冲压工艺及模具设计一.docx

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冲压工艺及模具设计一

第一章概述

内容简介:

本章讲述冲压冲压模具设计的基础知识。

涉及冲压和冲模概念、冲压工序和冲模分类；常见冲压设备及工作原理、选用原则；冲压成形基本原理和规律；冲压成形性能及常见冲压材料；模具材料种类；模具制造特点、模具零件加工方法及应用等。

章节内容：

1.1冲压的定义

1.2冲压工序分类

1.3冲压工艺的特点及其应用

1.4冲压变形的理论基础

1.5冲压用板料

1.6冲压设备简介

学习目的与要求：

1．掌握冲压和冲模概念、冲压工序和冲模分类；

2．认识常见冲压设备，掌握选用原则；

3．了解屈服准则、塑性变形时应力应变关系、体积不变条件、硬化规律、等冲压成形基本规律；

4．了解冲压成形性能与机械性能关系；

5．认识模具制造特点，掌握模具零件加工方法。

重点内容：

冲压成形基本概念、冲压设备及选用、冲压成形基本规律及应用、冲压成形性能与机械性能关系、常用模具零件加工方法及应用。

难点内容：

冲压成形基本规律、冲压成形性能与机械性能关系。

主要参考书：

[1]王同海.实用冲压设计技术.北京：

机械工业出版社，2000

[2]冯炳尧.模具设计与制造简明手册.上海：

上海科学技术出版社，2000

复习思考题：

<参考答案下载>

1-1什么是冲压加工？

1-2冲压加工又何特点？

1-3冲压加工又哪几种类型？

1-4什么是分离工序？

1-5什么是塑性变形工序？

1-6我国冲压技术的发展方向是怎么样的？

1-7常用的冲压设备有哪几种?

1-8通用曲柄压力机的工作原理是怎么样的?

1-9选用冲压设备的基本原则是什么？

1-10怎样根据冲压工艺来选择压力机的种类？

1-11怎样选择压力机规格大小？

1-12如何正确使用压力机？

1-13使用时如何正确地调整压力机？

1-14冲压材料常用的备料设备有哪些？

1-15剪板机由哪几部分组成？

1-16如何正确使用剪板机？

例题与解答：

[1]冲压塑性变形辅助分析

[2]拉深变形中的变形趋向：

注意变形过程、变形区与传力区、变形缺陷

电子教材

1.1冲压的定义

    冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力（或拉力），使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。

冲压加工的对象一般为金属板料（或带料）、薄壁管、薄型材等，板厚方向的变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，且通常是在室温状态下进行（不用加热，显然处于再结晶温度以下），故也称为冷冲压。

    锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料（或锭料），必须考虑长、宽、高3个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。

基于通常要施加一定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拨等总称为金属压力加工；金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称为塑性加工。

轧制、拉拨、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、线材等制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上，将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件（或零件），可称为二次塑性加工。

20世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。

    冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的3个基本要素。

所谓冲模就是加压将金属或非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。

没有设计和制造水平均很先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。

动画:

课程相关的知识点（说明该课程主要知识点与相关课程的关系）

1.2冲压工序的分类

    生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量大小、原材料性能的要求，冲压加工的方法是多种多样的。

    但是，概括起来可以分为分离工序与成形工序两大类。

分离工序又可分为落料、冲孔和剪切等，目的是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离，表0.2.1所示。

成形工序可分为弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、缩口等，目的是使冲压毛坯在不破坏的条件下发生塑性变形，并转化成所要求制件形状，见表0.2.2。

表0.2.3是立体塑性成形工序立体冲压。

表0.2.3立体冲压

动画:

典型冲压零件（说明本课程工艺产品）

1.3冲压工艺的特点与应用

    冲压生产靠模具和压力机完成加工过程，与其它加工方法相比，在技术和经济方面有如下特点：

（1）冲压件的尺寸精度由模具来保证，具有一模一样的特征，所以质量稳定，互换性好。

（2）由于利用模具加工，所以可获得其它加工方法所不能或难以制造的，壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件。

