材料成形设计基础 第二章 第四节 板料冲压

1、第四节 板料冲压 板料冲压：利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于4mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。原材料：具有塑性的金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜或铝及其合金等，也可以是非金属材料，如胶木、云母、纤维板、皮革等。板料冲压的特点： （1）冲压生产操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。 （2）冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用。 （3）金属薄板经过冲压塑性变形获得一定几何形状，并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。 （4）冲模是冲压生产的主要

2、工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。冲压设备：主要有剪床和冲床两大类。剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备。冲床是进行冲压加工的主要设备，按其床身结构不同，有开式和闭式两类冲床。按其传动方式不同，有机械式冲床与液压压力机两大类。图2-40所示为开式机械式冲床的工作原理及传动示意图。冲床的主要技术参数是以公称压力来表示的，公称压力（kN）是以冲床滑块在下止点前工作位置所能承受的最大工作压力来表示的。我国常用开式冲床的规格为632000kN，闭式冲床的规格为10005000kN。图2-40 开式冲床1脚踏板 2工作台 3滑块 4连杆 5

3、偏心套 6制动器 7偏心轴8离合器 9皮带轮 10电动机 11床身 12操作机构 13垫板 一、 冲压工序及冲压件结构工艺性 冲压基本工序可分为落料、冲孔、切断等分离工序，和拉深、弯曲等变形工序两大类。（一）分离工序 分离工序统称为冲裁，它是使板料的一部分与另一部分分离的加工工序。切断：使板料按不封闭轮廓线分离的工序叫切断；落料：是从板料上冲出一定外形的零件或坯料，冲下部分是成品。冲孔：是在板料上冲出孔，冲下部分是废料。冲孔和落料又统称为冲裁。1冲裁变形过程 冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。普通冲裁的刃口必须锋利，凸模和凹模之间留有间隙，板料的冲裁过程可分为三个阶段，如图2-41所示：（1）弹性

4、变形阶段 （2）塑性变形阶段 （3）剪裂分离阶段 图2-41 冲裁过程 a）弹性变形阶段 b）塑性变形阶段 c）剪裂分离阶段板料冲裁时的应力应变十分复杂，除剪切应力应变外，还有拉伸、弯曲和挤压等应力应变，如图2-42所示。当模具间隙正常时，冲裁件的断面有圆角带、光亮带、剪裂带和毛刺四部分组成。图2-42 冲裁变形区的应力应变 1圆角带 2光亮带 3剪裂带 4毛刺如果间隙过大，会使得圆角带和毛刺加大，板料的翘曲也会加大，如图2-43a所示；如果冲裁间隙过小，会使冲裁力加大，不仅会降低模具寿命，还会使冲裁件的断面形成二次光亮带，在两个光面间夹有裂纹，如图2-43b所示，这些都会影响冲裁件的断面质量

5、。因此，选择合理的冲裁间隙对保证冲裁件质量，提高模具寿命，降低冲裁力都是十分重要的。图2-43 间隙对断面质量的影响 a）间隙过大 b）间隙过小2冲裁工艺设计 包括：冲裁件的结构工艺性分析、冲裁间隙的选择、冲裁模精度确定及刃口尺寸计算、冲裁力计算和排样设计等。（1）冲裁间隙的选择 设计冲裁模时，可以按相关设计手册选用冲裁间隙或利用下列经验公式选择合理的间隙值。Z=2Ct式中 Z凸模与凹模间的双面间隙，单位为mm； C与材料厚度、性能有关的系数，见表2-10； t板料厚度，单位为mm。表2-10 冲裁间隙系数C值 材料 板 厚t/mm t3t3软钢、纯铁 0.060.09 当断面质量无特别要求时

6、，将t3的相应C值放大1.5倍 铜、铝合金 0.060.10 硬 钢 0.080.12 （2）刃口尺寸计算 刃口尺寸的计算原则如下： 1) 落料时，落料尺寸由凹模决定，应以凹模为设计基准，凸模尺寸与凹模配制；冲孔尺寸由凸模决定，应以凸模为设计基准，凹模尺寸与凸模配制。凸、凹模配制时应保证冲裁的合理间隙。 2）凸、凹模应考虑模具的磨损规律，凹模磨损后会增大落料件的尺寸，因而凹模的刃口基本尺寸应接近落料件的最小极限尺寸；凸模刃口基本尺寸应趋向于孔的最大极限尺寸。 3）当凸、凹模采用配制加工时，刃口尺寸的制造公差一般为冲裁件公差的1/31/4。如果凸、凹模分别加工时，其制造公差之和应小于或等于最大与

