弹性成型101

弹性成型,也称为橡胶垫成型,是一种金属板制造工艺,在成型工具的一侧使用弹性垫,在另一侧使用实体模具或冲头。

什么是弹性成型?

弹性成型,也称为橡胶垫成型,是一种金属板制造工艺,在成型工具的一侧使用弹性垫,在另一侧使用实心模具或冲头。 橡胶垫成型最初是由 Henry Guerin 在 1930 年代后期开发的,用于制造飞机结构部件,此后成为许多航空航天应用的先决条件。 据估计,超过 60% 的航空钣金零件是使用柔性工具成型的,通常使用聚氨酯弹性体,以生产具有卓越表面质量且工艺相关缺陷更少的产品。

弹性成型是一种有效的方法,可通过用柔性垫代替金属工具来最大限度地降低初始工具成本并简化成型过程。 可以轻松实现零件尺寸和多个零件配置的大量变化。 无需额外精加工或抛光,即可在单个冲压循环中生产高质量零件。 工艺设计和应用的简单性使弹性成型成为原型开发和中小批量生产的绝佳选择。 应用可以在航空航天、汽车和消费品领域找到。 下面的图 1 是一个设计用于弹性成型的液压机的例子。

Macrodyne Elasto Forming Press
无花果。 1:一台 7700 吨多架弹压机。

材料注意事项

任何具有延展性的金属板都可以通过弹性成型来成型,但是,由于弹性体的强度有限,因此可以加工的金属板厚度受到限制。 下面的表 1 中列出了一些常见材料和典型的最大厚度。

板材 等级条件 厚度,最大典型值
奥氏体不锈钢 304-退火 1.3 毫米/0.05 英寸
奥氏体不锈钢 316 – 1/4 硬 0.8 毫米/0.03 英寸
铝合金 2024-O 4.7 毫米/0.19 英寸
铝合金 7075-W 4.7 毫米/0.19 英寸
铝合金 2024-T4 1.6 毫米/0.64 英寸
钛合金,加热 Ti-6Al-4V 1.0 毫米/0.04”

表 1:用于弹性成型的示例钣金材料。

在成型工具中使用弹性体可能是有利的,因为:优异的耐磨性、从变形中快速恢复的能力以及断裂前的高伸长率。 天然橡胶 (NR)、硅橡胶 (SR) 和苯乙烯-丁二烯橡胶 (SBR) 是传统上用于橡胶垫成型的常见弹性体,但是,现代弹性成型工艺最常使用聚氨酯 (PU) 垫,原因是与其他弹性体替代品相比,具有卓越的耐用性、耐磨损性和承受更高成型压力的能力。

聚氨酯的硬度或硬度值以及形状系数对形成零件所需的压缩载荷有直接影响。 形状系数[SF]是负载表面与卸载表面总面积的比率。 下面的图 2 描绘了一个聚氨酯垫的例子,它具有不同的形状因素,与压缩载荷期间弹性体材料的应力-应变关系相关。

无花果。 2:肖氏A硬度70聚氨酯不同形状因子的应力-应变关系

弹性成型的优点

与传统成型工艺相比,弹性成型的一些优点是:

  1. 仅需要一个刚性工具半部即可形成零件。
  2. 柔性垫代替任何模具形状。
  3. 工具可以由低成本、易于加工的材料制成,主要是由于施加的力均匀。
  4. 与传统模具上的固定半径不同,成型半径在冲程期间逐渐减小。
  5. 工件金属的减薄大大减少。
  6. 可以在同一工具中形成不同的金属和材料厚度。
  7. 由于不会产生工具痕迹,因此可以形成具有出色表面光洁度的零件。
  8. 由于不需要排列工具,因此设置时间大大缩短。

一些限制是:

  1. 柔性垫的使用寿命有限,这取决于成型的严重程度和压力水平。
  2. 缺乏足够的成型压力会导致零件不那么锋利或有皱纹,这可能需要后续的手工操作。
  3. 生产速度相对较慢,使该工艺更适用于较小的零件体积
  4. 升高的成型温度被限制在弹性体的温度范围内。

何时使用弹性成型

液压弹性成型压力机能够快速且经济高效地制造用于航空航天、汽车和家电应用的高精度钣金部件。 该工艺非常适合中低产量。

由铝合金、不锈钢和钛合金制成的零件最常采用弹性成形。 弹性成型是一种制造工艺,可用于复杂零件(可能需要切割、弯曲和形成接头的多个步骤和过程)可以在单个压力机内成型为单个钣金零件。

航空航天工业广泛使用弹性成型来制造零件,因为技术法规和安全标准不允许使用常规金属工具来成型钣金零件。 使用弹性体工具可以减轻变薄、损伤和应力集中,同时保持机身安全所需的质量和结构完整性。

