200L闭口钢桶透气口翻边问题的探讨

四川省自贡市粮油机械厂 余明可

摘要：200L闭口钢桶（以下简称钢桶）透气口的成形为一带凸起伏的孔翻边，常出现突缘裂口等加工缺陷。教科书和设计手册对于孔翻边的有关问题论述极少。常要由几次试验确定翻边模的设计，因而加长了冲模制造周期。为了提高工作效率，增加经济效益和社会效益，笔者参考了有关文献，并结合自己在实践中的体会，试就钢桶透气口翻边问题及其参数的计算作一介绍和探讨，以期得到同行点拨，共同提高。

关键词：钢桶；透气口；翻边

钢桶透气口的成形实为一带起伏的孔翻边，即将平板坯的钢桶桶盖，在起伏拉延的伺时，冲予留孔并将其扩成带有竖直边的透气口。笔者工厂的钢桶透气口形状及尺寸和模具见（图1）。经过探索和研究，钢桶透气口翻边出现突缘裂口的现象已基本消除。

图1 钢桶透气口冲予留孔、翻边一次成形模

一、裂口产生的根本原因——应力和应变

常识先知，完整的突缘产生裂口，一定是力作用的结果，那么,孔翻边时应力状态和应变是怎样的？

笔者曾在予冲孔周围画出若干等距离圆环(见图2b)，翻边后发现圆环之间的距离变化不大，但圆环本身却大大地伸长了(见图2．a)。通过对翻孔壁上取下的单元体进行应力分析（见图2．c），可以知道金属材料在切向和径向都受到拉伸应力，以切向拉伸应力为最大，而在板厚方向上的应力则近似地认为等于零，即： σ1>σ2＞O, σs＝O。根据全量应变理论：

图2

可见，孔翻边时，金属材料的切向变形最大，恒为正。在翻孔突缘的顶部切向拉应力达最大值，而径向拉应力等于零，即σ2= O，此时呈线性拉伸状态，式(1)则为：

因此，孔翻边是一种以伸长变形为主的变形。

由于冲模设计不合理，参数选择不当，材质变化等原因，翻边时即可造成切向主应力达到和超过断裂应力σd、即仲长变形达到极限应变εmax，此时就产生裂口。

二、影响翻边变形程度的因素

(l)翻边系数k

予冲孔直径与翻边凸缘中性层直径（见图6）之比，即do/D=k，称为翻边系数。它表示了孔的变形程度。对于低碳钢，k =0.74～0.87；kmim=0.65～0.71。笔者工厂钢桶透气口冲模原予冲口尺寸为d。＝φ19.5，则k=0.624，时有裂口产生；当改do＝φ21后，则k＝0.672,改进效果明显。

(2)翻边凸模形状

翻边凸模形状（见图3）对翻边极限有影响。顶面为平面的凸模不好;球底凸模能提高加工极限，减小翻边系数k；顶角是60°的圆锥凸模和球底凸模相近。顶角小也能提高加工极限，k亦可取小值。这是因为采用锥角凸模和球底凸模是使孔圆滑地胀开的，而采用顶面为平面的凸模则是使孔急剧地胀开，因此，容易开裂，但锥角凸模和球底凸模亦有使凸模行程加长的缺点，选择时应抓住主要矛盾。笔者工厂透气口冲模为拉延、冲孔和翻边一次成形复合模。其翻边凸模又是冲予留孔凹模（见图4），是中空的，不可能做成球底模。考虑到行程因素及冲裁刃口强度末做成锥角凸模，而采用的平面凸模。如图4所示，原。R＝2,时有裂口，在R＝4.5，效果极佳。

图3

图4 翻边模

翻边凹模直径d凹和凸模直径d凸（见图1）之差的一半为翻边间隙Z,即：

Z=（d凹－d凸）/2

如前述，翻边凸缘的应力状态为双向拉伸，近似认为沿料厚方向的应力等于零。当较大地缩小翻边间隙时，在翻边过程终了阶段，就使坯料外圈仿佛套了一个紧固的刚性环，从而限制裂纹的产生。此时，金属材料沿料厚方向承受很大的压应力，显然，这种应力状态的转变将使材料的塑性提高，即ε↑。

所以ε↑，则k↓，即减小翻边间隙Z可以用小k值。

另外，翻边间隙的减小，ε增大的结果使材料变薄，可以使翻边的突缘增高，即等于使予冲孔直径d。减小，由k＝d。/D，k↓，即do↓。因此，减小翻边间隙可以用小k值。

(4)予冲孔毛刺方向

孔翻边时，突缘外侧切向变形最大，拉伸应力也最大。因此，将予冲孔毛刺面放在翻边突缘的内侧，即冲孔方向和翻边方向相反，可以降低k值。同理，对冲孔毛刺进行修整也可以降低k值，因为，消除了毛刺，减少了应力集中，从而也就不易开裂。

