模块一 冲压成形工艺及冲压模具

冲压成形是塑性加工的基本方法之一，它主要用于加工板料零件，所以也叫板料冲压。冲压加工的应用范围十分广泛，不仅可以加工金属板料，而且可以加工非金属板料。本书介绍的冲压加工，主要是金属板料的冲压加工。由于冲压加工通常是在室温下进行的，不需要加热，故又称为冷冲压。

课题一 冲压成形的基础知识

【学习目标】

1.了解冲压加工的特点及应用。

2.了解冲压技术的发展。

3.熟悉冲压工艺的分类及其各类工序的特征。

4.加深对塑性、变形抗力的理解；了解化学成分、组织结构、变形温度、变形速度、应力状态对金属塑性的影响。

5.熟悉常见力学性能指标对冲压成形性能的具体影响。

【知识学习】

一、冲压的概念、特点及应用

1.冲压的概念

冲压是通过模具对毛坯施加压力，使之产生塑性变形或分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的工件的加工方法。

2.冲压加工的特点

冲压加工不需要加热，也不像金属切削加工时切掉大量的碎屑，因而它是一种节能省材的加工方法；很多冲压制件所用的毛坯是冶金厂大量生产的轧制钢板和钢带，原材料来源途径广且价格低；冲压件的质量主要靠模具保证，容易获得质量好且稳定的冲压制品。和其他加工方法相比，冲压加工概括起来有如下特点：

（1）在设备和模具的作用下，能得到其他加工方法不易得到的形状复杂、精度一致的制件。

（2）操作简便，生产效率高，适合批量生产，易于实现机械化和自动化。

（3）冲压生产的材料利用率高，模具寿命较长，故而极大地降低了冲压件的生产成本。

（4）冲压件的尺寸稳定、精度高、互换性好。

但是，冲压加工在生产中也有其局限性。一方面，在冲压加工时产生振动和噪声，其主要原因是冲压设备落后。另一方面，冲压加工所使用的模具往往具有专一性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具精度高，导致模具制造费用较高，只有在大批量生产时，冲压加工的优越性才能得到充分体现。

3.冲压加工的应用

由于冲压加工具有效率高、成本低、质量稳定等一系列优点，因此在汽车、拖拉机、电机、电器、国防工业以及日常生活用品等行业得到了广泛应用。如在飞机、汽车、拖拉机、仪器仪表、电机电器、通信工具、计算机的生产中，冲压件占有相当大的比例。

二、冲压的基本类型

冲压加工工序概括起来可以分为分离工序和成形工序两大类。

分离工序是将冲压件沿一定的轮廓线与板料分离。其特点是沿一定边界的材料被破坏而使板料的一部分与另一部分相互分开，如落料、冲孔、切边等。

成形工序是在板料不被破坏的条件下，使局部材料产生塑性变形而形成所需形状与尺寸的工件。其特点是通过塑性变形得到所需的零件，如弯曲、拉深等。

常用冲压工序分离工序和成形工序分别如表1-1、表1-2所示。

表1-1 分离工序

表1-2 成型工序

三、冲压技术的发展方向

随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，冲压技术的发展也日新月异。冲压技术在21世纪的最新发展动向，主要有以下几个方面。

（1）工艺分析计算的现代化。冲压技术与现代数学、计算机技术相结合，对复杂曲面零件进行计算机模拟和有限元分析，以预测某一工艺方案对零件成形的可能性与成形过程中将会发生的问题，供设计人员进行修改和选择。这种设计方法是将传统的经验设计上升到优化设计，缩短了模具设计与制造周期，节省了昂贵的多次试模费用。

（2）模具计算机辅助设计、制造与分析（模具CAD/CAM/CAE）的研究和应用，将极大地提高模具制造效率，提高模具的质量，使模具设计与制造技术实现CAD/CAM/CAE一体化。

（3）冲压生产的自动化。为了满足大批量生产的需要，冲压生产已向自动化、无人化方向发展。高速自动冲床和多工位精密级进模已在工业生产中逐步推广应用，冲压的速度可达每分钟几百次甚至上千次。大型零件的生产已实现了多机联合生产线，从板料的送进到冲压加工、最后检验均可由计算机控制，极大地减轻了工人的劳动强度，提高了生产率。目前已逐渐向无人化生产形成的柔性冲压加工中心发展。

