第三章 板料成形

§3.6.5板料成形方法及其模具材料成形技术基础冲压概念利用冲模使板料分离或塑性变形，获得冲压件；通常在常温下进行，又称冷冲压，板厚一般<6mm；应用广泛，适于大批量生产冲压优点(1)冲压件精度高，表面光洁，无切削，互换性好

(2)冲压件质量轻、强度、刚性较高

(3)操作简便，生产率高，易于自动化

(4)废料少，成本低冲压局限性

(1)变形冲压件的材料应有足够塑性与较低变形抗力

(2)模具费用高，不宜单件小批生产冲压设备剪板机（剪床）——把板料剪切成条状坯料

压力机（冲床）——冲压坯料制成所需形状和尺寸的零件冲压工序分类(1)分离工序——板料一部分与另一部分分离如落料与冲孔（沿封闭轮廓线分离）、切断（按不封闭轮廓线分离）等(2)变形工序——坯料产生塑性变形而不破裂如弯曲、拉深、翻边等分离工序冲裁——落料与冲孔落料：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：在板料上冲出孔，冲下部分是废料

冲裁过程冲裁包括弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。

冲裁件断面特征

冲裁件断面由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分组成。圆角带是刃口附近板料弯曲和伸长变形的结果，是变形区对这部分坯料作用而产生的。光亮带是在侧压力作用下板料相对滑移的结果。由于裂纹的产生一般在刃口侧面，故在普通冲裁加工中总有毛刺产生。主要变形区

如图所示，冲裁加工时，板料的主要变形区是以凸模与凹模刃口连线为中心的纺锤形区域。变形区的大小与材料特性、模具间隙和约束条件等因素有关。凸、凹模间隙刃口尺寸(1)落料模

凹模尺寸=落料尺寸凸模尺寸=凹模尺寸-间隙值凹模磨损增大落料尺寸，凹模应接近落料最小极限尺寸(2)冲孔模

凸模尺寸=冲孔尺寸凹模尺寸=凸模尺寸+间隙值凸模磨损减小冲孔尺寸，凹模应接近冲孔最大极限尺寸

冲裁加工时，变形区集中在凸模与凹模刃口连线为中心的狭窄区域。凸模与凹模间隙的微小变化对变形区大小及变形区内材料所受应力状态都有很大影响。因此，凸、凹模间隙c是冲裁工艺计算及模具设计中的主要工艺参数。一般，合理间隙值为材料厚度的5％～10％。变形区应力状态

右图显示了无压料冲变形区的应力状态，由于刃口侧面的轴向应力为拉应力，故裂纹往往先从侧面产生，形成毛刺。冲裁力是选用冲床吨位和设计检验模具强度的重要依据与冲裁周边长度、板料厚度、板材抗剪强度等有关

右图显示冲裁力－行程曲线。可见，塑性材料在最大剪切力之后产生裂纹，低塑性材料在剪切力上升阶段就产生了裂纹。在合理间隙条件下，裂纹产生到断裂，冲裁力急剧下降。小间隙时，会产生二次剪切，使冲裁力下降缓慢，严重时会在力的下降阶段产生局部回升。排样落料件在条料、带料或板料上的布置方法——排样，要求：

(1)提高冲裁件精度

(2)提高冲裁件性能（纤维方向）

(3)提高材料利用率排样方法排样布置排样图整修在模具上沿冲裁件外缘或内孔削去一薄层金属，以提高冲裁件断面质量与精度精密冲裁又称无间隙冲裁，采用齿圈压板，三向压应力，塑性剪切无裂纹分离，断面与板面垂直，光亮，精度高