工艺注意事项

确定弹性成型是否是零件制造的首选工艺是一项复杂的挑战。 必须考虑生产量、生产率、零件成本、零件功能和制造公差。 除了金属成型,下料和穿孔也可以通过弹性成型来完成,如下一列中的图 3 所示。

无花果。 3:不同的弹性成型操作

替代流程

能够实现类似结果的过程包括:

金属冲压:如果所成型的材料在室温下具有延展性,并且所需的零件质量可以承受闭模成型工艺,则可以使用。 通常需要更传统的用于管理回弹的零件和模具设计方法来生产精确的零件。

温冲压:通常用于在室温下难以成型的有色合金。 成型后通常需要受控的冷却和时效过程,以恢复板材通过加热退火之前存在的固溶硬化微观结构。

液压成型:一种先进的板材和管材成型工艺,它使用液压代替固定冲头来生产不适合冲压的几何形状,包括底切或凸出形状。

 

弹性成型工艺

概述

弹性成型的基本设置通常包括一个橡胶垫,它包含在一个固定在液压机上柱塞上的垫保持器中,以及一个包含在压机床身的压板上的模板。 可以使用销钉和/或嵌套将坯料固定在模板块上。 随着压头下降,弹性体将围绕形成工件的模板移动并成形。 衬垫固定器是一个框架,紧密贴合在压板周围以封闭弹性体并在施加压力时防止横向流动。

无花果。 4:用于弹性成型的工具和设置的剖面图。

弹性垫的作用有点像流体,当它被挤压并围绕成型块流动时,它在所有工件表面上施加几乎相等的压力。 橡胶垫成型设计用于具有简单法兰和相对简单配置的适度浅的凹进零件。 模板高度通常小于 100 毫米或 4 英寸。

成功因素

对影响弹性成形的所有参数的全面检查超出了本文的范围。 相反,我们将着眼于可以很好地转化为可接受的工艺经济性的几个关键因素:复杂性和零件尺寸、工具考虑因素、生产率和缺陷减少。

复杂性和零件尺寸:

弹性成型工艺通常用于轻金属零件的中小批量生产。 由于弹性体的低可压缩性,通常无法获得足够高的压力来防止深拉部件中的起皱。 弹性成型非常适合成型中等浅的凹陷零件,在这种零件中可以实现整个零件的压力均匀性。 在大多数情况下,弹性成形适用于生产钣金厚度为 4mm 或更小的零件。

工具注意事项:

模具成本低是橡胶垫成型的主要优势之一,这也是为什么它经常成为原型设计和开发的选择。 由于上弹性体模具可以与单独和不同的下金属成型块一起使用,因此与传统的金属成型工艺相比,该工艺相当便宜且灵活得多。 工具的金属部分不会很快磨损,但是,工具的弹性垫有可能比金属部分磨损得更快。 延长垫的寿命可以通过使用较低轮廓的成型块并允许尽可能大的角半径来实现。 这些技术使弹性体能够在成型过程中以较低的应力水平流动。

弹性体垫可以由实心铸件或可以粘合在一起的挤压和层压层构成。 层压层是有利的,因为只需更换顶层就可以有效地恢复工作表面。 此外,不同的层可以使用不同的硬度水平,从而提高生产灵活性。 一般来说,弹性体材料越硬,其承载能力就越大。

生产率:

与其他金属成型工艺相比,弹性成型零件的生产速度通常较慢。 尽管初始设置可以非常快速、灵活且成本低廉,但它们的构建无法长时间运行多次。 因此,在考虑使用弹性成型时,需要权衡零件的数量和产量作为决定因素。

减少缺陷:

与替代工艺相比,使用弹性体垫是减少缺陷的有效方法。 由于工件夹在弹性体和金属成型块之间,表面光洁度显着提高,从而减少了可见缺陷和后续抛光成本。 无缺陷和高质量零件是使用弹性成型工艺的主要优势之一,因为抛光和/或锐化表面保持不变。 该过程还将允许使用预涂漆和预加工金属。

金属成型零件的均匀厚度是可取的,并且通常是满足安全和监管标准所必需的。 压力在坯料上均匀分布,与其他成型工艺相比,工件的减薄程度显着降低。

使用辅助设备,如拉夹、盖板、擦拭板、成型环和成型棒、挡板和楔块,可以在成型过程中放置在特定位置,以调整压力,以帮助成型更复杂的形状和特征。 配件也可用于帮助防止起皱和变形,但是,有效的零件和工具设计通常是限制零件缺陷的第一道防线。