（4）为适应市场经济需求，大批量与多品种小批量共存。发展适宜于小批量生产的各种简易模具、经济模具和标准化且容易变换的模具系统。

（5）推广和发展冲压新工艺和新模具，如精密冲裁、液压拉深、电磁成形和超塑成形等。

（6）与材料科学相结合，不断改进板料性能，以提高其成形能力和使用效果。

四、冲压成形的过程

设计冲压模具，首先，要了解金属塑性变形的基本规律，掌握冲压成形中的变形趋向性及其控制措施。在冲压成形过程中，坯料的各个部分在同一模具的作用下，可能发生不同形式的变形，即具有不同的变形趋向性。在判断坯料各部分是否变形、以什么方式变形的基础上，通过正确的模具设计来保证预期的变形，从而获得合格的冲压制件。

其次，要研究冲压用材料及其冲压性能。因此，在冲压模具设计中，应了解材料的冲压性能，并懂得合理选用冲压材料。只有采用性能良好的冲压材料，才能成形出高质量的冲压件。

第三，正确选择冲压设备。正确选择冲压设备，关系到冲压加工的正常进行、冲压件的质量、生产效率、模具寿命、安全生产等一系列重要问题。

1.塑性与变形抗力

（1）塑性。所谓塑性，是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

塑性不仅与材料本身的性质有关，还与变形方式和变形条件有关。所以，材料的塑性不是固定不变的，不同的材料在同一变形条件下会有不同的塑性，而同一种材料，在不同的变形条件下，也会表现不同的塑性。常用的塑性指标，是拉伸实验所得的延伸率δ和断面收缩率ψ。它们的定义分别为

式中，L0、F0为拉伸试样原始标距长度（mm）和原始横截面积（mm2），Lk、Fk分别为试样断裂后标距长度（mm）和断裂处最小横截面积（mm2）。

除了拉伸试验外，还有弯曲试验、镦粗试验等也可以测定塑性指标。需要指出的是，各种试验方法都是相对于特定的状况、在一定的变形条件下所承受的塑性变形能力。它们用来说明，在某种受力状况和变形条件下，这种金属的塑性比另外一种金属的塑性高还是低。

（2）变形抗力。塑性成形时，使金属发生变形的外力称为变形力，而金属抵抗变形的反作用力，称为变形抗力。变形力和变形抗力大小相等，方向相反。变形抗力一般用单位接触面积上的反作用力来表示。在某种程度上，变形抗力反映了材料变形的难易程度。它的大小，不仅取决于材料的流动应力，还取决于塑性成形时的应力状态、摩擦条件以及变形体的几何尺寸等因素。

塑性和变形抗力是两个不同的概念，前者反映塑性变形的能力，后者反映塑性变形的难易程度。它们是两个独立的指标。人们常认为塑性好的材料变形抗力低，塑性差的材料变形抗力高，但实际情况并非如此。如奥氏体不锈钢在室温下可经受很大的变形而不破坏，说明这种钢的塑性好，但它的变形抗力却很高。

2.影响塑性及变形抗力的主要因素

影响塑性和变形抗力的因素主要有两大类：一是金属本身的化学成分、组织结构等内部因素；二是变形速度、变形温度、应力状态等外部条件。

（1）化学成分的影响。在碳钢中，铁和碳是基本元素。在合金钢中，除了铁和碳外，还含有硅、锰、铬、镍、钨等。在各类钢中还含有杂质元素，如磷、硫等。

碳对钢的性能影响最大。碳能固溶到铁里形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性和低的变形抗力。当碳的含量超过铁的溶碳能力，多余的碳便与铁形成具有很高的硬度而塑性几乎为零的渗碳体。渗碳体对基体的塑性变形起阻碍作用，使塑性降低、变形抗力增加。含碳量越高，碳钢的塑性就越差。

合金元素加入钢中，不仅改变了钢的使用性能，而且改变了钢的塑性成形性能，主要表现为塑性降低、变形抗力提高。这是由于合金元素溶入固溶体，使铁原子的晶格发生畸变；同时合金元素还与钢中的碳形成硬而脆的碳化物（如碳化铬、碳化钨等），这些都造成了钢的抗力提高、塑性降低。

