材料成形工艺

1、材料成形工艺第八章 冲压工艺及充模设计材料成形工艺 第一节 概 述 一 . 冲压工艺的特点： 冲压工艺 . 板料冲压 . 冷冲压. 冲压工艺：冲压工艺： 将各种不同规格的板料或坯料，利用模具和设备对其施加作用力，使之产生变形或分离，获得具有一定形状、尺寸和性能的零件。材料成形工艺冲冲 压压 工工 艺艺 图图 说说材料成形工艺 特特 点点 : 生产效率特别高生产效率特别高 产品的质量稳定产品的质量稳定 节省能量和原材料节省能量和原材料 可以加工其它方法所可以加工其它方法所 不能制造或难于制造不能制造或难于制造 的复杂形状零件的复杂形状零件。材料成形工艺前苏联学者将冲压工序分为前苏联学者将冲压工序

2、分为: 分离工序分离工序 成形工序成形工序材料成形工艺 分离工序分离工序 是在冲压过程中，使冲压件与板料 在切应力或拉应力作用下，沿一定的轮廓线相 互分离，其冲压件分离面质量应该满足一定的 要求。 应力特征：b b 分离工序主要是指冲裁，包括落料、冲孔、切 断、切边、剖切等工序。 分离工序可进一步分为普通冲裁和精密冲裁。 材料成形工艺 成成 形形 工工 序序是在冲压过程中，使毛坯在不破坏的条件下发生塑性变形，成为所要求的形状，同时，冲压件应该满足尺寸精度方面的要求。应力特征：b b 成形工序主要包括弯曲、拉深、胀形、翻边、扩口、旋压等工序。材料成形工艺冲压成形工序分类示意图冲压成形工序分类示意

3、图 落料落料 分离工序分离工序 冲裁冲裁 冲孔冲孔 切断切断 弯曲弯曲 切口切口 板料成形板料成形 成形工序成形工序 拉拉 深深 成成 形形 胀形胀形 翻边翻边 冲冲 压压 缩颈缩颈 扩口扩口 接合工序接合工序 压压 接接 造型接合造型接合 成型接合成型接合 体积成形体积成形 冷挤压冷挤压 冷冷 镦镦材料成形工艺第二节 冲 裁 冲裁冲裁是利用模具使材料分离的一种冲压工序。 广义地说，冲裁是分离工序的总称。但一般说来， 冲裁主要是指落料落料和冲孔冲孔工序。 落料：落料： 从板料上冲下所需形状的零件或者毛 坯。 冲孔：冲孔： 从板料或者工件上冲出所需形状的孔，冲 去的为废料。 材料成形工艺 图8-

4、3 垫圈材料成形工艺一一. 普普 通通 冲冲 裁裁1. 冲裁过程的分析 图8-4 冲裁过程材料成形工艺 普通冲裁过程大致可以分成三个阶段： (1)弹性变形阶段 弹弹 (2)塑性变形阶段b b (3)断裂分离阶段 b b材料成形工艺图8-5 冲裁受力状态材料成形工艺 2. 冲裁件质量 冲裁件质量主要是指： 切断面质量 表面质量 形状误差 尺寸精度材料成形工艺图8-6 冲裁件切断面特征 冲裁件切断面可以分为四个部份冲裁件切断面可以分为四个部份: 光光 亮亮 带带 断断 裂裂 带带 圆圆 角角 毛毛 刺刺（a）落料件）落料件 （b）冲孔件）冲孔件 材料成形工艺图8-7 冲件表面质量影响关系图模 具

