第1章 冲压模具设计基础课件

第一章

冲压模具设计基础第一章冲压模具设计基础一、

模具概述模具概念

服务于人们意志的一种工艺装备。如用于生产摩托车变速箱的压铸模、生产塑料制品的注射模、生产不锈钢炊具的冲裁模、挤压模等。模具分类(1)有型腔的模具，如冲裁模，注射模——模具(2)无型腔的模具，如木模，仿型模——模型第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术冲压：1、冲压与冲模概念(1).基本概念冲压生产场景室温下压力机模具材料分离或塑性变形。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念(1).基本概念加工对象：主要金属板材加工依据：板材冲压成形性能（主要是塑性）加工设备：主要是压力机加工工艺装备：冲压模具冲压模具：在冲压加工中，将材料加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冲压模具（俗称冲模）。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念(1).基本概念合理的冲压工艺先进的模具高效的冲压设备冲压生产的三要素第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念(1).基本概念特别强调：冲压模具重要性冲模一种特殊工艺装备。

冲模与冲压件有“一模一样”的关系。冲模没有通用性。冲模是冲压生产必不可少的工艺装备，决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。冲模的功能和作用、冲模设计与制造方法和手段，决定了冲模是技术密集、高附加值型产品。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念（2）冲压成形加工特点

低耗、高效、低成本

“一模一样”、质量稳定、高一致性

可加工薄壁、复杂零件板材有良好的冲压成形性能

模具成本高所以，冲压成形适宜批量生产。

第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念（2）冲压成形加工特点冲压加工是制造业中最常用的一种材料成形加工方法。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术1、冲压与冲模概念（2）冲压成形加工特点冲压加工是制造业中最常用的一种材料成形加工方法。汽车覆盖件飞机蒙皮第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术2、冲压工序的分类根据材料的变形特点分：分离工序：分离工序、成形工序冲压成形时，变形材料内部的应力超过强度极限σb，使材料发生断裂而产生分离，从而成形零件。分离工序主要有剪裁和冲裁等。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术2、冲压工序的分类成形工序：冲压成形时，变形材料内部应力超过屈服极限σs，但未达到强度极限σb，使材料产生塑性变形，从而成形零件。成形工序主要有弯曲、拉深、翻边等。第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术2、冲压工序的分类第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术2、冲压工序的分类第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术（1）.冲模的分类3、冲模冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模等。②根据工序组合程度分类：单工序模、复合模、级进模①根据工艺性质分类：第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术3、冲模冲模通常由上、下模两部分构成。组成模具的零件主要有两类：②结构零件：①工艺零件：直接参与工艺过程的完成并和坯料有直接接触，包括：工作零件、定位零件、卸料与压料零件等；不直接参与完成工艺过程，也不和坯料有直接接触，只对模具完成工艺过程起保证作用，或对模具功能起完善作用，包括：导向零件、紧固零件、标准件及其它零件等.第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术冲压产品生产流程：4、冲模设计与制造的要求（冲压）产品设计冲压成形工艺设计冲压模具设计冲模制造冲压产品生产相互影响相互关联第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术4、冲模设计与制造的要求

冲压模具设计与制造包括冲压工艺设计、模具设计与模具制造三大基本工作。冲压工艺设计是冲模设计的基础和依据。冲模设计的目的是保证实现冲压工艺。冲模制造则是模具设计过程的延续，目的是使设计图样，通过原材料的加工和装配，转变为具有使用功能和使用价值的模具实体。

第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术4、冲模设计与制造的要求冲模设计与制造必须有系统观点，必须考虑企业实际情况和产品生产批量，在保证产品质量的前提下，寻求最佳的技术经济性。片面追求生产效率、模具精度和使用寿命必然导致成本的增加，只顾降低成本和缩短制造周期而忽视模具精度和使用寿命必然导致质量的下降。