弯曲变形过程V形件弯曲变形过程包括弹性弯曲，弹－塑性弯曲、塑性弯曲和校正弯曲四个阶段。

弯曲

弯曲变形区弯曲变形主要发生在弯曲中心角范围；板料靠凸模侧受压缩短，靠凹模侧受拉伸长弯曲半径

板厚一定，弯曲半径r↓，板料外侧（靠凹模侧）伸长↑，直至弯裂，因此存在不弯裂的最小弯曲半径,通常为（0.25-1）t。减小最小弯曲半径的因素：

(1)沿板料纤维方向弯曲

(2)板料塑性好

(3)板料表面质量好，光洁中性层变形区厚度方向，伸、缩变形区间，有一层金属不变形——中性层弯曲回弹因弹性恢复，弯曲件角度和弯曲半径较凸模增大，回弹影响弯曲件精度；模具的弯曲角应减小一个回弹量（随板材屈服强度和弯曲角度而增大）下料长度实际是弯曲件o-o中性层长度的计算弯曲力和弯曲工序弯曲力与坯料板厚、材料、弯曲部面积等有关，是设计弯曲模和选择压力机的主要依据拉深使平面板料成形为中空形状零件凸缘直径减小，转化为侧壁，为主要变形区。该区径向受拉产生拉应变，切向（周向）受压产生压应变拉深变形拉深变形过程

如图所示，凸模与毛坯接触时，毛坯首先弯曲，与凸模圆角接触处的材料发生胀形。凸模继续下降，法兰部分坯料在切向压应力、径向拉应力作用下通过凹模圆角向直壁流动，进行拉深变形。拉深是弯曲、胀形、拉深的变形过程。

（2）主要变形区

如图所示，拉深成形件可分为底部、壁部和法兰三个部分。在拉深过程中，底部为承力区，很少发生变形。壁部为传力区，也是已变形区。法兰部分是拉深的主要变形区。是衡量拉深变形程度的主要工艺参数，用拉深件直径与毛坯直径的比值m表示:m=d/Dm↓，变形程度↑，拉深应力↑，易拉裂为保证正常拉深，有一极限拉深系数，即最小拉深系数拉深系数拉深缺陷(1)拉深系数不小于极限拉深系数(2)凸凹模工作部分应为圆角(3)合理的凸凹模间隙(4)合理的压边力，模具工作面粗糙度小和润滑好(5)加压边圈（防止起皱）拉深缺陷防止下料尺寸

筒形拉深件按变形前后表面积相同、形状相似原则，再加修边余量δ。

拉深次数

(1)小深度拉深件一次拉深

(2)深腔拉深件多道次拉深每道次拉深系数≮极限拉深系数，而总拉深系数变小（m总=m1×m2×m3…×mn

）左图显示了毛坯几何尺寸和板料成形工序类型的关系。由图可见，若毛坯底部带有底孔时，坯料在外力作用下可能产生拉深、胀形和内孔翻边三种形式的变形。坯料进行哪种形式的变形由金属的变形规律所决定，即金属的变形对应于最低的载荷值。拉深变形规律利用模具使空心件或管状件由内向外扩张

冲压胀形

胀形变形过程

如图，凸模与毛坯接触，凹模圆角处坯料发生弯曲。同时，凸模底部毛坯产生胀形变形。坯料屈服后硬化，变形向外扩展。随后，材料全部进入塑性变形。胀形变形是弯曲、局部胀形以及由于加工硬化，贴模面积增加，胀形向外扩展的过程。

胀形变形规律

在胀形变形过程中，毛坯被带有凸筋的压边圈压紧，变形区被限制在凸筋以内的局部区域内。与拉深不同，胀形时，变形区是在不断扩大的。如下图所示，在无凸筋强制压边的条件下，坯料也会产生胀形变形。此时，胀形变形的性质和胀形在整个工序中所占的比例与毛坯尺寸有关。当毛坯的外径足够大、内径较小时，拉深与内孔翻边变形阻力大于胀形变形阻力，变形的性质由胀形来决定。冲压胀形应用生产中的起伏成形、压凸包、压筋、圆柱形空心毛坯的鼓肚成形、波纹管及平板毛坯的张拉成形等都属于胀形成形。