杂质元素对钢的塑性一般会产生不利的影响。磷溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著增加，塑性、韧性明显降低，在低温时，造成钢的冷脆性。硫在钢中几乎不溶解，与铁形成塑性较低的易溶共晶体FeS，热加工时会出现热脆开裂的现象。钢中溶解的氢，会引起氢脆现象，使钢的塑性大大降低。

（2）组织的影响。由于组织的不同，钢的塑性和变形抗力差别很大。单相组织比多相组织塑性好、抗力低。多相组织由于各相性能不同，使得变形不均匀，同时基本相往往被另一相机械地分割，故塑性降低，变形抗力提高。组织的细化有利于提高金属的塑性，但同时也提高了变形抗力。

（3）变形温度的影响。变形温度对金属和合金的塑性有很大的影响。就多数金属和合金而言，随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低。

（4）变形速度的影响。所谓变形速度是指单位时间内变形物体应变的变化量。变形速度对塑性和变形抗力的影响比较复杂。一方面，变形速度大，要同时驱使更多的位错更快地运动，金属晶体的临界剪应力将提高，使变形抗力增大。另一方面，在高变形速度下，变形体吸收的变形能迅速地转化为热能（热效应），使变形金属的温度升高（温度效应），这种温度效应一般来说对塑性的增加是有利的。

（5）应力状态的影响。应力状态对材料的塑性变形影响很大。同一种材料，即使组织结构相同，变形温度、变形速度相同，在不同应力状态下，其变形抗力及产生的塑性变形量都会有很大的差别。如图1-1所示，主应力状态中，压应力的个数越多，数值越大，则塑性越好。图1-1所示主应力状态图中，第1种塑性最好，第7种塑性最差。

3.加工硬化与硬化曲线

（1）加工硬化。在冲压生产中，金属材料的塑性变形过程通常是在常温下进行的。随着变形程度的增大，硬度、强度（屈服点σs和抗拉强度σb等）和变形抗力随之增加，同时其塑性指标（伸长率δ、断面收缩率ψ和冲击韧性等）下降，这种现象称为加工硬化。

由于加工硬化，金属材料在塑性成形过程中的变形抗力不断增加，对冲压成形产生较大的影响。例如，在胀形工艺中，板材的加工硬化能够减少过大的局部集中变形，使变形趋向均匀，增大成形极限；而在内孔翻边工序中，翻边前冲孔边缘部分材料的加工硬化，容易导致翻边时产生开裂，降低了成形极限。因此，在对变形材料进行力学分析，确定各种工艺参数和处理生产实际问题时，必须了解材料的硬化现象并掌握其规律。

（2）硬化曲线。金属材料在塑性变形时，变形抗力随变形程度的增加而变化的规律，可用硬化曲线来表示。冲压生产中所用的硬化曲线，一般情况下指的是真实应力曲线，也称实际应力曲线。实际应力曲线与材料力学中所学的工程应力曲线（也称假象应力曲线）是有所区别的。假象应力曲线的应力指标是采用假象应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷P除以变形前试样的原始截面积F0计算的（σ=P/F0）。没有考虑变形过程中试样截面积的变化，显然是不准确的；而实际应力曲线的应力指标是采用真实应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷P除以该瞬间试样的截面积F来进行计算的（σ=P/F）。实际应力曲线与假象应力曲线如图1-2所示。从图中可以看出，实际应力曲线能真实反映变形材料的加工硬化现象。

4.板料力学性能与冲压成形性能的关系

板料的冲压成形性能是指板料对各种冲压方法的适应能力。要测定板料的成形性能非常困难，因为板料成形方法多种多样，每种成形方式的应力状态、变形特点等情况均不同，很难用一个指标来表示其成形性能的好坏。生产中都是通过对板料拉伸试验中测量得的一些力学性能数据来定性地分析该材料的成形性能。

（1）屈服强度σs。屈服强度σs小，材料容易屈服，则变形抗力小，所需变形力小，并且屈服强度小，在压缩类变形时，因容易变形而不容易出现起皱，弯曲变形后回弹也小，即贴模性与定形性也好。

