孔的翻孔力要比有预制孔的翻孔力大1.3～1.7倍。

例4-2固定套翻孔件的工艺计算。制件如图4-46所示，材料为08钢，料厚t=1.0mm。

解1）计算预制孔。

图4-46 固定套翻孔件

预制孔直径为32.3mm。

2）计算翻孔系数。

由d₀/t=32.3，查表4-56，若采用圆柱形凸模，得低碳钢极限翻孔系数为0.65，小于计算值，所以该制件能一次翻孔成形。

3）计算翻孔力。

查有关手册：

4.翻孔凸模、凹模设计

（1）翻孔时凸模与凹模的间隙因为翻孔时竖边变薄，所以凸模与凹模的间隙小于厚度，其单边间隙值可按表4-58选取。

表4-58 翻孔凸模与凹模的单边间隙（单位：mm）

（2）翻孔凸模与凹模翻孔凸模及凹模设计的好坏直接影响翻孔的质量，翻孔时凸模圆角半径一般较大，甚至做成球形或抛物线形，有利于变形。以下介绍几种常见的翻孔凸模及凹模设计要点。

1）平顶凸模（见图4-47）。平顶凸模常用于大口径且对翻孔质量要求不高的制件，用平顶凸模翻孔时，材料不能平滑变形，因此翻孔系数应取大些。

2）抛物线形凸模（见图4-48）。抛物线的翻孔凸模，工作端有光滑圆弧过渡，翻孔时可将预制孔逐渐地胀开，减轻开裂，比平顶凸模效果好。

3）无预制孔的穿刺翻孔（见图4-49）。无预制孔的穿刺翻孔凸模端部呈锥形，α取60°。凹模孔带台肩，以控制凸缘高度，同时避免直孔引起的边缘不齐。(https://www.chuimin.cn)

图4-47 平顶凸模翻孔

图4-48 抛物线形凸模翻孔

图4-49 无预制孔的穿刺翻孔

4）有导正段的凸模（见图4-50）。此凸模前端有导正段，工作时导正段先进入预制孔内，先导正工序件的位置再翻孔。其优点是：工作平稳，翻孔四周边缘均匀对称，翻孔的位置精度较高。

5）带有整形台肩的翻孔凸模（见图4-51）。此凸模后端设计成台肩，其工作过程是：压力机行程降到下极点时，翻孔后靠肩部对制件圆弧部分整形，以此来克服回弹，起到了整形作用。

图4-50 有导正段的凸模翻孔

图4-51 带有整形台肩的翻孔凸模

6）凹模入口圆角设计要点（见图4-52）。凹模入口圆角对翻孔质量的控制至关重要。入口圆角r主要与材料厚度有关：

制件凸缘圆角小于上值时应加整形工序。

图4-52 凹模入口圆角设计要点

5.变薄翻孔

当翻孔制件要求具有较高的竖边高度，而竖边又允许变薄时，可以采用变薄翻孔。这样可以节省材料，提高生产效率。

变薄翻孔要求材料具有良好的塑性，变薄时凸、凹模采用小间隙，材料在凸模与凹模的作用下产生挤压变形，使厚度显著减薄，从而提高了翻孔高度。图4-53所示为变薄翻孔的尺寸变化。

图4-53 变薄翻孔的尺寸变化

变薄翻孔时的变形程度用变薄系数k表示：

式中 t₁———变薄翻孔后的竖边厚度（mm）；

t———毛坯厚度（mm）。

试验表明：一次变薄翻孔的变薄系数k可达0.4～0.5，甚至更小。

变薄翻孔的预制孔尺寸及变薄后的竖边高度，应按翻孔前后体积不变的原则确定。

变薄翻孔多采用阶梯形凸模成形，如图4-54所示。变薄翻孔力比普通翻孔力大得多，并且与变薄量成正比。翻孔时凸模受到较大的侧压力，可以把凹模压入套圈内。变薄翻孔时，凸模与凹模之间应具有良好的导向，以保证间隙均匀。

图4-54 采用阶梯形凸模的变薄翻孔

变薄翻孔通常用在平板毛坯或半成品的制件上冲制小螺钉孔（一般为M6以下）。在螺孔加工中，为保证使用强度，对于低碳钢或黄铜制件的螺孔深度不小于直径的1/2，而铝件的螺孔深度不小于直径的2/3。为了保证螺孔深度，又不增加制件厚度，生产中常采用变薄翻孔的方法加工小螺孔。常用标准螺纹变薄翻孔数据见表4-59、表4-60。

表4-59 粗牙螺纹翻孔数据（单位：mm）

（续）

表4-60 细牙螺纹翻孔数据（单位：mm）

（续）

注：表中有关物理量符号见表4-59图。

6.异形孔的翻孔

异形孔由不同半径的凸弧、凹弧和直线组成，各部分的受力状态与变形性质有所不同，直线部分仅发生弯曲变形，凸弧部分为拉深变形，凹弧部分则为翻孔变形。

图4-55所示为异形翻孔件的轮廓，其预制孔可以按几何形状的特点分为三种类型：圆弧a为凸弧，按拉深计算其展开尺寸；圆弧b为凹弧，按翻孔计算其展开尺寸；直线c，按弯曲计算其展开尺寸。

图4-55 异形翻孔件的轮廓

在计算时，可以按上述三种情况分别考虑，将理论计算出来的孔形状再加以适当的修正，使各段平滑连接，即为所求预制孔的形状。

异形翻孔时，曲率半径较小的部位，切向拉应力和切向伸长变形较大；曲率半径较大的部位，切向拉应力和切向伸长变形都较小。因此核算变形程度时，应以曲率半径较小的部分为依据。由于曲率半径较小的部分在变形时受到相邻部分材料的补充，使得切向伸长变形得到一定程度的缓解，因此异形孔的翻孔系数允许小于圆孔的翻孔系数，一般取：

式中 K′———异形孔的翻孔系数；

K———圆孔的翻孔系数。

翻孔工艺中的极限翻孔系数与变薄翻孔设计要点

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