    （3）冲压加工一般不需要加热毛坯，也不像切削加工那样，大量切削金属，所以它不但节能，而且节约金属

    （4）对于普通压力机每分钟可生产几十件，而高速压力机每分钟可生产几百上千件。

所以它是一种高效率的加工方法。

    由于冲压工艺具有上述突出的特点，因此在国民经济各个领域广泛应用。

例如，航空航天、机械、电子信息、交通、兵器、日用电器及轻工等产业都有冲压加工。

不但产业界广泛用到它，而且每一个人每天都直接与冲压产品发生联系。

冲压可制造钟表及仪器中的小型精密零件，也可制造汽车、拖拉机的大型覆盖件。

冲压材料可使用黑色金属、有色金属以及某些非金属材料。

冲压也存在一些缺点，主要表现在冲压加工时的噪声、振动两种公害。

这些问题并不完全是冲压工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备落后所造成的。

随着科学技术的进步，这两种公害一定会得到解决。

1.4变形基础

1.4冲压变形的理论基础

1.4.1金属塑性变形的概念

  塑性：

指金属在外力的作用下，能稳定的发挥塑性变形而不破坏其完整性的能力。

  塑性指标：

常用的塑性指标如下

变形抗力：

引起塑性变形的单位变形力。

（金属产生塑性变形的力为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力）。

变形抗力指标：

通常以真实应力作为变形抗力的指标。

2、影响金属塑性和变形抗力的因素

1.4.2影响塑性及变形抗力的主要因素

内因：

化学成分的影响；组织结构的影响

外因：

变形温度；变形速度；应力、应变状态；尺寸因素

（1）金属组织：

晶格类型、杂质、晶粒大小、形状及晶界强度。

如纯铁比碳钢的塑性好、变形抗力低。

（2）变形温度

 大多数金属，总的趋势是：

温度升高，塑性增加，变形抗力下降。

   加热的作用：

提高塑性、降低变形抗力、提高工件的成形准确度。

   冷却的作用：

局部冷却，提高板料危险断面的强度。

对于碳钢而言，存在几处特殊情况：

冷脆区（或蓝脆区）：

200℃~400℃，变形抗力增加，塑性降低。

夹杂物以沉淀的形式在晶界、滑移面析出，产生沉淀硬化

热脆区：

800℃~950℃，FeS不溶于固体铁，在晶界形成低熔点的共晶体。

高温脆区：

1250℃以上，过热，过烧。

在选择变形温度时，碳钢应避开冷脆区和热脆区

（3）变形速率：

定义：

单位时间内应变的变化量。

   变形速率对金属塑性和变形抗力的影响比较复杂，需同时考虑其它因素的影响。

   可参考如下四条经验：

（1）对于小零件的冲压工序，不考虑速度的影响；

（2）对于大型复杂零件的成型，宜用低速；

（3）对于加热成形工序，宜用低速；

（4）应力、应变状态

 应力状态：

静水压力越大，金属表现的塑性越好。

  应变状态：

压应变的成分越多，拉应变的成分越少，越有利于材料塑性的发挥  

   因此，压应力个数多、拉应力个数少，金属的塑性好。

（5）尺寸因素

     其他条件相同时，尺寸越大，塑性越差。

1.4.3金属塑性变形的力学条件

1.4.3.1 金属材料硬化规律（真实应力—应变曲线）

　1. 弹塑性变形共存规律

材料在塑性变形的同时也会有弹性变形存在。

用最简单的拉伸试验就可以说明这种弹塑性变形的共存现象。

低碳钢试样在单向拉伸时的拉伸试验曲线图（或条件应力-应变曲线）如图1.4.3.1所示。

图1.4.3.1 拉伸曲线图（条件应力-应变曲线）

图中，OA为弹性变形阶段，A点为屈服点，σs为屈服强度，ABG为均匀塑性变形阶段，G点处载荷最大，G点的σb为抗拉强度。

同时G点也是失稳点，从G点开始，材料出现缩颈。

GK为不均匀变形阶段，K点为断裂点。

由拉伸图可知，在弹性变形阶段OA，外力与变形成正比关系，如果在这一阶段卸载，则外力与变形将按原路退回原点，不产生任何永久变形。

若到达A点以后仍继续拉伸，则材料进入均匀塑性变形阶段。

如果在这一阶段的B点卸载，那么外力与变形并不按原路OAB退回到原点，而是沿与OA平行的直线BC退回到C点，这时试样的绝对伸长量由加载到B点时的Δlb减小到卸载结束时的Δlc，Δlb与Δlc之差即为弹性变形量，而Δlc为加载到B点时的塑性变形量。