第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术

①.我国冲压技术现状技术落后、经济效益低。主要原因：①冲压基础理论与成形工艺落后；

②模具标准化程度低；

③模具设计方法和手段、模具制造工艺及设备落后；

④模具专业化水平低。所以，结果导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生产周期等方面与先进工业发达国家的模具相比差距相当大。5、冲压技术现状与发展方向第一章冲压模具设计基础二、冲压成型与模具技术5、冲压技术现状与发展方向②.冲压技术发展方向产品市场变化：技术发展：牵引推动冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机械加工技术向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。多品种、少批量，更新换代速度快计算机技术、制造新技术第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础塑性：表示材料塑性变形能力。它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能力。

1、塑性变形的基本概念塑性指标：衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为延伸率δ和断面收缩率ψ。变形：弹性变形、塑性变形。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础2、塑性变形对金属组织和性能的影响

金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。一般会产生加工硬化或应变刚现象：

金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；

晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性；

由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。

第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础（1）点的应力与应变状态为了全面、完整地描述变形区内各点的受力和变形情况。应力——正应力、剪应力类似有应变状态的概念。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，因此主应变状态图只有三种。应力状态：通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即所谓单元体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。主应力状态：塑性变形可能出现九种主应力状态。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础点的应力状态a）任意坐标系

b）主轴坐标系

第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础9种主应力状态图第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础3种主应变状态图第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础（2）金属的屈服条件屈服——塑性状态，主要取决于两方面的因素：①在一定的变形条件（变形温度和变形速度）下材料的物理机械性质——转变的根据；

②材料所处的应力状态——转变的条件。单向应力状态：σ=σS

一般应力状态：σ1-σ3=βσS

第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础（3）金属塑性变形时的应力应变关系

弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关；

塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础3、塑性力学基础①应力分量与应变分量符号不一定一致，即拉应力不一定对应拉应变，压应力不一定对应压应变；②某方向应力为零其应变不一定为零；③在任何一种应力状态下，应力分量的大小与应变分量的大小次序是相对应的，即б1＞б2＞б3，则有ε1＞ε2＞ε3。④若有两个应力分量相等，则对应的应变分量也相等，即若б1＝б2，则有ε1＝ε2。几点讨论结论（3）金属塑性变形时的应力应变关系第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础4、金属塑性变形的一些基本规律（1）硬化规律加工硬化：硬化曲线：σ=Cεn塑性降低，变形抗力提高。能提高变形均匀性。

实际应力曲线或真实应力曲线。表示硬化规律。这种变化规律可近似用指数曲线表示。

第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础金属的应力-应变图1-实际应力曲线

2-假象应力曲线

4、金属塑性变形的一些基本规律第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础4、金属塑性变形的一些基本规律（2）体积不变金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：ε1+ε2+ε3=0第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础4、金属塑性变形的一些基本规律（3）最小阻力定律

在塑性变形中，破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。

在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律。弱区先变形，变形区为弱区第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础5、板料力学性能与成形性能的关系（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,因易于变形而不易出现起皱,弯曲变形后回弹也小。（2）屈强比σs/σbσs/σb

对冲压成形性能影响较大。屈强比小说明σs小而σb（拉伸试验时的最大屈服强度）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。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础5、板料力学性能与成形性能的关系（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表示材料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力。它直接决定材料在伸长类变形中的冲压成形性能,从试验中得到验证,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: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和弹性模量En值表示材料在塑性变形中的硬化程度。n值大,材料在变形中加工硬化严重,真实应力增大。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愈大,材料抗压失稳能力愈强,卸载后回弹愈小,冲压件质量愈高。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础5、板料力学性能与成形性能的关系（5）厚向异性系数γ由于钢锭结晶和板材轧制时出现纤维组织等因素,板料的塑性会因方向不同而出现差异,这种现象称板料的塑性各向异性。厚度方向的各向异性用厚向异性系数γ表示,其表达式为:γ=εb/εt式中：γ厚向异性系数;εb

