第一章冲压变形的基本原理

第一章冲压变形的基本原理第二章冲裁工艺及冲裁模设计第三章弯曲工艺与弯曲模具设计第四章拉深工艺及拉深模具的设计第五章其它成形工艺及模具设计第六章大型覆盖件成形工艺及模具设计第七章冷挤压工艺与模具设计第八章冲压工艺规程的编制第九章多工位精密自动级进模设计第十章特种冲压模具设计第十一章冲压模具失效形式及冲模材料

第一章冲压变形的基本原理

绪论本章学习要求：1.掌握金属塑性变形的基本概念；2.掌握板料冲压性能和常见的冲压材料；3.了解塑性变形的力学基础和冲压成形方法的力学特点。第一章冲压变形的基本原理1.1

金属塑性变形的基本概念

在外力作用下，金属产生形状与尺寸的变化称为变形，它分为弹性变形和塑性变形。1.1.1塑性变形的物理概念

所有的固体金属都是晶体，原子在晶体所占的空间内有序排列。在没有外力作用时，金属中原子处于稳定的平衡状态，金属物体具有自己的形状与尺寸。施加外力，会破坏原子间原来的平衡状态，造成原子排畸变图1.1.1，引起金属形状与尺寸的变化。图1.1.1晶体变形a〕无变形b〕弹性变形c〕弹性变形+塑性变形d〕塑性变形

假若除去外力，金属中原子立即恢复到原来稳定平衡的位置，原子排列畸变消失和金属完全恢复了自己的原始形状和尺寸，则这样的变形称为弹性变形（图1.1.1a）。增加外力，原子排列的畸变程度增加，移动距离有可能大于受力前的原子间距离，这时晶体中一部分原子相对于另一部分产生较大的错动（图1.1.1c）。外力除去以后，原子间的距离虽然仍可恢复原状，但错动了的原子并不能再回到其原始位置（图1.1.1d），金属的形状和尺寸也都发生了永久改变。这种在外力作用下产生不可恢复的永久变形称为塑性变形。

受外力作用时，原子总是离开平衡位置而移动。因此，在塑性变形条件下，总变形既包括塑性变形，也包括除去外力后消失的弹性变形。1.1.2塑性变形的基本形式

先了解单晶体的变形规律，单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生方式进行。

1.滑移

滑移是晶体一部分沿一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分作相对移动。由阻力最小定律滑移总是沿原子排列最密的面的最密排的方向进行。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。晶体的滑移系越多，则可能出现的滑移位向越多，金属的塑性也越好。晶体的滑移是通过位错的移动而产生的，并不需要整个滑移面上的全部原子一齐移动，而只是在位错中心附近的少数原子发生移动，且它们的移动距离小于一个原子间距故通过位错移动的滑移所需应力要小得多。滑移会在宏观上形成滑移线和滑移带。

2.孪生

孪生是晶体一部分相对另一部分，对应于一定的晶面（孪晶面）沿一定方向发生转动的结果。孪生时，晶体变形部分中所有与孪晶面平行的原子平面均向同一方向移动，移动距离与该原子面距孪晶面之距离成正比。虽然相邻原子间的位移只有一个原子间距的几分之一，但许多层晶面积累起来便可形成比原子间距大许多倍的变形。金属的临界孪生剪切应力比临界滑移剪切应力大得多，只有在滑移过程很困难时，晶体才发生孪生。孪生对变形过程的直接贡献不大，但是孪生后由于晶体转至新位向，将有利于滑移，因而使金属的变形能力得到提高。滑移和孪生二者往往交替进行。3.多晶体塑性变形

实际使用的金属都是多晶体，由大小、形状、位向都不完全相同的晶粒组成，各晶粒之间由晶界相连接。多晶体塑性变形包括晶内变形和晶间变形。

(1)晶内变形

单就一个晶粒来说，其晶内塑性变形方式同单晶体。多晶体在受到外力作用时，塑性变形首先发生在位向最有利的晶粒中，如图1.1.2a中的晶粒A和B。随着外力增加，作用在位向不太有利的滑移面上的切应力达到了塑性变形所需要的数值，塑性变形开始遍及越来越多的晶粒。各晶粒的变形先后不一致，变形量也不一致，在同一晶粒内变形也不一致，这就造成了多晶体变形的不均匀性。图1.1.2多晶体的塑性变形a〕晶内变形b〕晶外变形

2)晶间变形

多晶体中各晶粒之间在外力的作用下发生相互移动和转动，即晶间变形。对于塑性较差的材料，其晶间结合力弱，晶粒之间的相对移动会破坏晶界面降低晶粒之间的机械嵌合，易于导致金属的破裂。

多晶体塑性变形后会引起下述组织改变：

(1)纤维组织

晶粒沿最大变形方向伸长，形成纤维状的晶粒组织，即纤维组织。

(2)变形织构

塑性变形过程中晶粒形状变化的同时，部分晶粒在空间发生转动（图1.1.2b），使滑移面动方向趋于一致，形成变形织构。

具有变形织构的金属，各晶粒的位向接近，力学性能、物理性能等明显地出现各向异性，对其工艺性能和使用都有很大的影响。例如，冷轧钢板具有变形织构组织，在拉深过程中各方向的变形不等，得到的拉深件在口部不平整。1.1.3金属的塑性与变形抗力

1.塑性及塑性指标

(1)塑性

是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。它反映了金属的变形能力，是金属的一种重要的加工性能。

(2)塑性指标

塑性一般以材料开始破坏时的塑性变形量来表示。常用的塑性指标有：

伸长率：

(1.1.1)