5、制件材料 压力机 刃口间隙刃口间隙 性能 精度 刃口状态 料厚 刚度 表面状态 冲裁件表面质量 材料成形工艺图8-8 冲件尺寸精度影响关系图 模 具 制件材料 压力机 刃口间隙刃口间隙 弹缩量 精度 刃口尺寸 定位精度 刚度 进距误差 表面状态 冲裁件尺寸精度材料成形工艺3. 冲裁模间隙图8-9 间隙对冲裁件断面质量的影响a）间隙过小 b）间隙适中 c）间隙过大 材料成形工艺 冲裁模具的凸、凹模间隙对冲裁件断面质量有很大的影响: 间隙适中时 : 好 当间隙过小时: 一般 间隙过大时: 不合格材料成形工艺 合理间隙合理间隙： 指能够使断面质量、尺寸精度、模具寿命和冲裁力等方面得到最佳效果的间隙。

6、合理间隙值的确定方法有两种： 理论确定法 经验确定法材料成形工艺4. 凸模与凹模刃口尺寸的确定凸模与凹模刃口尺寸的确定 现现 象象 ：落料件和冲孔件的切断面都带有斜度，即在同一切断面有大端尺寸和小端尺寸。而落料件的大端尺寸与凹模尺寸接近，冲孔件小端尺寸与凸模尺寸接近。在测量和使用冲裁件时，落料件是以大端为基准，冲孔件以小端为基准；在冲裁生产过程中，凸、凹模磨损的结果是使间隙增大。 材料成形工艺 原原 则则 （1）设计落料模时，以凹模为基准，按落料件先 确定凹模刃口尺寸，然后根据选取的间隙值 再确定凸模刃口尺寸。（2）设计冲孔模时，以凸模为基准，按冲孔件先 确定凸模刃口尺寸，然后根据选取间隙值再

7、 确定凹模刃口尺寸。（3）由于冲模在使用过程中有磨损，磨损的结果 使落料件尺寸增大，冲孔尺寸减小。为了保 证模具的使用寿命，落料凹模刃口尺寸应靠 近落料件公差范围内的最小尺寸；冲孔凸模 刃尺寸应靠近孔的公差范围内最大尺寸。（4）考虑到磨损，凸、凹模间隙均应采用最小合 理间隙。 材料成形工艺 冲模的凸、凹模制造有分别加工和配合加工两种。 分别加工分别加工：适用于冲裁圆形或简单形状零件。 图99 冲模刃口尺寸关系材料成形工艺 冲冲 孔孔 :设需冲孔孔径尺寸为d时，有：pminpxdd （93）dminpdZdd （94）材料成形工艺 (2) 落落 料料 : 设所需落料件尺寸为 D- 时，有：dxD

8、Dd)(maxpZDDdp)(min （95） （96） 材料成形工艺5. 冲裁力的计算及降低冲裁力的方法。冲裁力的计算及降低冲裁力的方法。（1）冲裁力的计算）冲裁力的计算 （97） 可取：K1.3， （98） 式中:F 冲裁力（剪切分离所需之力）； L 冲裁周边轮廓长度； t 材料厚度； K 系数； 材料抗剪强度； 材料抗拉强度； A 冲裁周边廓面的面积bbKAKLtFbb8 . 0bbALtFbb材料成形工艺 （2）降低冲裁力的方法）降低冲裁力的方法 冲裁力的计算公式冲裁力的计算公式 1）材料加热冲裁（红冲）材料加热冲裁（红冲） bbALtF材料成形工艺 2）多凸模阶梯布置冲裁图910a

9、阶梯凸模布置bbALtF材料成形工艺 阶梯形布置时，需要注意以下几方面要求：对称分布，防止偏载;先冲大孔、后冲小孔;多凸模之间的高度差H可以取：当材料厚度t3mm时 H = t当材料厚度t3mm时 H = 0.5t材料成形工艺 3）斜刃口模具冲裁）斜刃口模具冲裁图910b 斜刃冲模bbALtF材料成形工艺 在设计斜刃冲裁模具时，应注意以下问题： 为了制取平整的零件，冲孔时，将凸模设计为斜刃，落料时，将凹模设计为斜刃。 斜刃一般设制成波浪形，或考虑其对称设置，以免承受偏载。斜刃口模具冲裁与平刃冲裁相比，冲裁力可以降低5075，斜刃冲模的减力程度由斜刃峰波高度H和角度决定，H和可参考下列数值选取：