零件和工具设计以防止缺陷

可改进零件和工具设计的橡胶垫成型的主要受控工艺参数是弹性体垫的硬度和性能、成型块高度和半径以及工件厚度。

弹性成型零件应设计有合适的圆角,因为使用弹性垫无法完全实现 90 度角。 变形时弹性体自然半径的实际大小将取决于所使用的垫材料,并应在成品工件的设计中加以考虑。 在零件上允许较大的半径将使弹性体在成型期间沿着整个工件适当流动并具有良好的压力分布。 在成型过程中接近均匀的压力分布会产生具有良好模具细节的零件。

无花果。 5:用于弹性成型工艺的样品钣金件

弹性成型的挑战之一是在更深的成型零件中起皱,因为由于弹性体的抗压强度低,很难在弹性体中达到足够高的压力。 重要的是要考虑成型零件的深度,因为弹性成型更适合生产浅零件。 典型的弹性成型工作包括在扁平件周围形成法兰、凸起的脊、通过形成珠子来增加平板金属的刚度、创建浮雕和修边。

印刷机配置

基本参数

配置压力机以生产弹性成型零件从零件制造过程的要求开始。 配置需要有关材料类型、零件规格、生产量、生产速度和目标价格的信息。 这些参数直接影响处理和成型要求,进而影响安装和工具的规格。 与传统金属成型相比,弹性成型的设置时间通常较短。 只有一半的工具是金属的,因此排列工具的重要性要低得多,但仍然可以生产出高质量的零件。

床尺寸

印刷机的床身必须能够容纳最大的预期工具集的足迹。 对于矩形或复杂的毛坯形状,床身内零件的方向将决定床身的整体尺寸。 可以根据坯料尺寸计算床尺寸的估计值。 此外,床身尺寸必须能够包含安装在压机床身上的模板周围的垫座的外部限制。 衬垫固定器必须足够坚固以承受弹性体的压力,并且通常比衬垫本身深 20-30 毫米。

吨位和速度

现代弹性成型是使用可编程液压机执行的,以重复控制成型吨位并优化循环时间。 可以配置任何高达 20,000 吨的压力机尺寸。

吨位计算可能相当复杂,因为压力机、模具、材料、半径以及零件尺寸和几何形状都是影响因素。 通过简单的几何形状,可以使用表格和公式计算所需的成型吨位。 对于形成的半球,可以使用以下等式作为简单的指导原则:

在哪里;

d = 成品直径

t = 材料厚度

TS = 材料的抗拉强度

例如,由 0.040” 厚的 304 不锈钢(TS = 73,200 psi)制成的 8″ 直径半球需要;

形成零件需要 73,588 磅(36.8 吨)。 在本例中,建议使用 50 吨压力机。

随着零件越来越复杂,精密的吨位计算工具和分析软件,结合可编程液压机,已被更广泛地使用,以确保成功的成型过程。

中风和日光

完全缩回的弹性体垫和模板之间必须有足够的日光,以便从压机中取出成品。 在实践中,这转化为大约相当于按压行程的日光。 如果将使用压力机生产多个零件,行程和日光应适应最大的预期工具。

使用更厚的垫和更强大的压力机可以增加最大冲压深度,但是弹性体的磨损量和使用更强大的压力机的影响是需要考虑的因素。

Macrodyne Elastoforming Press
无花果。 6:Macrodyne 4000 吨弹性成型机

高级功能

一些先进的弹性成型功能包括:

  1. 用于连续生产具有复杂几何形状的带状金属零件的渐进式工具设计。 冲裁、成型和穿孔都可以合并为一个垫过程。
  2. 在微成型中使用弹性体,这是一种创建具有复杂细节的微型零件的过程,由于零件尺寸小,可以帮助控制成型过程中材料变形的微观尺度。 在生产这种尺寸的零件时,诸如尽量减少缺陷、成型零件的尺寸精度和表面光洁度等因素更为重要。
  3. 使用弹性成型工艺可以将圆管成型为不同角度的三角形横截面柱。

图片参考:

  1. 无花果。 1: HPP-F1: 一台 7700 吨多框架弹性成型机,Macrodyne
  2. 无花果。 2:HPP-F2、M. Ramezani 和 ZM Ripin,“橡胶垫成型工艺、技术和应用”第 52 页(Woodhead Publishing Limited,2012 年)
  3. 无花果。 3:EL101-F3、M. Ramezani 和 ZM Ripin,“橡胶垫成型工艺、技术和应用”第 20 页(Woodhead Publishing Limited,2012 年)
  4. 无花果。 4:HPP-F4:用于弹性成型的工具和设置的剖面图,Macrodyne
  5. 无花果。 5:HPP-F5:用于弹性成型工艺的样品钣金零件,Macrodyne
  6. 无花果。 6:HPP-F6:4000 吨弹性成型机,Macrodyne