1、分享 成长 交流1冲压加工的3个基本要素冲压设备板料模具锻压冲压锻造板料 分离或变形再结晶温度以下进行锭料在再结晶温度以上进行塑性加工。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。2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。冲压工序冲压工序分离工序成形工序剪切冲孔落料胀形翻孔（边）拉深缩口弯曲3分离工序4成形工序5冲压零件6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）互换性：冲压件的尺寸精度由模具来保证，
2、具有一模一样的特征，所以质量稳定。（2）工艺性：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）节约材料：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）生产效率：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。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7冲压变形的理论基础塑性变形塑性变形 塑性：指金属在外力的作用下
3、，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。8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（
4、或蓝脆区）：200400，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：800950，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：单位时间内应变的变化量。9 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
5、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。10金属材料硬化规律（真实应力应变曲线）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图中，OA为弹性变形阶段，A点为屈服点，s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b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
6、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）11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0称为条件应力。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s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
7、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。12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）表示：l0试样原始标距长度；l1拉伸后标距的长度。由于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，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 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：13当物体中某点处于单向应力状态时，只要该向应
8、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s1s2s3，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。德国力学家密席斯（Von Mises）于1913年提出另一
9、屈服准则，该准则指出：当材料（质点）中的等效应力si达到材料的屈服强度时，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。14冲压最常用的材料是金属板料，有时也用非金属板料，金属板料分黑色金属和有色金属两种。黑色金属板料按性质可分为：1)普通碳素钢钢板 如Q195、Q235等。2)优质碳素结构钢钢板 这类钢板的化学成分和力学性能都有保证。其中碳钢以低碳钢使用较多，常用牌号有：08、08F、10、20等，冲压性能和焊接性能均较好，用以制造受力不大的冲压件。3)低合金结构钢板 常用的如Q345（16Mn）、