10、 t 3mm， H = 2t，5 t = 310mm，H = t， 8 一般情况时，角不大于12在降低噪声方面，刃口倾斜， 可降低噪声10（dB）。材料成形工艺 6. 材料利用率材料利用率 材料利用率： （99） 式中: 材料利用率； A0 冲裁此工件所用材 料总面积，包括工 件面积和废料面积。 A 工件的实际面积；%1000AA 排样：冲裁件在条料或排样：冲裁件在条料或板料上的布置方法板料上的布置方法。材料成形工艺 搭边搭边：在排样时，工件之间、工件 与条料侧边之间留下的余料。图911 冲裁废料类型1结构废料 2工艺废料材料成形工艺 二、精二、精 密密 冲冲 裁裁 普通冲裁获得的工件尺寸精度

11、在普通冲裁获得的工件尺寸精度在IT11以下，粗糙以下，粗糙一般为一般为Ra2512.5m，光亮带所占断面比例不，光亮带所占断面比例不大，断面具有斜度，只能满足一般产品的普通大，断面具有斜度，只能满足一般产品的普通要求。要求。 精精 密冲裁方法主要有密冲裁方法主要有:整整 修修光洁冲裁光洁冲裁 齿圈压板冲裁（俗称精冲法）齿圈压板冲裁（俗称精冲法）材料成形工艺 1. 整整 修修 生产中经常应用的整修方法有以下几种： 切掉余量整修 挤光整修 材料成形工艺(1) 切掉余量整修法 图912a 切掉余量整修法材料成形工艺（2） 挤光整修法 图912b 挤光整修法材料成形工艺 2光洁冲裁光洁冲裁 小间隙圆角

12、刃口冲裁小间隙圆角刃口冲裁 负间隙冲裁等方法。负间隙冲裁等方法。材料成形工艺（1）小间隙圆角刃口冲裁）小间隙圆角刃口冲裁 图913 小间隙圆角刃口冲裁材料成形工艺 (2) (2)负间隙冲裁负间隙冲裁 图914 负间隙冲裁材料成形工艺 3. 齿圈压板冲裁（俗称精冲法）齿圈压板冲裁（俗称精冲法）图915 齿圈压板精密冲裁材料成形工艺 第三节第三节 弯弯 曲曲 将各种金属毛坯变成具有一定角度、曲率和形状将各种金属毛坯变成具有一定角度、曲率和形状的加工方法称为弯曲。的加工方法称为弯曲。图图916 各种典型弯曲件举例各种典型弯曲件举例材料成形工艺一. 板料弯曲变形与应力分析 图图917 弯曲变形区切向力

13、分布弯曲变形区切向力分布平板毛坯的弯曲变形平板毛坯的弯曲变形a）弹性弯曲）弹性弯曲b）弹塑性弯曲）弹塑性弯曲c）有硬化纯塑性弯曲）有硬化纯塑性弯曲d）无硬化纯塑性弯曲）无硬化纯塑性弯曲材料成形工艺 (一) 板料弯曲变形分析 弹性弯曲阶段 弹塑性弯曲阶段 纯塑性弯曲阶段材料成形工艺应变中性层应变中性层: 板料弯曲时，外层纤维受拉，内层纤维受压，在拉伸与压缩之间必然有一层金属长度不变，这层金属称为应变中性层，其曲率半径用 表示。应力中性层应力中性层: 在毛坯截面上的应力，由外层的拉应力过渡到内层压应力时，发生突然变化或应力不连续的纤维层，称为应力中性层。其曲率半径用 表示。材料成形工艺 弯曲变形时