由此可见，在材料进入塑性变形阶段后，同时存在着弹性变形和塑性变形，这就是弹塑性变形共存规律。

很显然，在外力去除后，弹性变形得以恢复，塑性变形得以保留。

冲压时，由于弹性变形的存在，使得分离或成形后的冲压件的形状和尺寸与模具的形状和尺寸不尽相同，这种现象称为回弹，是影响冲压件精度的重要原因之一。

2 真实应力、真实应变概念

（1）真实应力

　　应力是指单位面积上的内力。

单向拉伸试验过程中，试件横截面上的拉应力有两种计算方法：

   1）不考虑横截面积的变化（F0—试样初始截面积）

求得的σ0称为条件应力。

其条件就是只有当变形不大时才能用这种方法近似计算。

2）考虑横截面积的变化

       材料拉伸试验属于大变形，拉伸过程中，试件横截面会明显缩小，如仍按F0计算就会出现明显的误差，必须按每瞬间的

实际横截面积F来计算应力           ，

这样求得的σ称为真实应力。

材料刚开始屈服时的应力称为初始屈服应力。

随着塑性变形量的增多，材料会逐渐发生硬化，屈服应力会逐渐增高。

习惯上常将用真实应力表示的每一瞬间的实际屈服应力直接称为该瞬间的“真实应力”，它反映了材料的塑性变形抗力。

（2）真实应变

       在拉伸试验时，试样的轴向应变常以试样的相对伸长（或条件应变）δ表示：

式中，l0—试样原始标距长度；

 　　 l1—拉伸后标距的长度。

       由于δ不能真实地反映试样大变形过程中的瞬时变形及变形的积累过程，于是又引入真实应变的概念。

拉伸过程中，某瞬时的真实应变（即应变增量）为

式中，l—试样的瞬时长度；

 　　dl—瞬时的长度改变量。

当试样从l0拉伸至l1时，总的真实应变为

真实应变在正确反映瞬态变形的基础上，真实地反映了塑性变形的积累过程，因而得到广泛的应用。

由于它具有对数形式，因此亦称为对数应变。

在均匀拉伸阶段，真实应变和相对伸长存在以下关系：

在变形较小时，可用δ近似表示应变值，但变形较大时，则必须采用真实应变ε。

1.4.3.3 屈服条件

　　当物体中某点处于单向应力状态时，只要该向应力达到材料的屈服应力值，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态。

