引伸加工知识全.docx
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引伸加工知识全
引伸加工知识
(一)引伸的意義與原理
引伸(Drawing)是將板料沖壓成有底空心件的加工方法,用法來生產之製品種類繁多,如圖7-63所示各種直壁類或曲面類的引伸製品,製品尺寸可由直徑數公釐至2~3公尺、厚度0.2~300mm等,在汽車、飛機、鐘錶、電器、及民生用品等領域均有廣泛的應用。
如圖7-64及圖7-65所示,引伸係將圓形胚料在沖頭的加壓作用下,逐漸在下模間隙間變形,並被拉入下模穴,形成圓筒形零件。
換言之,在引伸的過程中,由於板料內部的相互作用,使各個金屬小單元體之間產生了內應力,在徑向產生拉伸應力,圓周方向則產生壓縮應力,在這些應力的共同作用下,邊緣區的材料在發生塑性變形的條件下,不斷地被拉入下模穴內而成為圓筒形零件。
如圖7-66所示為圓筒件引伸時之應力應變狀態,在板料的突緣區(平面突緣部份)係產生徑向拉應力及切向(圓周方向)壓應力,並在徑向與圓周方向分別產生伸長及壓縮變形,厚度則稍有增加,在突緣外緣增加最大。
在過渡區(突綠圓角部份),即下模圓角處的板料除受到徑向拉伸外,同時亦產生塑性彎曲,使板厚減小,當下模圓角半徑小到某一數值時,因彎曲變形頗大而將會出現彎曲破裂。
在傳力區(筒壁部份),因材料在離開下模圓角後,產生反向彎曲(校直),圓筒側壁受到軸向拉伸,其筒壁厚度將呈現上厚下薄的現象。
在第二過渡區(底部圓角部份)一直承受筒壁傳來的拉伸應力,並且受到沖頭的壓力作用,使此部位的板料薄化最為嚴重,容易有破裂之虞,通常薄化最嚴重是在筒壁直段與下模圓角交接區域。
在不變形區(圓筒底部份)則是處於雙向拉伸,但拉伸受到沖頭摩擦力的阻止,故薄化很小,一般可將其忽略。
因此,如圖7-67所示,引伸製品的厚度與硬度會有如後的變化:
底部略有變薄,筒壁上段增厚,愈到上綠增厚愈大;筒壁下段變薄,愈靠圓角變薄愈大;由筒壁向底部轉角稍上處,出現嚴重變薄,甚至可能會斷裂,而沿高度方向,零件各部分的硬度也不一樣,愈到上緣硬度愈高。
(二)引伸力與引伸功
引伸力與引伸功係合理選擇引伸設備與正確設計模具的重要依據,引伸加工中,沖頭所需施加的壓力即為引伸力,引伸力的確定是以引伸件危險斷面所產生的拉伸應力必須小於該斷面材料的破斷強度為準則,但由於影響引伸力及危險斷面之破斷強度的因素很複雜,以理論公式計算的引伸力常與實際情況有差異,故一般引伸加工常用經驗公式估算,如表7-18所示。
除此之外,壓料力亦頗為重要,因壓力太大,不但增加引伸沖床的負荷,也可能使製品薄化或破裂,但如果壓力太小,無法達到應有的壓料效果,因而使製品產生皺紋。
引伸功亦是選擇引伸沖床的重要依據,如圖7-68的所示為引伸力與沖頭行程的關係圖,曲線下的面積即為引伸功,一般也是以經驗公式計算:
上式中,
=引伸功(J),C=係數,與引伸率有關,如表7-20,
為最大引伸力(N),h則是引伸深度(mm)。
(三)引伸胚料的展開
進行引伸加工前,需依製品形狀、高度等給予展開,以求出胚料的尺寸,作為準備材料及模具設計的參考。
引伸胚料的展開可用近似的數學方法或圖解,譬如面積法、簡易圖解法、重心法、部份面積法、輪廓作圖法等。
面積法是假設引伸完成的製品與胚料厚度不變的原則來計算,亦即製品的表面積與胚料的表面積應相等,以圓筒件為例有如下的關係:
(參閱圓7-69的)
所以展開後之胚料直徑等於:
上式係用於較薄板料且筒壁與筒底接合隅角較小的情況,當時隅角較大時應修正如表7-21所示。
又若遇到複雜的引伸胚料展開時,則可將引伸件分割成便於計算的數個簡單幾何形狀,經計算後加總以獲得最終總面積,再轉換成胚料直徑,如表7-22為數個簡單幾何形狀的計算公式。
例:
欲引伸厚度1mm,圓筒直徑50mm,圓筒高度的40mm,角隅半徑3mm
之筒狀製品,試以面積法求胚料直徑D=?