、εt

宽度和厚度方向的应变。由上式可知,当γ>1时,板料宽度方向较厚度方向容易产生变形,即板料不易变薄或增厚。在拉深变形工序中,加大γ值,毛坯宽度方向易于变形,切向易于收缩不易起皱γ值大,材料的拉深性能好。第一章冲压模具设计基础三、冲压变形理论基础5、板料力学性能与成形性能的关系（6）板平面各向异性系数Δγ板料轧制后,在板平面内也出现各向异性,因此沿各不同方向,其力学性能和物理性能均不同。板平面各向异性系数Δγ表示为:Δγ=（γ0°+γ90°—2γ45°）/2由于Δγ大会增加冲压工序(切边工序)和材料的消耗,影响冲压件质量,因此生产中应尽量降低Δγ值。第一章冲压模具设计基础四、冲压常用的材料1、材料基本要求冲压最常用的是金属板料，也有部分非金属板料。一般说来,伸长率大、屈强比小、弹性模量大、硬化指数高和厚向异性系数大有利于各种冲压成形工序。此外，还应满足：（1）板料应有良好的表面质量。不能有划伤、缩孔、麻点或断面分层，否则会冲压时造成应力集中而产生破裂。（2）板料的规格应符合有关标准。厚度应符合标准。第一章冲压模具设计基础四、冲压常用的材料2、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类,金属材料又分为黑色金属和有色金属两类。常用的黑色金属材料有:(1)普通碳素钢钢板如Q195、Q235等。(2)优质碳素结构钢钢板如08、08F、10、20等。(3)低合金结构钢钢板如Q345(16Mn)、Q295(09Mn2)等。(4)电工硅钢钢板如DT1、DT2。(5)不锈钢钢板如1Cr18Ni9Ti、1Cr13等。常用的有色金属有铜及铜合金,牌号有T1、T2、H62、H68等,其塑性、导电性与导热性均很好;还有铝及铝合金,常用的牌号有1060、1050A、3A21、2A12等,有较好的塑性,变形抗力小且轻。非金属材料有胶木板、橡胶、塑料板等。第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备机械压力机（以Jxx表示其型号）液压机（以Yxx表示其型号）摩擦压力机曲柄压力机数控冲床油压机水压机第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备曲柄压力机第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备摩擦压力机传动系统1-电机2-传送带3、5-摩擦盘4-轴6-飞轮7、10-连杆

8-螺母9-螺杆11-挡块12-滑块13-手柄

第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备偏心压力机传动系统1-滑块2-连杆3-制动装置4-偏心轴5-离合器6-皮带轮7-电机8-操纵机构第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备曲轴压力机传动系统1-电机2-皮带轮3、4-齿轮5-离合器6-连杆7-滑块

第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备油压机第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备数控冲床第一章冲压模具设计基础五、冲压设备1、常见冲压设备类型设备名称工作原理特点机械压力机摩擦压力机

利用摩擦盘与飞轮之间相互接触并传递动力，借助螺杆与螺母相对运动原理而工作。结构简单，当超负荷时，只会引起飞轮与摩擦盘之间的滑动，而不致损坏机件。但飞轮轮缘磨损大，生产率低。适用于中小型件的冲压加工，对于校正、压印和成形等冲压工序尤为适宜。曲柄压力机利用曲柄连杆机构进行工作，电机通过皮带轮及齿轮带动曲轴传动，经连杆使滑块作直线往复运动。曲柄压力机分为偏心压力机和曲轴压力机，二者区别主要在主轴，前者主轴是偏心轴，后者主轴是曲轴。偏心压力机一般是开式压力机，而曲轴压力机有开式和闭式之分。生产率高，适用于各类冲压加工高速冲床工作原理与曲柄压力机相同，但其刚度、精度、行程次数都比较高，一般带有自动送料装置、安全检测装置等辅助装置。生产率很高，适用于大批量生产，模具一般采用多工位级进模。液压机油压机水压机利用帕斯卡原理，以水或油为工作介质，采用静压力传递进行工作，使滑块上、下往复运动。压力大，而且是静压力，但生产率低。适用于拉深、挤压等成形工序。第一章冲压模具设计基础五、冲压设备2、曲柄压力机①工作机构：曲轴、连杆、