（2）屈强比σs/σb。σs/σb对冲压成形性能影响很大。屈强比小说明σs小而σb大，允许的塑性变形区间大，即易于产生塑性变形而不易破裂，尤其是对拉深变形而言，屈强比小，变形区易于变形而不易起皱，而传力区又不易拉裂，有利于提高拉深变形程度。凸缘加热拉深，就是利用凸缘和筒底的温差来减小屈强比，从而提高其变形程度。

（3）伸长率。拉伸试验中，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。它直接决定材料在伸长类变形中的冲压成形性能。伸长率（或均匀伸长率）是影响翻孔或扩孔成形性能的主要参数。

（4）硬化指数n和弹性模量E。n值表示材料在塑性变形中的硬化程度，n值越大，材料在加工中硬化越严重，真实应力越大。在伸长类变形中，n值大，变形抗力增大从而使变形趋于均匀，变薄减小，厚度分布均匀，表面质量好，成形极限增大，制件不易产生裂纹，冲压性能好。

弹性模量E越大，材料抗压失稳能力越强，卸载后回弹越小，冲压件质量越高。

注意：板料轧制后，在板平面内也出现各向异性，因此沿各个不同方向，其力学性能和物理性能均不同。拉深件拉深后口部不齐，出现“凸耳”就是由板料的各向异性而引起的，如图1-3所示。

五、冲压常用材料

冲压加工常用的材料包括金属材料和非金属材料两大类。金属材料主要是钢、铝及铝合金、铜及铜合金，其中低碳钢应用最为广泛。非金属材料包括各种纸板、纤维板、塑料板、胶合板及皮革等。常用冲压材料列于表1-3中。

由于分离工序和成形工序的变形原理不同，其适用的材料也有所不同；不同的材料各有其不同的特性，一般来说，金属材料既适合于成形工序，也适合于分离工序，而非金属材料一般仅适合于分离工序。

1.常用金属材料的种类及代号

常用金属冲压材料以板料和带料为主，板材一般仅适用于挤压、切断、成形等工序。带钢的优点是有足够的长度，可以提高材料利用率；其不足是开卷后需要整平；带钢一般适合于大批量生产的自动送料。钢材的生产工艺有多种，冷轧、热轧、连轧、往复轧等。一般厚度在4mm以下的钢板用热轧或冷轧，厚度在4mm以上的用热轧。相比之下，冷轧板的尺寸精确、偏差小、表面缺陷少、表面光亮且内部组织细密。因此冷轧板制品一般不能用热轧板制品代替。板料供货状态分软、硬两种，板料和带料的力学性能会因供货状态不同而表现出很大差异。

表1-3 常用冲压材料

2.金属材料的轧制精度和表面质量

在金属材料的生产过程中，由于工艺、设备的不同，材料的精度也不同。国家标准GB/708-1998对4mm以下的黑色金属板料轧制精度、表面质量及拉深等级都做了规定，参见表1-4和表1-5。

表1-4 不同等级的金属薄板表面质量

表1-5 金属薄板拉深分级规定（GB/T 13237—1991）

课题二 冲压常用设备

【知识目标】

了解冲压设备的基本组成；熟悉压力机主要技术参数，掌握压力机选择的基本原则。

【知识学习】

冲压设备的选用是冲压工艺设计中一项重要内容。必须根据冲压工序的性质、冲压力的大小、模具结构形式、模具几何尺寸以及生产批量、生产成本、产品质量等诸多因素，结合单位现有设备条件选用。

冲压设备的种类很多，其分类方法也很多。如按驱动滑块力的种类可分为机械的、液压的、气动的等；按滑块个数分为单动、双动、三动等；按驱动滑块驱动的种类又可分为曲柄式、肘杆式、摩擦式；按机身结构形式可分为开式、闭式等。冲压生产中常按驱动滑块力的种类分为机械压力机、液压压力机。下面介绍两种常用的冲压设备。

一、曲柄压力机

1.曲柄压力机的结构及工作原理

曲柄压力机是冲压生产中应用最广泛的一种机械压力机，图1-4所示为JB 23—63曲柄压力机的工作原理。电动机1通过皮带、齿轮带动曲轴7旋转，曲轴通过连杆带动滑块10沿导轨做上下往复直线运动，带动模具实施冲压，模具安装在滑块与工作台之间。