7、最小间隙之差的绝对值，即：（凹+凸）Zmax Zmin。 4）刃口尺寸计算要根据模具制造特点，冲裁件的形状简单时，其模具采用分别加工法计算，冲裁件形状复杂时，其模具用配制法计算。（3）冲裁力计算 冲裁力是板料冲裁时作用在凸模上的最大抗力，冲裁力计算公式为：F=KLt 或 F=Ltb 式中 F冲裁力，单位为N； L冲切刃口周长，单位为mm； t板料厚度，单位为mm； 板料的抗剪强度，单位为MPa； b板料的抗拉强度，单位为MPa K安全系数，常取1.3。（4）排样设计 冲裁件在条料上的布置方法称为排样。排样设计包括选择排样方法、确定搭边值、计算送料步距和条料宽度，画排样图等。 1）排样方法可分为

8、以下三种，如图2-44所示。有废料排样法，如图2-44a所示，沿冲裁件周边都有工艺余料（称为搭边），冲裁沿冲裁件轮廓进行，冲裁件质量和模具寿命较高，但材料利用率较低；少废料排样法，如图2-44b所示，沿冲裁件部分周边有工艺余料。这样的排样法，冲裁沿工件部分轮廓进行，材料的利用率较有废料排样法高，但冲裁件精度有所降低；无废料排样法，如图2-44c所示，沿冲裁件周边没有工艺余料，采用这种排样法时，冲裁件实际是由切断条料获得，材料的利用率高，但冲裁件精度低，模具寿命不高。图2-44 排样方法 a）有废料排样法 b）少废料排样法 c）无废料排样法2）搭边是指冲裁件与冲裁件之间，冲裁件与条料两侧边之间留

9、下的工艺余料，其作用是保证冲裁时刃口受力均匀和条料正常送进。搭边值通常由经验确定，一般在0.55mm之间，材料越厚、越软以及冲裁件的尺寸越大，形状越复杂，搭边值应越大。3）画排样图 排样图是排样设计的最终表达形式，是编制冲压工艺与设计模具的主要依据。一般在模具装配图的右上角画出冲裁件图与排样图。在排样图上应标注条料宽度B及其公差、表明冲压加工工序内容、冲压模具的压力中心位置、送料步距A、搭边值a等，如图2-45所示。图2-45 排样图 3冲裁件结构工艺性 指冲裁件结构、形状、尺寸对冲裁工艺的适应性。主要包括以下几方面：（1）冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于排样时合理利用材料，尽可能提高材料

10、的利用率。（2）冲裁件转角处应尽量避免尖角，以圆角过渡。一般在转角处应有半径R0.25t（t为板厚）的圆角，以减小角部模具的磨损。（3）冲裁件应避免长槽和细长悬臂结构，对孔的最小尺寸及孔距间的最小距离等，也都有一定限制。对冲裁件的有关尺寸要求如图2-46所示。图2-46 冲裁件的有关尺寸 （4）冲裁件的尺寸精度要求应与冲压工艺相适应，其合理经济精度为IT9IT12，较高精度冲裁件可达到IT8IT10。采用整修或精密冲裁等工艺，可使冲裁件精度达到IT6IT7，但成本也相应提高。4整修与精密冲裁 整修是在模具上利用切削的方法，将冲裁件的边缘或内孔切去一小层金属，从而提高冲裁件断面质量与精度的加工方

11、法，如图2-47所示。整修可去除普通冲裁时在断面上留下的圆角、毛刺与剪裂带等。整修余量约为0.10.4mm，工件尺寸精度可达IT7IT6。a) b)图2-47 整修 a）外缘整修 b）内孔整修 1凸模 2凹模精密冲裁又称为无间隙或负间隙冲裁，如图2-48所示。图2-48 精密冲裁与普通冲裁 a）带齿圈压板精冲 b）普通冲裁 1凸模 2齿圈压板 3坯料 4凹模 5顶板 （二）弯曲工序 将金属材料弯曲成一定角度和形状的工艺方法称为弯曲，弯曲方法可分为：压弯、拉弯、折弯、滚弯等。最常见的是在压力机上压弯。1弯曲变形过程与特点 弯曲变形过程如图2-49所示。 图2-49 弯曲过程弯曲变形的主要特点为：