但对于复杂应力状态，就不能仅仅根据某个应力分量来判断一点是否已经屈服，而要同时考虑其他应力分量的作用。

只有当各个应力分量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服。

这种关系就称为屈服准则，或称屈服条件或塑性条件。

法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）通过对金属挤压的研究，于1864年提出：

当材料（质点）中的最大切应力达到材料屈服强度的一半时，材料就开始屈服。

设σ1≥σ2≥σ3，则按上述观点可得屈雷斯加屈服准则的数学表达式为：

 或                                                      

屈雷斯加准则形式简单，概念明确，如果事先知道主应力的次序，使用该准则是十分方便的。

然而该准则忽略了中间主应力σ2，而中间主应力σ2对于材料的屈服实际上也是有影响的。

德国力学家密席斯（VonMises）于1913年提出另一屈服准则，该准则指出：

当材料（质点）中的等效应力σi达到材料的屈服强度σs时，材料就开始屈服：

按此观点写出密席斯屈服准则的数学表达式如下：

或                                                

试验表明，对于绝大多数金属材料，密席斯准则较之屈雷斯加准则更接近于实验数据。

这两个屈服准则实际上相当接近，对有两个主应力相等的应力状态来说，两个准则完全一致。

为了使用上的方便，密席斯准则可以改写成类似于屈雷斯加准则的形式：

1.4.4冲压成形中的变形趋向及其控制

冲压成形时，毛坯内各处的应力应变状态都不相同。

从变形过程中的某瞬间来看，在应力状态满足屈服准则的区域内将产生塑性变形，此区称为塑性变形区，没有满足屈服准则的区域不会产生塑性变形，称为非变形区。

非变形区进一步又可分为已变形区、待变形区和不变形区。

图1.4.4.1所举各例中，A为变形区，B、C为非变形区，其中B为已变形区，C为不变形区或待变形区。

如图1.4.4.1（c）所示，C的上部为待变形区，C的下部为不变形区。

模具作用在毛坯上的变形力，可以直接作用在变形区，也可通过非变形区再传到变形区。

同一个变形力作用下，变形区已屈服，开始塑性变形，非变形区则没有屈服变形，因此，变形区通常被称为弱区，非变形区称为强区。

因为弱区所需塑性变形力最小，所以该区可以先行屈服变形。

  所谓变形的趋向性，就是指毛坯的弱区在什么部位，将会按哪种变形方式变形。

例如图1.4.4.2所示毛坯在同一个模具中加工，当改变其外径D0、内孔d0及凸模直径d凸的相互比例时，就可能出现多种互不相同的变形方式，即具有不同的变形趋向性。

①拉深（图1.4.4.2（b））：

当D0/d凸和d0/d凸都较小时，外环（凸缘）宽度不大，成为弱区，于是出现拉深变形。

②翻边（图1.4.4.2（c））：

当D0/d凸和d0/d凸都较大时，外环（凸缘）宽度较大，成为强区，而内环（底孔周围）宽度较小，成为弱区，于是出现翻边变形。

③胀形（图1.4.4.2（d））：

当D0/d凸较大而d0/d凸很小，甚至等于零（没有底孔）时，外环拉深和底孔翻边的变形阻力都较大，而凸、凹模圆角附近的变形阻力较小，于是出现胀形变形。

动画:

金属流动趋向

1.4.5.3 变形趋向性的控制

　　也可以从流动的角度来分析问题，塑性变形是通过材料的流动实现的。

通过对材料流动趋向性的控制，其实就是对变形趋向性的控制，一切导流措施均有利于强区向弱区转化。

反之，一切阻流措施，均有利于弱区转化为强区。

在冲压生产中，为了使毛坯能“按需变形”（即按制件所需的变形部位及变形方式来变形，不需变形的部位不得变形），经常采取下述工艺措施来实现对变形趋向性的控制。

1．改变毛坯形状与尺寸

　　如图1.4.4.2所示带底孔的圆形板坯，当D0/d凸<1.5～2，d0/d凸<0.15时为拉深变形；当D0/d凸>2.5，d0/d凸>0.2～0.3时为翻边变形，当D0/d凸>2.5，d0/d凸<0.15时为胀形变形。

　　在盒形件首次拉深时，毛坯形状和尺寸更是保证拉深合格制件的关键。

2．改变模具工作部分的几何形状与尺寸

　　增大凸、凹模圆角半径，可以减少材料流动的阻力，因此，增大拉深凹模圆角半径有利于拉深变形，增大翻孔凸模圆角半径有利于翻孔变形。

盒形件拉深时，为了防止角部材料的堆聚和拉裂，必需改善角部材料的流动条件，为此，除增大凸、凹模角部圆角半径外，还要增大凸、凹模角部间隙。

3．改变毛坯和模具间的摩擦阻力

　　加大压边力，增设拉深筋，不用润滑剂，均可增大摩擦力，有利于阻流。

反之，降低模具表面粗糙度，采用压边限位装置，采用润滑剂则可减小摩擦力，有利于导流。

4．改变毛坯局部区域的温度

　　主要指局部加热或局部冷却的方法。

例如，在拉深和缩口时，采用局部加热变形区的方法，使变形区材料软化，从而有利于变形的进行。

又如在不锈钢工件拉深时，采用局部深冷传力区的方法，来增大该处材料的承载能力，防止大变形下拉裂。

1.5冲压用板料

1.5冲压用板料

1.5.1板料的冲压成形性能和评定方法

板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。

具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。

冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：

一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。

下面分别讨论。

（一）成形极限

在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。

对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。

例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。

这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。

依据什么来确定极限变形系数呢？

这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。

冲压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区（例如胀形），也可以通过非变形区，包括已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩口、扩口等），将变形力传给变形区。

因此，影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。

归纳起来，大致有下述几种情况：

1.属于变形区的问题

伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如胀形、翻孔、扩口和弯曲外区等的拉裂。

压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深等的起皱。

2.属于非变形区的问题

传力区承载能力不够：

非变形区作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。

也分为两种情况：

1）拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变形区作为拉力的传力区，若变形力超过已变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉裂或局部严重变薄而使工件报废。