曲柄压力机主要机构包括工作机构、传动系统、操作系统、支撑部件和辅助系统等。

（1）工作机构。工作机构主要有曲轴7、连杆9和滑块10组成。其作用是将电动机主轴的旋转运动变为滑块的往复运动。滑块底平面中心设有模具安装孔，大型压力机滑块底面还设有T形槽，用来安装和压紧模具，滑块中还设有退料（或退件）装置，用以在滑块回程时候将工件或废料从模具中退下。

（2）传动系统。传动系统由电动机、皮带、飞轮、齿轮等组成。其作用是将电动机的运动和能量按照一定的要求传给曲柄滑块机构。

（3）操作系统。操作系统包括空气分配系统、离合器、制动器、电气控制箱等。

（4）支撑部件。支撑部件包括机身、工作台、拉紧螺栓等。

此外，压力机还包括气路和润滑等辅助系统，以及安全保护、气垫、顶料等附属装置。

2.曲柄压力机的型号

曲柄压力机的型号用汉语拼音字母、英文字母和数字表示。例如，JB 23—63型号的意义如下：

现将型号的表示方法叙述如下：

第一个字母为类的代号，“J”表示机械压力机。

第二个字母代表同一型号产品的变型顺序号，凡主参数与基本型号相同，但其他某些次要参数与基本型号不同的称为变型，“B”表示第二种变型产品。

第三、四个数字为列、组代号，“2”表示双柱压力机，“3”代表可倾机身。

横线后的数字代表主参数，一般用压力机的公称压力作为主参数，代号中的公称压力用公称单位“tf（吨力）”表示，故转换为法定单位制的“kN（千牛）”时，应将此数字乘以10。例中63代表63tf，乘以10即为630kN。

3.曲柄压力机的技术参数

（1）公称压力（kN）。公称压力是指当滑块运动到距下死点前一特定距离（公称压力行程）或曲柄旋转到下死点前某一角度（公称压力角）时，滑块上允许的最大工作压力。

（2）滑块行程。滑块行程是指滑块从上死点运动到下死点所走的距离。它的大小和压力机的工艺用途有很大关系。

（3）滑块行程次数。滑块行程次数是指滑块空载时，每分钟上下往复的次数。有负荷时，实际滑块行程次数小于空载行程次数。对于自动送料曲柄压力机，滑块行程次数越高，生产效率越高。

（4）装模高度和封闭高度。装模高度（GB 8845—1988称为闭合高度）是指压力机滑块处于下死点位置时，滑块下表面到工作垫板上表面的距离。当装模高度调节装置将滑块调整到最上位置时（即连杆调整到最短时），装模高度达到最大值称为最大装模高度。模具的闭合高度应小于压力机的最大装模高度。装模高度调节装置所能调节的最大距离，称为装模高度调节量。

（5）工作台尺寸和滑块底面尺寸。这些尺寸与模具外形尺寸及模具安装方法有关。

（6）模柄孔尺寸。当模具需要用模柄与滑块连接时，模具的模柄尺寸应与滑块内模柄孔的尺寸相协调。

除上述参数外，喉口的深度、漏料孔的尺寸等也是模具设计时必须考虑的。

表1-6是常用的开式可倾压力机的主要参数。

表1-6 开式可倾压力机的主要参数

二、液压机

液压机工作平稳，压力大，操作空间大，设备结构简单。在冲压生产过程中广泛应用于拉深、成形等工艺过程，也可应用于塑料制品的加工。

1.液压机的结构及工作过程

液压机是根据帕斯卡原理制成的，它利用液体压力来传递能量，液压机的结构如图1-5所示。工作时，模具安装于活动横梁4和下梁6之间，主缸3带动活动横梁4对模具加压；工作结束时，主缸3回复，打开模具；需要时，顶出缸7可将工件顶出。