12、（1）弯曲变形区 弯曲变形主要发生在弯曲中心角对应的范围内，中心角以外区域基本不发生变形。变形前aa段与bb段长度相等，弯曲变形后，aa弧长小于bb弧长，在ab以外两侧的直边段没有变形，如图2-50所示。图2-50 弯曲变形区 （2）最小弯曲半径 对于一定厚度的板料，弯曲半径越小，外层材料的伸长率就越大，当外层材料的伸长率达到或超过材料的许用伸长率时，会产生弯裂，因此存在一个不会产生弯裂的最小相对弯曲半径rmin/t（t为板厚）。弯曲件的实际相对弯曲半径r/t应大于最小相对弯曲半径。最小相对弯曲半径rmin/t 通常在（0.12）之间选取，其影响因素有：1）材料的塑性越好，其最小相对弯曲半径r

13、min/t越小。2）经过退火的板料塑性好，最小相对弯曲半径rmin/t可小；有加工硬化的板料，塑性降低，使rmin/t增大。3）冷轧板料有各向异性，沿纤维方向弯曲的最小相对弯曲半径rmin/t可小。沿垂直纤维方向弯曲时，最小相对弯曲半径rmin/t应加大。4）板料表面及边缘粗糙时，易产生应力集中，需增大rmin/t。弯曲件的尺寸公差等级一般不高于IT13，角度公差最好大于15，否则应增加整形工序。 （3）中性层 在变形区的厚度方向，缩短和伸长的两个变形区之间，有一层金属在变形前后没有变化，这层金属称为中性层。中性层是计算弯曲件展开长度的依据。 （4）回弹 由于材料的弹性恢复，会使弯曲件的角度和

14、弯曲半径较凸模大，这种现象称为回弹。回弹会影响弯曲件的精度，通常在设计弯曲模时，应使模具的弯曲角减小一个回弹量。2弯曲工艺设计 包括：弯曲件的结构工艺性分析、弯曲件的毛坯展开尺寸计算、弯曲力的计算和弯曲件的工序安排等。 （1）毛坯尺寸计算 实际上是计算中性层的尺寸，公式为： L=l直+l0 式中 L弯曲件毛坯尺寸，单位为mm；l直直线部分各段长度，单位为mm；l0圆弧部分各段中性层长度，单位为mm。对于每一个圆弧的中性层长度为： 式中 l0弯曲部分园弧长度，单位为mm； 弯曲区中心角，单位为“度”； r弯曲半径，单位为mm； x中性层系数，其值可查表2-11。表2-11 中性层系数x值 R/t

15、00.50.50.80.822334455x 0.160.250.250.300.300.350.350.400.400.450.450.500.5 （2）弯曲力的计算 公式如下： F校=Sp 式中 F校校正弯曲时的弯曲力，单位为N； S 校正部分的投影面积，单位为mm2； p单位面积上的校正力，单位为MPa，其值见表2-12。表2-12 单位面积上的校正力 （MPa） 板厚 材料 t3mm t310mm 板厚 材料 t3mm t310mm 铝 3040 5060 2535钢 100120 120150 黄铜 6080 50100 钛合金BT1 160180 180210 1020钢 8010

16、0 100120 钛合金BT3 160200 200260 （3）弯曲件的工序安排 形状简单的弯曲件，如V形、U形、Z形等，只需一次弯曲就可以成形。形状复杂的弯曲件，要两次或多次弯曲成形，多次弯曲成形时，一般先弯两端的形状，后弯中间部分的形状，如图2-51所示。对于精度较高或特别小的弯曲件，尽可能在一付模具上完成多次弯曲成形。 图2-51 多次弯曲成形 3弯曲件的结构工艺性 如图2-52所示，设计时应考虑以下方面： （1）弯曲件的弯曲半径不应小于最小弯曲半径，如果弯曲半径r小于rmin时，可采用减薄弯曲区厚度的方法，以加大rmin/t，；但弯曲半径不应、也不宜过大,否则会造成回弹量过大,使弯曲

17、件精度不易保证。 （2）弯曲件应尽量对称，以防止在弯曲时发生工件偏移。直边过短不易弯曲成形，应使弯曲件的直边高H2t；弯曲已冲孔的工件时，孔的位置应在变形区以外，孔与弯曲变形区的距离L(12)t。 （3）应尽可能沿材料纤维方向弯曲，多向弯曲时，为避免角部畸变，应先冲工艺孔或切槽。 图2-52 弯曲件结构工艺性 （三）拉深 拉深是使平面板料成形为中空形状零件的冲压工序。拉深工艺可分为不变薄拉深和变薄拉深两种，不变薄拉深件的壁厚与毛坯厚度基本相同，工业上应用较多，变薄拉深件的壁厚则明显小于毛坯厚度。下面介绍圆筒形不变薄拉深工艺。1拉深变形过程与质量控制 拉深变形过程如图2-53所示，原始直径为D0