2）失稳或塑性镦粗：

例如扩口和缩口工序是利用待变形区作为压力的传力区，若变形力超过了管坯的承载能力，待变形区就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变形。

非传力区在内应力作用下破坏：

非变形区不是传力区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。

根据发生问题的部位不同，可分为：

1）待变形区拉裂或起皱：

例如在盒形件的后续拉深工序中，待变形区金属流入变形区的速度不一致，靠直边部分流入速度快，角部金属流入速度慢。

在这两部分金属的相互影响下，直边部分容易发生拉裂，角部则容易沿高度方向压屈起皱。

2）已变形区拉裂或起皱：

如薄壁件反挤时，若金属从变形区流到已变形区的速度不均匀，则速度快的部位易因受附加压应力而起皱，速度慢的部位易受附加拉应力的作用而开裂。

综上所述，不论是伸长类还是压缩类变形，不论问题发生在变形区还是非变形区，其失稳形式无非两种类型：

受拉部位发生缩颈断裂，受压部位发生压屈起皱。

为了提高冲压成形极限，从材料方面来看，就必须提高板材的塑性指标和增强抗拉、抗压的能力。

（二）成形质量

冲压零件不但要求具有所需形状，还必须保证产品质量。

冲压件的质量指标主要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。

金属在塑性变形中体积不变。

因此，在伸长类变形时，板厚都要变薄，它会直接影响到冲压件的强度，故对强度有要求的冲压件往往要限制其最大变薄率。

影响冲压件尺寸和形状精度的主要原因是回弹与畸变。

由于在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，卸载后会出现回弹现象，导致尺寸及形状精度的降低。

冲压件的表面质量主要是指成形过程中引起的擦伤。

产生擦伤的原因除冲模间隙不合理或不均匀、模具表面粗糙外，往往还由于材料粘附模具所致。

例如不锈钢拉深就很容易有此问题。

1.4.2板料冲压成形性能试验

（一）板料冲压成形性能试验方法

   板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：

力学试验、金属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。

其中常用的力学试验有简单拉伸试验和双向拉伸试验，用以测定板料的力学性能指标；金属学试验用以确定金属材料的硬度、表面粗糙度、化学成分、结晶方位与晶粒度等；工艺试验也称模拟试验，它是用模拟生产实际中的某种冲压成形工艺的方法测量出相应的工艺参数。

例如Swift的拉深试验测出极限拉深比LDR；TZP试验测出对比拉深力的T值；Erichsen试验测出极限胀形深度Er值；K.W.I扩孔试验测出极限扩孔率λ等。

下面仅对板材简单拉伸实验进行介绍。

（二）板材拉伸试验

板材的拉伸试验也叫做单向拉伸试验或简单拉伸试验。

应用拉伸试验方法，可以得到许多评定板材冲压性能的试验值，所以应用十分普遍。

   由于试验目的不同，板材冲压性能评价用的拉伸试验方法和所得到的试验值均与为评定材料强度性能的拉伸试验有所不同。

简单介绍如下：

图1.4.1拉伸实验试样

   试验设备：

拉力试验机（机械式或液压式）。

   试验时，利用测量装置测量拉伸力P与拉伸行程（试样伸长值）ΔL，根据这些数值作出s－d曲线。

（图1.4.2）。

试验可以得到下列力学性能指标：

图1.4.2拉伸曲线

 1）屈服极限σs或σ0.2；

2）强度极限σb；

3）屈强比σs/σb；  

4）均匀伸长率δu；

5）总伸长率δ；

6）弹性模数E；

7）硬化指数n；

8）厚向异性指数 

1.4.3板料力学性能与冲压成形性能的关系

板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。

一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。

对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：

1）屈服极限σs 屈服极限σs小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小。

2）屈强比σs／σb   屈强比小，说明σs值小而σb值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。

尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言，具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。

3）伸长率 拉伸试验中，试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率δ。

而试样开始产生局部集中变形（缩颈时）的伸长率称均匀伸长率δu。

δu表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比。

可以得出结论：

即伸长率或均匀伸长率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。

4）硬化指数n  单向拉伸硬化曲线可写成σ=Kεn，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材的硬化程度。

n大时，说明在变形中材料加工硬化严重，真实应力增加