(5)材料性能

根据式(2)，k＝1/（1+ε），可知塑性好的材料其ε↑所以k↓。实践证明，进口钢板比上钢板比太钢板好。太钢板中含碳量为0.12时，在模具未进行全面改进时，翻边裂口几乎达20%。

另外，材料在塑性变形中的硬化程度，即硬化指数n要对翻边变形有影响。n值大的材料，在同样变形条件下，可使变形均匀，并具有减少毛坯局部变薄和增大极限变形程度的作用，其塑性变形稳定性好，不易出现局部的集中变形和破坏。

再者，板厚方向性系数γ——即板材在拉伸试验中伸长达20%时，宽度应变εb与厚度应变εt之比，即：

式中：b、b。、t、t。分别为变形前后试样的宽度与厚度。

γ＞1的材料，即材料在宽度方向比在厚度方向还容易产生变形。这样的材料也可以有较小的翻边系数。

(6)板厚t

国产钢桶专用板的厚度及公差为1.25±0.09，当公差为上差时对翻边有利，因为材料扮相对厚度t/d。大者，可以有较小的k值。假定d。不变，则随着厚度的增加，材料在发生断裂前的绝对伸长也愈大，即不易拉裂，故k值可以降低。

三、参数计算

(1)翻边间隙Z

透气口翻边的正常间隙应取z≥t，t为名义料厚。这样，退料容易，也可减小对凹模的磨损，并且对于因定位偏差而引起的翻边周边高度并不敏感，从而也就减小了出现翻边高度超差的可能性。

图5

因透气口翻边后还要进行小螺圈锁口，故可对翻边筒壁的垂直度要求降低。笔者工厂取z=1.6>t=1.25，实践证明效果好。若要求翻边筒壁垂直或对翻边直径有较严公差要求时，翻边间隙宜采用z =O～0.9t。如图5、假定孔翻边时，在予冲孔周围的正方形为t×t，翻边后则为t1×t1，则有：

对于低碳钢k=O.74～0.87，则t1≈0.8～0.9t，故取Z=0.8～0.9t。

(2)翻边模工作部分尺寸的确定

如图1。透气口翻边，固有小螺圈锁装工序的二次冲压，故孔径要求不严，为自由公差，公差范围较大。这时因选用Z≥t，故翻边时凸模瞎损很大，而凹模磨损很小。因此，对尺寸注内孔者，应将透气口自由公差的40～80%留给凸模，包含在凸模名义尺寸内；对尺寸注外径者。应将透气口自由公差的20%留给凹模，包含在凹摸名义尺寸内。即对于名义尺寸注内孔者：

(3)予冲孔径的计算

①、凹模圆角尺较小时用下式：

d。=CDpi-2h

式中：h——翻边高度（见图6）；

Dpi——透气口中性层直径；

C——系数，见下表

计算出的须用公式Kmin≥d。/Dpi＝0.65～0.71进行验算。若小于此值时，则应调整翻边高度h，使之减小。对于钢桶透气口翻边，因必须调整h，为此需进行予拉延。

②、凹模圆角R较大时，则按弯曲中性层展开，即：

d。＝Dpi-2h+0.86Rpi

式中：Rpi——圆角处的中性半径（见图6）

(4)予拉延深度计算

从透气口图（见图1）可见若按(5)式和(6)式进行计算后得出的予冲孔径值是相当小的，满足不了Kmin的要求。若就此进行翻边设计必成废品。为此必须进行予拉延。翻边予拉延深度可按下式计算（见图6）：

H1=H-hmax+R

笔者工厂予拉延深度为5.5～6，效果较好。

图6 翻边予拉延计算

四、结论

1、钢桶透气口翻边是一种以切向仲长变形为主的变形。模具设计时若结构欠妥，参数计算不当，就会造成切向主应力达到和超过材料断裂应力σd，即切向伸长变形达到极限应变εmax的情况，因而产生裂口。

2、影响翻边变形程度和质量为多种因素的综合。设计、制造、生产各过程应全面考虑，综-合治理（如图7所示）。

图7 钢桶透气口翻边一次性工艺设计与模具设计应考虑的问题

3、为了一次性完成工艺设计与模具设计，减少模具制造周期和浪费，增进经济效益和社会效益，对影响翻边的各参数必须进行精确计算。

参考文献