2.液压机型号的表示方法

液压机的型号表示方法与曲柄压力机的型号表示方法相类似，其具体表示方法如下。

例如，YA32—315型号的意义是：

第一个字母为类的代号，“Y”表示液压机。

第二个字母代表同一型号产品的变型顺序号。

第三、四个数字为列、组代号，“32”表示四柱液压机。

横线后的数字代表主参数，“315”表示公称压力为315tf，即3150kN。

3.液压机的主要技术参数

现以三梁四柱式液压机为例，液压机的基本参数如下：

（1）公称压力（公称吨位）。公称压力是指液压机名义上能产生的最大力量，在数值上等于工作液体压力和工作柱塞总工作面积的乘积，它反映了液压机的主要工作能力。

（2）最大净空距（开口高度）。最大净空距是指活动横梁停止在上限位置时，从工作台上表面到活动横梁下表面的距离，见图1-6中的H。最大净空距反映了液压机高度方向上工作空间的大小。

（3）最大行程。最大行程指活动横梁能够移动的最大距离，如图1-6中的S。

（4）工作台尺寸（长×宽）。工作台尺寸指工作台面上可以利用的有效尺寸，如图1-6中的B与T。

（5）回程力。回程力等于工作液体压力和工作柱塞回程时有效工作面积的乘积，或靠单独设置的回程缸来提供。

（6）活动横梁运动速度（滑块速度）。滑块速度可分为工作行程速度、空行程速度及回程速度。工作行程速度由工艺要求来确定，空行程速度及回程速度可以高一些，以提高生产率。

三、冲压设备的选用

冲压设备的选用主要包括选择压力机的类型和确定压力机的规格。

1.类型选择

冲压设备的类型较多，其刚度、精度、用途各不相同，应根据冲压工艺的性质、生产批量、模具大小、制件精度等正确选用。

对于中小型的冲裁件、弯曲件或浅拉深件的生产，主要应采用开式机械压力机。虽然开式压力机的刚性差，在冲压力的作用下床身的变形可能破坏冲裁模的间隙分布，降低模具的寿命或冲裁件的表面质量，但是，它能够提供极为方便的操作条件，容易安装附加装置，因而开式压力机成为目前中小型冲压零件的主要设备。

对于大中型冲压件的生产多采用闭式结构的机械压力机。在大型拉深件的生产中，应尽量选用双动拉深压力机，该压力机能使所使用的模具结构简单，调整方便。

在小批量生产中，尤其是大型厚板冲压件的生产多采用液压机。液压机没有固定的行程，不会因为板料厚度变化而超载，而且在需要很大的施力行程加工时，与机械压力机相比具有明显的优点。但是，液压机的速度慢，生产效率低，而且零件的尺寸精度有时因受到操作因素的影响而不够十分稳定。

在大批量生产或形状复杂零件的生产中，应尽量选用高速压力机或多工位自动压力机。

2.规格选用

确定压力机的规格时应遵循以下原则。

（1）压力机的公称压力必须大于冲压工序所需压力，当冲压行程较长时，还应注意在全部工作行程上，压力机许用应力曲线应高于冲压变形应力曲线。

（2）压力机滑块行程应满足制件在高度上能获得所需尺寸，并在冲压工序完成后能顺利地从模具上取出来。对于拉深件，行程应大于制件高度的两倍以上。

（3）压力机的行程次数应满足生产率和材料变形速度的需要。

（4）压力机的闭合高度、工作台面尺寸、滑块尺寸、模柄孔尺寸等都要满足模具的正确安装要求。对于曲柄压力机，模具的闭合高度与压力机装模高度之间要符合以下公式：

Hmax-5mm≥H≥Hmin＋10mm

式中，H为模具的闭合高度（mm）；Hmax为压力机的最大装模高度（mm）；Hmin为压力机的最小装模高度（mm）。

工作台尺寸一般应大于模具下模座50～70mm，以便于安装；垫板孔径应大于制件或废料的投影尺寸，以便于漏料。

练习与思考

1.什么是冷冲压？试述冷冲压加工的特点。

2.简述冷冲压常见的冲压工序及其特征。

3.具体分析化学成分、组织结构对金属塑性及变形抗力的影响。

4.影响冲压成形性能的力学指标有哪些？

5.JA23—40机械压力机型号中各字母及各组数字代表的具体含义是什么？

6.何谓曲柄压力机的公称压力？压力机的装模高度与冲模的闭合高度之间的关系如何？