10、Q295（09Mn2）。用以制造有强度要求的重要冲压件。1516冲压工序冲压工序曲柄压力机薄板拉深液压机卷板机联合冲剪机数控冲模回转头压力机剪板机液压板料折弯机薄板拉深液压机1718冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。根据变形机理的差异，冲裁可分为通常我们说的冲裁是指普通冲裁，包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。冲裁所使用的模具称为冲裁模，如落料模、冲孔模、切边模、冲切模等。冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛，它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯，也可直接制作零件的模具是冲压一板状零件的冲裁模。普通冲裁精密冲裁19 1为凸模，2为凹模凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓
11、形状与工件形状对应，并有锋利的刃口。凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模，其差值称为冲裁间隙。冲裁加工示意图20在间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程可分为三个阶段：1弹性变形阶段 变形区内部材料应力小于屈服应力。2塑性变形阶段 变形区内部材料应力大于屈服应力。凸、凹模间隙存在，变形复杂，并非纯塑性剪切变形，还伴随有弯曲、拉伸，凸、凹模有压缩等变形。3断裂分离阶段 变形区内部材料应力大于强度极限,裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面，然后凸模刃口附近的侧面,再次上、下裂纹扩展相遇，最后材料分离。21冲裁过程的变形是很复杂的。冲裁变形是在以凸、凹模刃口连线为中心而形成纺锤形区域即从模具刃口向板料中心变形区逐
12、步扩大。凸模挤入材料一定深度后，变形区域也同样按纺锤形区域来考虑，但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围，其变形性质是以塑性剪切变形为主，还伴随有拉伸、弯曲与模向挤压等变形。冲裁变形区221.尺寸精度 冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则精度越高，这个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差，二是模具本身的制造偏差。2.形状误差 在冲裁过程中会受到弯曲力偶的作用，因此冲裁件会出现弯拱现象。加工硬化指数大的材料，弯拱较大。凹模间隙愈大，弯拱也愈大。预防各减少弯拱的措施是：对于冲孔件在模具结构上增设压料板；对于落料件，则在凹模孔中加顶件板。3.断
13、面质量（如图详解）冲裁单面间隙是指凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半，常称冲裁间隙。用c表示。间隙值的大小，影响冲裁时上、下形成的裂纹会合；影响变形应力的性质和大小。4.毛刺高度（如图详解）刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。当模具刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，则冲裁件圆角和光亮带增大。钝的刃口，即使间隙选择合理，在冲裁件上将产生较大毛刺。凸模钝时，落料件产生毛刺；凹模钝时，冲孔件产生毛刺。23a)间隙过小；b)间隙合适；c)间隙过大返回24返回25计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具的强度。压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力，以适应冲裁的需求。普通平刃冲裁模，其冲裁力
14、P一般可按下式计算：FPKptL 材料抗剪强度；L冲裁周边总长(mm)；t材料厚度(mm)系数 Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损、凸模与 凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均)、润滑情况、材料力学性能与厚度公差的变化等因素而设置的安全系数，一般取 13。当查不到抗剪强度 时，可用抗拉强度b代替，而取Kp1的近似计算法计算。2627排样原则排样原则排样合理与否不但影响材料的经济利用，还影响到制件的质量、模具的结构与寿命、制件的生产率和模具的成本等技术、经济指标。因此，排样时应考虑如下原则：提高材料利用率(不影响制件使用性能前提下，还可适当改变制件形状)。排样方法使应操作方便，劳动强度小且安全。模具结
15、构简单、寿命高。保证制件质量和制件对板料纤维方向的要求。排样方法排样方法有废料排样法：沿制件的全部外形轮廓冲裁，在制件之间及制件与条料侧 边之间，都有工艺余料(称搭边)存在。因留有搭边，所以制件质量和模具寿命较高，但材料利用率降低。少废料排样法：沿制件的部分外形轮廓切断或冲裁，只在制件之间(或制件与条料侧 边之间)留有搭边，材料利用率有所提高。无废料排样法：无废料排样法就是无工艺搭边的排样，制件直接由切断条料获得。是步距为两倍制件宽度 的一模两件 的无废料排样。282930弯曲开始时，模具的凸、凹模分别与板料在A、B 处相接触，使板料产生弯曲。在弯曲的开始阶段，弯曲圆角半径r很大，弯曲力矩很小