18、的板料，经过凸模压入到凹模孔口中，拉深后变成内径为d、高度为h的筒形零件。图2-53 拉深变形过程 拉深过程 1凸模 2毛坯 3凹模 4工件拉深变形过程的应力和应变如图2-54所示。图2-54 拉深变形过程的应力和应变 1凸缘区 2变形区 3不变形区拉深过程中的主要缺陷是起皱和拉裂，如图2-55所示。起皱是拉深时由于较大的切向压应力使板料失稳造成的，生产中常采用加压边圈的方法予以防止。拉裂一般出现在直壁与底部的过渡圆角处，当拉应力超过材料的抗拉强度时，此处将被拉裂。为防止拉裂，应采取如下工艺措施： （1）限制拉深系数 这是防止拉裂的主要工艺措施。拉深系数是衡量拉深变形程度大小的主要工艺参数，它

19、用拉深件直径与毛坯直径的比值m表示，即m=d/D0。拉深系数越小，表明变形程度越大，拉深应力越大，容易产生拉裂废品。能保证拉深正常进行的最小拉深系数，称为极限拉深系数。（2）凹凸模工作部分，必须加工成圆角 凹模圆角半径为R凹=（510）t，凸模圆角为半径R凸=（0.71）t。（3）合理的凸凹模间隙 间隙过小，容易拉穿；间隙过大，容易起皱。一般，凸凹模之间的单边间隙Z=（1.01.2）tmax。 （4）减小拉深时的阻力 例如，压边力要合理不应过大；凸、凹模工作表面要有较小的表面粗糙度；在凹模表面涂润滑剂来减小摩擦。图2-55 拉深件废品 a）起皱 b）拉裂2筒形件的拉深工艺 分为：拉深件毛坯尺寸

20、计算，拉深系数和拉深次数的确定，拉深力的计算和拉深件结构工艺性分析等。 （1）拉深件毛坯尺寸计算 对于不变薄拉深，毛坯的尺寸是按变形前后表面积相同，且形状相似的原则确定的。为了补偿在变形时由于材料的各向异性引起的变形不均匀，在计算毛坯时应加上修边余量，如图2-56所示。筒形件的毛坯为圆，直径D可按下式计算： 式中 D 毛坯直径，单位为mm； d 工件直径，单位为mm； h 工件高度，单位为mm； r 工件底部的圆角半径，单位为mm。当板厚t1mm时，工件直径d应按拉深件的中线尺寸计算，工件高度h应包括修边余量。图2-56 筒形件的修边余量 （2）拉深次数的确定 深度小的工件可以一次拉深成形，深

21、度大的工件则需两次或多次拉深，每道次的拉深系数应小于极限拉深系数。低碳钢筒形件带压边圈的极限拉深系数见表2-13。表2-13 低碳钢筒形件带压边圈的极限拉深系数 拉深次数毛坯相对厚度t/D（%）2.01.51.51.01.00.60.60.30.30.150.150.08第一次第二次第三次第四次第五次0.480.500.730.750.760780.780.800.800.820.500.630.750.760.780.790.800.810.820.840.530.550.760.780.790.800.810.820.840.850.550.580.780.790.800.810.820.

22、830.850.860.580.600.790800.810.820.830.850.860.870.600.630.800.820.820.840.850.860.870.88注：1、表中数据也适用于软黄铜H62。对拉深性能偏低的20、25、Q235、硬铝等材料，可取比表中数值大1.5%2.0%；对拉深性能偏高的05、08S深拉钢及软铝等材料，可取比表中数值小1.5%2.0%。 2、表中数据适用于未经中间退火时的拉深。若采用中间退火，可取较表中数值小2%3%。 3、表中较小值适用于大的凹模圆角半径R凹=（815）t，较大值适用于小的凹模圆角半径R凹=（48）t。 多次拉深时，若板料各道次的拉

23、深系数分别用m1、m2、mn表示，则：、 、 工件的总拉深系数m为：m=m1m2mn 式中 D0 毛坯直径，单位为mm； d 工件直径，单位为mm，t1mm时取中径， d1、d2、dn-1为中间各道次拉深坯的直径，最后一次拉深直径dn = d；m1mn第一次至第n次的拉深系数。多次拉深的圆筒直径变化如图2-57所示。拉深次数可根据表2-13数据推算，即d1=m1D0、d2=m2d1、dn=mndn-1，当dnd时，n为所求拉深次数。为提高生产效率，实际生产中，选用的拉深系数一般较表中数值略高。图2-57 多次拉深圆筒直径变化 3拉深件的结构工艺性 拉深件的有关尺寸要求如图2-58所示，设计时主