解:
已知d=50mm,h=40mm,r=3mm,
故申公式
得
102.5mm
(四)引伸加工製程
以圓筒引伸為例,其主要變數約有下列數項:
1.板料的性質:
板料的引伸能力可用極限引伸比(Limitingdrawingratio,LDR)表示,即板料引伸時不會產生破壞,胚料直徑(D)與沖頭直徑(d)的最大比值,亦即LDR=
。
因此,不同材料或板厚在各引伸道次皆有其極限引伸比。
2.引伸率:
引伸後圓筒直徑(d)與胚料直徑(D)的比值謂之引伸率(Drawingratio),即m=
,引伸率引伸加工表示變形程度的指標,倒數就是引伸比。
因此,不同材料或板厚在各引伸道次也皆有其極限引伸率,如表7-23所示。
由於引伸製品大都需經過多道次的成形,引伸次數的設計就頗為重要。
例:
將厚度2mm直徑100mm的鐵板引伸為直徑38mm之圓筒,求其引
率及所需的引伸次數。
解:
查表得
=53~60%,
=82~85%,
=85~86%,
=86~87%
m=38/100=38%
=53>38%
×
=53%×82%=43>38%
×
×
=43%×85%=37<38%
故需引伸三次
3.模具間隙:
沖頭與模穴間的間隙謂之,普通引伸的模具間隙是大於板厚,以減少板料與沖模間的摩擦。
4.沖頭與下模穴隅角半徑:
太大常會造成皺紋,太小會使製品破裂。
下模穴隅角半徑可用經驗公式計算:
。
5.壓皺力:
在引伸中能防止製品產生皺紋的最小壓料力即為壓皺力但(Blankholderforce),一般使用胚料周邊法計算壓皺力的公式是:
,
其中
=板料的極限拉伸強度,
=板料的降伏強度,
=下模穴隅角半徑,D=胚料直徑,d=沖頭直徑,t=板厚。
6.摩擦與潤滑:
潤滑在引伸過程的作用是減小板料與模具間的摩擦,降低變形阻力,有助於降低引伸率及引伸力,防止模具工作表面過快磨損及產生擦痕。
故通常潤滑劑係塗在與凹模接觸的板料面上,而不可將其塗在與沖頭接觸的表面上,以防止材料沿沖頭滑動而使板料產生薄化。
7.沖頭速度:
引伸速度應適當,依材質、形狀等因素而異。
引伸加工的基本方法有如表7-24所示。
此外,反向引伸法(Reversedrawing)亦常用於大中形再引伸工程的零件及雙壁的引伸成形。
所謂反向引伸是將圓筒內側在引伸過程中翻轉到外側以減縮其直徑並增加高度的方法,如圖7-70所示,而圖7-71為連續反向引伸法的模具。
將沖頭與下模間隙作成與板厚相同或稍小,使引伸後的圓筒壁厚變薄,同時圓筒高度增加的方法稱為引縮加工(Ironing),如圖7-72所示,引縮加工與普通引伸比較,具有如後之特點:
1因材料是受到均勻壓應力作用的變形,產生很大的冷作硬化,金屬晶粒變細,強度因而提高。
2.經塑性變形後,新的表面粗糙度變小,
可達0..2μm以下。
3.因加工過程摩擦嚴重,故對潤滑及模具材料的要求較高。
(五)引伸製品的缺陷
引伸加工是一種複雜的沖壓加工法,表7-25引伸加工的製品缺陷分析,圖7-74較常見的引伸製品缺陷-凸線皺紋、筒壁皺紋、破裂、凸耳、表面刮痕等之圖例。
參考資料
1.塑性加工學,許源泉編著,全華科技圖書公司。
2.金屬塑性加工學,余煥騰、陳適範編著,全華科技圖書公司。
3.塑性加工學,李榮顯編著,三民書局。
4.高科技製造技術,柳昆成、李祖慰、譚仲明、江忠焜編著,全華科技圖書公司。
5.衝壓模設計,劉福興、鄭偉盛編著,新文京開發圖書公司。
6.塑性加工學,向四海‧林昇立編著,高立圖書公司。
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