16、,仅引起材料的弹性弯曲变形。随着凸模进入凹模深度的增大，凹模与板料的接触处位置发生变化，支点B沿凹模斜面 不断下移，弯曲力臂l 逐渐减小，即lnl3 l 2 l1。同时弯曲圆角半径 r 亦逐渐减小，即 rn r3 r2 r1，板料的弯曲变形程度进一步加大。接近行程终了时，弯曲半径r继续减小，而直边部分反而向凹模方向变形，直至板料与凸、凹模完全贴合。31对于厚度为t的板材，在弯曲变形的初始阶段，弯曲力矩不大，变形区受最大压应力内层金属和受最大拉应力的外层金属，都没有达到屈服极限，仅产生弹性变形，其应力的分布见图3.5a。当弯矩继续增大，毛坯的曲率半径r变小，变形区内、外层金属首先进入塑性变形状态
17、，然后逐步从内、外层向板厚中心扩展弯曲毛坯变形区的切向应力分布32在弹性弯曲时，受拉的外区与受压的内区以中性层为界，中性层正好通过毛坯的中间层，其切向应力应变为零。若弯曲内表面圆角半径为r，中性层的曲率半径为=r+t/2,弯曲中心角为，则距中性层y处的切向应变为 切向应力为：从上式可知，材料的切向应力和切向应变的大小只决定于y/,与弯曲中心角无关。当变形不大，可以认为材料不变薄，且中性层仍在板料中间。板料变形区的内表层和外表层的切向应变与应力值(绝对值)最大，为：若材料的屈服应力为s，则弹性弯曲的条件为：即 或 式中相对弯曲半径rt是弯曲变形程度的重要指标。当 r/t 减小到一定数值，即 r/
18、t1/2（/s)时，板料内、外表层金属纤维首先屈服，开始塑性变形。33当弯曲变形程度较大，rt5时，板料上另外两个方向的应力应变值较大，不能忽略。变形区的应力和应变状态则为立体塑性弯曲应力应变状态。设板料弯曲变形区主应力和主应 变的三个方向为切向(、)、径向(t、t)、宽度方向(、)。根据宽板(B/t3)和窄板(Bt3)，变形区的应力应变状态归纳如下：34弯曲力是设计冲压工艺过程和选择设备的重要依据之一。由于弯曲力受到材料性能、制件形状、弯曲方法、模具结构等多种因素的影响，因此很难用理论分析方法进行准确的计算，一般来讲校正弯曲力比自由弯曲力大。生产实际中常用下列经验公式作概略计算。自由弯曲力
19、V形件 U形件F自冲压行程结束时的自由弯曲力k安全系数，取1.0 1.3b弯曲材料的宽度t弯曲材料的厚度r弯曲件的内弯曲半径sb材料的强度极限35F校=qAF校校正弯曲时的弯曲力A校正部分垂直投影面积q单位面积上的校正力36弯曲中性层位置弯曲中性层位置在弹性弯曲时应变中性层与应力中性层是重合的，且通过毛坯横截面中心。在塑性弯曲中，当变形程度较小时，通常也认为应变中性层与弯曲毛坯截面中心轨迹相重合，即0rt2。但板料在实际弯曲生产中，冲压件的弯曲变形程度较大，这时应变中性层不与毛坯截面中心层重合，而是向内侧移动，致使应变中性层的曲率半径0r0.5t。弯曲变形前后体积是永恒不变的。371有圆角半径
20、的弯曲(r0.5t)有圆角半径的弯曲件，毛坯展开尺寸等于弯曲件直线部分长度与圆弧部分长度的总和。L为弯曲件毛坯总长度（mm）；为各段直线部分长度（mm）；为各段圆弧部分弯曲中心角（）；r各段圆弧部分弯曲半径（mm）；为各段圆弧部分中性层位移系数。弯曲中心角为 90 的单角弯曲件毛坯展开长度为：2无圆角半径的弯曲(r0.5t)无圆角半径弯曲件的展开长度一般根据弯曲前后体积相等的原则，考虑到弯曲圆角变形区以及相邻直边部分的变薄因素，采用下列修正的公式：38回弹是弯曲成形时常见的现象影响弹性回跳的主要因素：材料的力学性能 相对弯曲半径rt 弯曲中心角 弯曲方式及弯曲模 弯曲件形状 模具间隙 非变形区
21、的影响39A：补偿法利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量（a）为单角弯曲时，根据工件可能产生的回弹量，将回弹角做在凹模上，使凹模的工作部分具有一定斜度。（b）为双角弯曲时的凸、凹模补偿形式。双角弯曲时，可以将弯曲凸模两侧修去回弹角，并保持弯曲模的单面间隙等于最小料厚，促使工件贴住凸模，开模后工件两侧回弹至垂直。（c）是将模具底部做成圆弧形，利用开模后底部向下的回弹作用来补偿工件两侧向外的回弹。40B：校正法当材料厚度在 0.8mm 以上，塑性比较好，而且弯曲圆角半径不大时，可以改变凸模结构
22、，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力应变状态的改变程度（迫使材料内外侧同为切向压应力、切向拉应变）。从而使内外侧回弹趋势相互抵消。41C：纵向加压法在弯曲过程完成后，利用模具的 突肩在 弯曲件的端部纵向加压,使弯曲变形区横断面上都受到压应力，卸载时工件内外侧的回弹趋势相反，使回弹大为降低。利用这种方法可获得较精确的弯边尺寸，但对毛坯精度要求较高。42D：聚氨酯弯曲模利用聚氨酯凹模代替刚性金属凹模进行弯曲。弯曲时金属板料随着凸模逐渐进入聚氨酯凹模，激增的弯曲力将会改变圆角变形区材料的应力应变状态，达到类似校正弯曲的效果，从而减少回弹。43弯曲件的弯曲工序安排是在工艺分析和计算后进行的工艺设计工作。形状简单的弯曲件，如V形件、U形件、Z形件等都可以一次弯曲成形。形状复杂的弯曲件，一般要多次弯曲才能成形。弯曲工序的安排对弯曲模的结构、弯曲件的精度和生产批量影响很大。弯曲件工序安排的原则（1）对多角弯曲件，因变形会影响弯曲件的形状精度，故一般应先弯外角，后弯内角。前次弯曲要给后次弯曲留出可靠的定位，并保证后次弯曲不破坏前次已弯曲的形状。（2）结构不对称弯曲件，弯曲时毛坯容易发生偏移，应尽可能采用成对弯曲后，再切开的工艺方法。级进模弯曲成形成对弯曲44一次弯曲成形图例两次弯曲成形图例45三次弯曲成形图例46多次弯曲成形图例4748