14、的现象现象：中性层内移中性层内移材料变薄材料变薄板料横截面出现畸变板料横截面出现畸变图图918 弯曲时毛坯横截面形状的变化弯曲时毛坯横截面形状的变化弯曲变形 a ）窄板（ ) b)宽板（）3tb）c）宽板（3tb）材料成形工艺二弯曲工艺计算及弯曲件质量分析二弯曲工艺计算及弯曲件质量分析 弯曲力的计算弯曲力的计算图图923 弯曲示意图弯曲示意图材料成形工艺 弯曲力的计算弯曲力的计算（）自由弯曲力：（）自由弯曲力： V形弯曲弯曲 （9-35） U形弯曲弯曲 （9-36）（）校正弯曲力：（）校正弯曲力： F=A q （9-37）trCbtFb26 . 0trCbtFb27 . 0材料成形工艺 2.

15、弯曲件毛坯长度的确定 弯曲半径r0.5t的弯曲件，毛坯计算公式为：（图9-24） （9-38）图图924 单角弯曲图单角弯曲图)(1801802121KtrLLLLL 材料成形工艺 3. 最小相对弯曲半径最小相对弯曲半径 在保证弯曲毛坯外层纤维不发生破坏的条件下，弯曲件内表面所能达到的最小圆角半径，称为最小弯曲半径；最小弯曲 半径 rmin 与毛坯厚度 t 之比，称为最小相对弯曲半径 rmin/t。 （9-44） 121minmaxt材料成形工艺 影响最小相对弯曲半径的因素为：影响最小相对弯曲半径的因素为： 1）材料的力学性能 2）板料的方向性 3）板料表面和侧边质量材料成形工艺 曲率变化量：

16、 （9-45） 角度变化量： （9-46）001100图图925 弯曲变形的弹复弯曲变形的弹复4. 弯曲时的回弹弯曲时的回弹 当弯曲工件所受外力卸载后， 弹性变形部份恢复，使弯曲件的弯 曲角,弯曲半径与模具尺寸不一致，这种现象称为弯曲回弹。材料成形工艺 影响弯曲回弹的主要因素有：影响弯曲回弹的主要因素有： 1） 材料性能： 2） 相对弯曲半径 r / t 3） 弯曲角 4） 弯曲方式 5） 弯曲件形状材料成形工艺 5. 提高弯曲件精度的方法(1) (1) 改进弯曲件局部结构和改进弯曲件局部结构和选用合适的材料选用合适的材料(2) (2) 补偿法补偿法(3) (3) 校正法校正法(4) (4)

17、拉弯法拉弯法材料成形工艺(1) (1) 改进弯曲件局部结构和选用合适的材料改进弯曲件局部结构和选用合适的材料图图926 改进弯曲件局部结构改进弯曲件局部结构材料成形工艺(2) (2) 补偿法补偿法图图927 补偿法补偿法材料成形工艺(3) (3) 校正法校正法图图928 校正法校正法材料成形工艺 第四节第四节 拉拉 深深 将毛坯通过模具制成开口空心零件的冲压工艺方法称为拉深，也可以称为拉延。材料成形工艺 各种拉深零件a) 圆筒形件.阶梯形件b) 圆弧件.圆锥件c) 盒形件d) 异形件.覆盖件材料成形工艺一、圆筒形件拉深变形与力学分析 1. 圆筒形件拉深过程圆筒形件拉深过程图图930 拉深过程毛

18、坯状态拉深过程毛坯状态材料成形工艺2.2. 圆筒形件拉深的力学分析圆筒形件拉深的力学分析 无压边圈的拉深无压边圈的拉深: 利用平衡微分方程利用平衡微分方程和反映材料内部特性和反映材料内部特性的塑性方程以及边界的塑性方程以及边界条件求解出凸缘变形条件求解出凸缘变形区的切向应力和径向区的切向应力和径向应力。应力。图图931 圆筒形件拉深时的应力分析圆筒形件拉深时的应力分析材料成形工艺二、圆筒形件拉深工艺 1. 圆筒形件质量圆筒形件质量 影响拉深工艺过程的因素： （1）板料性能 s / b （2）材料相对厚度 t /D （3）凸、凹模圆角半径和摩擦对圆筒件拉 深的影响 拉深成形中最容易出现的问题是:

19、 起皱起皱和拉裂拉裂。材料成形工艺 2 拉深系数和拉深次数拉深系数和拉深次数拉深系数拉深系数: 每次拉深后圆筒形件的直径d与拉深前毛坯直径D之比称为拉深系数m: m = d / D (9-50)拉深比拉深比: K= (9-51)极限拉深系数极限拉深系数 : m极限dDm1极限材料成形工艺 拉深次数的确定方法： m总= dn / D 第一次：m1=d1/D d1=m1D 第二次：m2=d2/d1 d2=m2 d1=m1 m2 D 第三次：m3=d3/d2 d3=m3 d2=m3 m2 m1 D 第n次: mn=dn/dn-1 dn=m1 m2 m3mn D 其中dn为工件的直径，D为毛坯尺寸，这

20、样，总拉深系数为： m总= dn/D=m1 m2 m3mn (9-52)材料成形工艺 3. 拉深件毛坯尺寸的确定拉深件毛坯尺寸的确定 毛坯尺寸按面积相等的原则计算 毛坯尺寸为： （9-53） 对于直壁圆筒形零件： （9-54）图图932 圆筒形件拉深件毛坯计算圆筒形件拉深件毛坯计算iAD4RHdRRdRRdD4822222材料成形工艺第五节第五节 冲压模具设计冲压模具设计冲模冲模: 决定冲压产品模样、形状和尺寸的专用工具称为冲压成形决定冲压产品模样、形状和尺寸的专用工具称为冲压成形 模具或冲模。模具或冲模。 现代冲压生产要求冲模具有高效率、高精度、高寿命。现代冲压生产要求冲模具有高效率、高精度

21、、高寿命。一一 冲模的基本形式与主要零件冲模的基本形式与主要零件 1、冲模的基本形式、冲模的基本形式 冲模按工序的复合程度分类：冲模按工序的复合程度分类： 单一工序的简单模、多工序的连续模和复合模。单一工序的简单模、多工序的连续模和复合模。 材料成形工艺 按工序的复合程度对模具进行分类按工序的复合程度对模具进行分类: 模具在一次冲模具在一次冲程中，只完成一道程中，只完成一道工序，称为简单模工序，称为简单模或单工序模。或单工序模。 图图9-33无导向简单压弯模无导向简单压弯模1模柄 2凸模 3定位板 4凹模 5下模 1简单模简单模: 结构简单、容易制结构简单、容易制造、成本低；模具依造、成本低；

22、模具依靠压力机滑块导向，靠压力机滑块导向，冲件精度不高。冲件精度不高。 无导向简单模无导向简单模材料成形工艺 图图9-34 导板式简单冲裁模导板式简单冲裁模1凸模 2导板 3凹模 导板模比无导向导板模比无导向模导向精度高，模具模导向精度高，模具寿命长，但制造比较寿命长，但制造比较复杂，一般适用于形复杂，一般适用于形状简单、尺寸不大的状简单、尺寸不大的冲裁件。冲裁件。 导板式简单冲裁模导板式简单冲裁模材料成形工艺 图图9-35 导柱式简单冲裁模导柱式简单冲裁模1导柱 2导套 3挡料销 模具轮廓尺寸大，制造工艺复杂，但导向可靠、导向精度高，模具寿命长，适合于大量和成批的冲件生产。 导柱式简单冲裁模