如图6-18所示，当相对法兰直径比

时，法兰处进行拉深变形的阻力大于底部胀形变形所需的力，工序性质属于胀形。与拉深加工相同，除了毛坯几何尺寸外，压边力大小、润滑和摩擦条件、模具的形状与几何尺寸等因素也会在不同程度上影响到工序的变形性质。

翻边

将工件上的孔或边缘翻出竖立或有一定角度的直边。如右图，带圆孔的环形毛坯被压边圈压紧，当滑块下行时，板料产生弯曲的同时，底孔不断扩大，凸模下材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模形成直立竖边。翻边变形过程实质是弯曲、扩孔和翻边的变形的过程。

与胀形变形不同，内孔翻边成形时，在双向拉应力作用下，板料沿圆周方向伸长，板厚减薄，但因厚度减薄量小于圆周方向的伸长量，故径向收缩。

翻边变形规律

当毛坯外径足够大，预制孔径也较大时，拉深变形和胀形变形阻力大于扩孔变形阻力，变形的性质由扩孔和翻边来决定。摩擦与润滑条件、压边力、模具的几何形状等因素也会在不同程度上影响到工序的变形性质及翻边在整个成形过程中所占的比例。

复合成形

指同时或分先后具有两种或两种以上变形性质的冲压工序。前面论述的冲裁、弯曲、拉深、胀形、翻边都是最基本的冲压工序。严格地说，几乎所有的冲压工序都是由基本工序以不同的方式和不同的比例组合起来的复合成形工序。

在加工球面、锥面和抛物面等曲面形状的零件，矩形盒和宽法兰拉深件，汽车、拖拉机上的许多覆盖件和一些复杂形状的零件时，很难确定其占主导地位的冲压工序性质，我们称这类零件为复合成形件。

在复合成形加工中，掌握金属的变形规律，控制金属的流动及变形模式的转换，把握问题的主要方面是决定工序成败及制件质量的关键。在生产中、复合成形的加工极限通常由起主导作用成形工序的加工极限和材料的复合成形性能来决定。

然而，因为影响冲压加工和金属变形的因素较多，故在难以识别占主导地位的冲压工序性质时，目前，还主要靠人们的直觉和经验来进行判断，有时需要反复的试验。

半球形件的变形特点

（1）半球形件的变形过程

球面形状零件的成形过程为：弯曲、胀形、胀形－拉深复合成形、拉深成形的变形过程。一般而言，对这类零件，确定其成形过程中胀形占主导地位、还是拉深占主导地位是有一定难度的。所以，我们称这类成形为胀形－拉深复合成形。

图球面零件的变形过程

主要变形区

与拉深变形集中在法兰部分，平板毛坯胀形变形集中在凹模圆角以内的局部不同，半球形件的变形区为整个坯料。

半球形件的变形规律

根据选择准则（最适当的解对应于最低的载荷值）和最小阻力定律（当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则每一点沿最小阻力方向移动），只有当胀形变形阻力和拉深变形阻力相等时，才会同时产生胀形和拉深变形。

在半球面零件的成形过程中，变形模式发生了转变。这种转变的迟早，以及胀形和拉深在整个成形中所占的比例除了与材料的性能有关外，还与毛坯的尺寸、模具参数和润滑条件等因素有关。2）复合度与复合成形性能

从成形角度和成形性的角度来看，复合的含义是不同的。

从成形角度看，如下图，复合成形由凸模头部坯料胀形成分和流入量，即拉深成分构成。对胀形和拉深成分的判别，可按断面线长和来区分，也可按面积和来区分。可用复合度来表示胀形或拉深在整个变形中所占的比例。

图复合成形的构成胀形复合度:或

拉深复合度：或

从复合成形性角度看，不能单纯根据复合度大小来确定占主导地位成形工序的性质。从破裂来看，胀形成分小于拉深成分，也会造成制件破裂；从起皱来看，即使有少量的拉深变形，也可能会使制件产生折皱。即使胀形成分大，但胀形成分随材料不同变化很小时，对破裂加工极限的影响就小。因此，还应考虑由于材料不同而引起拉深和胀形成分的变化率。