24、要考虑以下几个方面：图2-58 拉深件的尺寸要求 （1）拉深件的形状应力求简单、对称。拉深件的形状有回转体形、非回转体对称形和非对称空间形三类。其中以回转体形，尤其是直径不变的杯形件最易拉深，模具制造也方便。（2）尽量避免直径小而深度大，否则不仅需要多副模具进行多次拉深，而且容易出现废品。（3）拉深件的底部与侧壁，凸缘与侧壁应有足够的圆角，一般应满足Rrd，rd2t，R（24）t，方形件r3t。拉深件底部或凸缘上的孔边到側壁的距离，应满足Brd+0.5t或BR+0.5t（t为板厚）。另外，带凸缘拉深件的凸缘尺寸要合理，不宜过大或过小，否则会造成拉深困难或导致压边圈失去作用。（4）不要对拉深件提

25、出过高的精度或表面质量要求。拉深件直径方向的经济精度一般为IT9IT10，经整形后精度可达到IT6IT7，拉深件的表面质量一般不超过原材料的表面质量。此外，变形工序还有翻边、胀形、缩口等，如图2-59所示。这些工序是通过局部变形来实现工件成形的。翻边：将工件上的孔或边缘翻出竖立或有一定角度的直边。胀形：利用模具使空心件或管状件由内向外扩张的成形方法。缩口：利用模具使空心件或管状件的口部直径缩小的局部成形工艺。 图2-59 其它成形工序 a）翻边 b）胀形 c）缩口二、冷冲压模具 常用的冷冲模按工序组合可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模三类。简单冲模：在一个冲压行程只完成一道工序的冲模，如图2-

26、60所示。图2-60 简单冲模 1固定卸料板 2导料板 3挡料销 4凸模 5凹模 6模柄 7上模座 8凸模固定板 9凹模固定板 10导套 11导柱 12下模座连续冲模：在一付模具上有多个工位，在一个冲压行程同时完成多道工序的冲模，如图2-61所示。图2-61 连续冲模 1模柄 2上模座 3导套 4、5冲孔凸模 6固定卸料板 7导柱8下模座9凹模10固定挡料销 11导正销 12落料凸模 13凸模固定板14垫板 15螺钉 16始用挡料销复合冲模：在一付模具上只有一个工位，在一个冲压行程上同时完成多道冲压工序的冲模，如图2-62所示。图2-62 复合冲模 1弹性压边圈 2拉深凸模 3落料、拉深凸凹模

27、 4落料凹模 5顶件板冲压模具的组成： （1）工作零件 使板料成形的零件，有凸模、凹模、凸凹模等。 （2）定位、送料零件 使条料或半成品在模具上定位、沿工作方向送进的零部件。主要有挡料销、导正销、导料销、导料板等。 （3）卸料及压料零件 防止工件变形，压住模具上的板料及将工件或废料从模具上卸下或推出的零件。主要有卸料板、顶件器、压边圈、推板、推杆等。 （4）结构零件 在模具的制造和使用中起装配、固定作用的零件，以及在使用中起导向作用的零件。主要有上、下模座，模柄，凸、凹模固定板，垫板，导柱、导套、导筒、导板螺钉、销钉等。为了规范模具设计与生产，我国制定了冷冲模模具标准组合结构的国家标准（GB2

28、871.181GB2874.481）。各种典型组合结构还细分为不同的形式，标准组合结构的各种零件也已标准化。 三、冲压工艺过程实例分析 冲压工艺过程： （1）分析冲压件的结构工艺性；（2）拟定冲压件的总体工艺方案；（3）确定毛坯形状、尺寸和下料方式；（4）拟定冲压工序性质、数目和顺序；（5）确定冲模类型和结构形式；（6）选择冲压设备；（7）编写冲压工艺文件。图2-63所示是托架的工艺过程制定实例。图2-63 托架 已知该零件材料为08F钢，年产量为两万件，要求表面无划伤，孔不能有变形。解：（1）结构工艺性分析 该件10孔内装有心轴，4孔5与机身连接，为保证良好的装配条件，5个孔的公差均为IT9，精度要求不高。选用08F冷轧板塑性好，各弯曲半径大于最小弯曲半径，不需要整形，各孔都可以冲出。因此，该件可以用冲压加工成形。（2）拟定工艺方案 从零件结构分析，该件所需基本工序为落料、冲孔、弯曲三种。其中弯曲工艺方案有三种，如图2-64所示。a) b) c)图2-64 托架弯曲工艺方案 该件总的冲压工艺方案有：方案一：复合冲10