23、导柱式简单冲裁模材料成形工艺2复合模复合模模具在一次冲程中，在模具同一位置上同时完成两道以上的工序，称为复合模。图9-36冲制垫圈零件复合模材料成形工艺3连续模连续模模具在一次冲程中，在模具不同位置，同时完成两道以上的工序，模具在一次冲程中，在模具不同位置，同时完成两道以上的工序，称为连续模或级进模，也可以称为跳步模、步进模。称为连续模或级进模，也可以称为跳步模、步进模。图9-37 连续模材料成形工艺2、冲模的主要零件、冲模的主要零件材料成形工艺 冲模的主要零件分类冲模的主要零件分类 组成冲模的主要零件，根据其功用可以分为两大类： 工艺结构零件 辅助结构零件 工工 艺艺 结结 构构 部部 分分

24、 辅辅 助助 结结 构构 部部 分分工作零件 定位零件压料、卸料及出件零件导向零件固定零件紧固及其它零件 凸模 凹模 凸凹模 挡料销和 导正销 导料板 定位销、 定位板 侧压板 侧刃 卸料板 压边圈 顶件器 推件器 导柱 导套 导板 导筒上、下模座模柄凸、凹模固定板垫板限制器 螺钉 销钉 键 其它表表 冲模主要零件分类冲模主要零件分类材料成形工艺冲裁模的凸模和凹模冲裁模的凸模和凹模图9-38 冲裁凸模的主要结构形式常见的冲裁凸模结构形式如图9-38所示: 材料成形工艺 凸模的长度根据工艺方法和结构形式进行确定，当采用刚性卸料板和导尺时，凸模长度为： 式中: H1固定板厚度； H2卸料板厚度；

25、H3 导尺厚度； H 附加长度: 包括凸 模进入凹模的深度 （0.51mm），总修磨量（10 15 mm），凸模处于最低工作位置时卸料板到凸模固定板之间的 安全距离（1520mm）。对于细长凸模或凸模断面尺寸小而坯料很厚的情况下，必须进行承压能力和抗失稳能力的校核。图9-39 凸模长度的确定 凸模长度的确定凸模长度的确定HHHHL321材料成形工艺 几种常见的冲裁凹模形式几种常见的冲裁凹模形式:图9-40 凹模孔口形式材料成形工艺 凹模孔口参数凹模孔口参数 生产中常采用经验公式对凹模高度和凹模壁厚进行 计算设计。图9-41所示凹模尺寸计算公式为：凹模高度： (15mm)凹模壁厚： (3040m

26、m) 式中:b 冲裁件最大外 形尺寸 K 系数，可查表 。图图9-41 凹模尺寸的确定凹模尺寸的确定Kbh hc)25 . 1 (材料成形工艺二二 冲模设计要点及步骤冲模设计要点及步骤1、冲模总体形式的确定、冲模总体形式的确定 在确定模具结构形式时，必须进行以下几方面设计： 1）模具类型：简单模、连续模、复合 模等。 2）操作方式：手工操作，自动化操 作，半自动化操作。 3）进出料方式和原材料的定位方式。 4）压料与卸料方式：压料或不压料， 弹性或刚性卸料等。 5）模具精度：模具加工精度、合理的 导向方式和模具固定方法等。 材料成形工艺 2、冲模的压力中心、冲模的压力中心 冲压力合力的作用点称

27、为模具的压力中心。 要求：压力中心与机床滑块中心重合。 压力中心的确定： 1 简单形状工件的压力中心： 凡是质量分布均匀,具有中心对称形状和封闭冲裁轮廓的冲件,其压力中心与重心相重合。此时的压力中心均位于工件轮廓图形的几何中心。 材料成形工艺 2复杂形状工件的压力中心：复杂形状工件的压力中心： 力学定理：力学定理：诸分力对某轴力矩之和等于其合力对同轴之矩。 niiniiinnnFxFFFFxFxFxFX11212211.图9-42 冲模压力中心的确定niiniiinnnFyFFFFyFyFyFY11212211.材料成形工艺三、冲模的封闭高度三、冲模的封闭高度冲模封闭高度冲模封闭高度：指模具在最低工作位时，