确定适宜的工艺方案

根据零件的形状和结构特点等可以看出，零件的中部有一直段，左端口部直径大，可通过扩口方式获得，右端直径较小，可通过缩口方式获得。坯料规格为ϕ60mm×2mm的防锈铝合金3A21管材。

1.缩口工艺

缩口变形的主要特点是毛坯口部受切向压应力的作用，使口部产生压缩变形，直径变小，厚度和高度增加。因此，在缩口工艺中，毛坯可能产生失稳起皱。要顺利进行缩口变形，必须使缩口系数K大于极限缩口系数K_m。极限缩口系数K_m与模具结构、材料种类、材料厚度有关，塑性较好的铝合金极限缩口系数K_m具体取值见表6-1。

表6-1 铝合金极限缩口系数

缩口系数可采用如下公式计算

K=d/D （6-1）

式中，d是零件缩口后的直径（mm）；D是缩口前空心毛坯直径（mm）。

从图6-1中可以看出，d=ϕ60mm，D=ϕ65mm，则K=0.92，计算的缩口系数大于材料的最大极限缩口系数，因此能够一次缩口获得工件。

2.扩口工艺

扩口是将管材口部扩大的一种成形方法，扩口时毛坯受到切向拉应力的作用，使口部材料产生伸长变形，直径增加，厚度和高度减薄。因此，在扩口工艺中，毛坯口部可能产生拉裂现象。要顺利进行扩口变形，需使扩口系数m小于极限扩口系数m_m。铝合金极限扩口系数m_m与相对坯料厚度存在如下关系

m_m=1.35+3t₀/D （6-2）

由于t₀=2mm，D=ϕ65mm，故m_m=1.44

扩口系数可采用如下公式计算

m=D₀/D （6-3）

式中，D₀是扩口后管口直径（mm），本例中为72mm。

于是得m=1.11，小于极限扩口系数，因此能够一次扩口获得工件。

从上面的分析可以看出，尽管缩口和扩口变形特点不同，但变形程度均满足成形条件，考虑到零件生产批量较大，因此宜采用扩口、缩口复合模生产该零件，便于提高生产效率和保证产品质量。(www.xing528.com)

3.扩口、缩口变形失稳判断

在锥管扩口、缩口变形过程中，坯料的各个部分在模具的作用下，可能具有不同的变形趋向性。图6-2是锥管坯料在扩口、缩口成形过程中的变形区和传力区。压力机施加的变形力通过传力区作用于变形区，使其发生塑性变形。传力区在传递压力过程中，要承受全部的变形压力，易产生失稳变形，为了防止失稳变形，需对传力区的稳定性进行判断，以便在模具结构上采取相应的措施。

锥管在扩口、缩口变形过程中，不同变形工序需要的变形力大小是不一样的。

缩口工序所需的变形力（即缩口力）可采用以下公式计算

F_缩=K{1.1πDt₀σ_s（1-d/D）×（1+μcotα）/cosα+1.82σt²[d+r_d（1-cosα）/r_d}（6-4）式中，F_缩是缩口力（N）；t₀是工件原始壁厚（mm）；D是工件原始直径（mm）；d是工件缩口后直径（mm）；μ是摩擦系数；σ_s是材料屈服点（MPa）；α是凹模半锥角（°）；t是缩口后口部壁厚（mm）；σ是材料缩口的真实应力（MPa）；r_d是凹模圆角半径（mm）；K是速度系数，一般冲床K=1.15。

本例中，r_d=25mm，α=30°，σ=50MPa，σ_s=80MPa，取μ=0.1，故得F_缩=5.7kN。

图6-2 管材变形区域示意图

扩口工序所需的变形力（即扩口力）可采用以下公式计算

式中，F_扩是扩口力（N）；R_m是材料的抗拉强度（MPa）；A是扩口面积（mm²）。

查表得R_m=110MPa，经计算A≈8954mm²，于是F_扩=63kN。

管材在扩口力、缩口力的共同作用下，其发生的变形要符合“弱区必先变形，变形区必为弱区”的冲压变形趋向性原理。即变形力通过坯料的传力区施加于变形区，使变形区发生塑性变形。在变形过程中，变形区、传力区的范围及尺寸在不断发生变化和相互转换，当变形区有两种以上的变形方式时，首先发生的是需变形力最小的变形方式，其首先进入塑性状态，产生塑性变形。由于锥管的缩口力远小于扩口力，所以，锥管在扩缩口复合成形时，首先在较小的缩口力所用下发生缩口，缩口完成后，其自动转换为传力区，进行扩口变形。

由于扩口力远大于缩口力，所以，进行传力区稳定性校核应在扩口阶段进行。锥管在扩缩口变形过程中，主要受到轴向压力，校核应采用压杆出现纵向弯曲失稳时的临界力进行。校核公式为

式中，E是弹性模量（MPa）；I是惯性矩（mm⁴）；L是长度尺寸（mm）；λ是长度系数。

3A21的弹性模量E=70000MPa，长度L=80mm，λ根据管材成形特点，按一端固定，另一端铰支选取，本例选为0.7，惯性矩4。代入校核公式得出F_临=9886kN。从上面的计算可以看出，F_临>F_扩，故传力区的管材刚度足够，不会有失稳现象发生。