典型冲压模具结构

各种类型冲模复杂程度不同，所含零件各有差异。根据零件的作用，典型冲压模具由如下五部分组成：

（1）工作零件；（2）定位零件；

（3）压料、卸料和顶料零件；

（4）导向零件；（5）固定零件

简单冲模

一个冲压行程，完成一道冲压工序1－导柱；2－导套；3－挡料销；4－模柄；5－凸模；6－上模板；7－凸模固定板；8－刚性卸料板；9－凹模；10－下模板图6模－1导柱式简单落料模2）典型冲压模具的组合方式

按冲压工序的组合方式可分为：

单工序模：在压力机一次冲压行程内，完成一道冲压工序的模具。

复合模：在压力机一次行程内，在模具一个工位上完成两道以上冲压工序的模具。

级进模（连续模）：在压力机一次冲程内，在模具不同工位上完成多道冲压工序的模具。

连续冲模

一个冲压行程，在模具不同工位上同时完成两道以上工序

复合冲模

一个冲压行程，在模具同一工位完成两道以上工序。图6模-2垫圈复合冲裁模（倒装）

工序组合方式模具结构简图工序组合方式模具结构简图落料冲孔冲孔切边切断弯曲

落料拉深、冲孔切断弯曲、冲孔

落料拉深、冲孔、翻边表6-2多工序组合复合模示例工序组合方式模具结构简图工序组合方式模具结构简图落料拉深冲孔、翻边落料拉深、切边

落料、涨形、冲孔图6模-3落料拉深冲孔复合模图6模–4落料冲孔级进模工序组合方式模具结构简图工序组合方式模具结构简图冲孔、落料

冲孔、切断、弯曲冲孔、截断

冲孔、翻边、落料表6-3多工序组合级进模示例

冲孔、弯曲、切断冲孔、切断连续拉深、落料

冲孔、压印、落料

冲孔、翻边、落料连续拉深、冲孔、落料

冲压工艺及模具设计的内容和步骤

1）典型冲压工艺设计的内容和步骤

图6-22显示了玻璃升降器外壳冲压件的形状和尺寸，该零件的材料为08钢，板厚1.5mm，中批量生产。现以此零件为例简要介绍其冲压工艺设计的内容和步骤。（1）冲压件工艺性分析

该零件为一带法兰的成形件，其主要形状和尺寸可由拉深、冲孔和翻边工序获得。作为拉深成形件，其相对法兰直径比df/d和相对高度比h/d都比较合适。配合尺寸公差等级高，为IT11～12级，底部及口部的圆角半径R1.5mm偏小，应在拉深之后加整形工序，采用精度高、间隙小的模具。区段可用多种方法成形，由于高度尺寸21mm公差等级低，可采用简单冲孔、翻边来实现。翻边孔尺寸公差要求较高，翻边模的精度应相应提高。

三个小孔与翻边孔之间有形位公整要求，故从冲裁工艺性来看，应以内径定位，用高精度(IT7级以上)冲裁模在一道工序中同时冲出。（2）工艺方案的确定

a、工艺方案分析

该件基本工序为拉深工序。法兰上三个小孔由冲孔工序完成。区段既可由拉深、切底获得，又可由预冲孔、翻边来实现，这需由工艺计算来确定。计算可知，此件能由冲孔后直接翻边成形。b、毛坯直径计算及拉深次数确定

根据表面积不变原则，算得毛坯直径D=65mm。计算出相关参数，查资料可知该件需两次拉深，考虑到需要整形的具体情况，确定采用三道拉深。第三道拉深兼作整形工序。c、工艺方案的比较与确定

提出了五种方案，经分析比较后，确定采用的方案是：

落料与首次拉深复合—二次拉深—三次拉深（带整形）—冲底孔—翻边（带整形）—冲三个小孔—修边

（