断面收缩率：

(1.1.2)

镦粗率：

(1.1.3)式中

L0、A0——拉伸试样原始标距长度、原始断面积；LK、AK——拉伸试样破断后标距间的长度、破断处的断面积；

H0、HK－－镦粗试样原始高度、侧表面出现第一条裂纹时的高度。

塑性指标是通过实验得出的，各种实验都有其特定的受力状况和变形条件，所以塑性指标仅具有相对的和比较的意义。

2.变形抗力及指标

塑性变形时，使金属产生塑性变形的外力称为变形力，金属抵抗变形的力称为变形抗力。因此，变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度。变形抗力和变形力数值相等，方向相反，一般用作用在金属和工具接触面上的平均单位面积变形力表示其大小。压缩变形时的变形抗力即是作用于施压工具表面的单位面积压力，亦称单位流压力。

通常用真实应力作为变形抗力大小的指标。但变形抗力与真实应力是两种不同的概念，真实应力是在单向拉伸（或压缩）试验时作用在试样瞬时断面上的应力，即初始的或后续的屈服应力，或称流动应力。只有在单向应力状态下，变形抗力才等于材料在特定条件下的真实应力。金属塑性加工过程多数是在两向或三向应力状态下进行的，对于加工同一种材料，其变形抗力一般要比单向应力状态的真实应力大得多，可达1.5~6倍。因此，变形抗力的大小除了取决于该材料在一定变形温度、变形速度和变形程度下的真实应力外，还取决于塑性加工时的应力状态、接触摩擦及相对尺寸因素等。1.1.4影响金属塑性和变形抗力的主要因素

(一）影响金属塑性的主要因素

金属的塑性不是固定不变的，它受金属的内在因素（晶格类型、化学成分、组织状态等）和外部条件（变形温度、应变速率、变形的力学状态等）的影响。因此通过创造合适的内、外部条件，就有可能改善金属的塑性行为。

1.化学成分及组织的影响

（1）化学成分的影响

它对金属塑性的影响是很复杂的。工业用的金属除基本元素之外大都含有一定的杂质，有时为了改善金属的使用性能也往往人为地加入一些合金元素。它们对金属的塑性均有影响。

金属的塑性随其纯度的提高而增加。例如纯度为99.96﹪的铝，伸长率为45﹪。而纯度为98﹪的铝，其伸长率则只有30﹪左右。纯金属的塑性与其晶体结构有关，面心立方的金属（Ag、Al、Au、Ni、Cu、Pb、g-Fe等）、体心立方的金属（Cr、V、Nb、Ta、Mo、W、a-Fe、b-Ti等）滑移系较多，因此比密排六方的金属。（Zn、Mg、Cd、a-Be、a-Ti、a-Co等）塑性好。但金属塑性的好坏，还与滑移方向的数目有关，所以面心立方结构的金属塑性较体心立方的为好。

金属和合金中的杂质有：金属、非金属、气体等。由于这些元素的性质不同，它们对金属塑性的影响也各不相同。例如碳钢中的杂质元素硫、磷、氮、氢、氧等分别会产生热脆、冷脆、时效脆性及氢脆等，从而使碳钢的塑性降低。

合金元素对塑性的影响，取决于加入元素的特性、数量、元素之间的相互作用及分布等。当合金元素与基体形成固溶体后，则有较好的塑性。若加入的量不适当，形成过剩相，则会使塑性降低。

对于多元合金，由于各元素的不同作用及元素之间的相互作用，对塑性的影响很复杂，需结合具体情况进行分析。

（2）组织结构的影响

一般情况下，单相组织（纯金属或固溶体）比多相组织的塑性好，固溶体比化合物的塑性好。而多相组织的塑性又与各相的特性、晶粒的大小、形状、分布等有关。若两相变形性能相近，则塑性为其平均值相差悬殊时，则变形主要在塑性好的一相中进行，另一相起阻碍作用，这时的塑性与第二相的分布有关，第二相若呈不连续网状分布在晶界上，则塑性很差；若第二相呈片、层状分布在晶粒内则塑性稍有下降；若呈颗粒状弥散分布，则不影响塑性。

2.变形温度对塑性的影响

就大多数金属和合金而言，总的趋势是：随着温度的升高，塑性增加。但在升温过程中的某些温度区间，塑性会降低，出现脆性区。如碳钢随着温度的升高，塑性增加，但是大约在200～250°C、800～900℃、超过1250℃三个温度范围内，出现塑性下降，分别称为蓝脆区、热脆区和高温脆区。

温度升高，塑性增加的原因有：发生了回复和再结晶；临界切应力降低，滑移系增加；金属的组织结构发生变化，可能由多相组织转变为单相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为对塑性有利的晶格；热塑性的发生；晶界滑动作用的加强等。

3.变形速度对塑性的影响

变形速度对塑性有两个不同方面的影响，谁大谁小，要视具体情况而定。

1）随变形速度的增大，要驱使更多的位错同时运动，使金属的真实流动应力提高，进而使断裂提早，所以使金属的塑性降低。另外，在热变形条件下，变形速度大时，可能没有足够的时间发生回复和再结晶，使塑性降低。

2）随着变形速度的增大，温度效应显著，会提高金属的塑性。

4.应力状态对塑性的影响

主应力状态中的压应力个数越多，数值越大，金属的塑性越好；反之拉应力个数越多，数值越大，其塑性越低。原因是：压应力阻止或减小晶间变形；有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形引起的各种微观破坏；能抵消由于不均匀变形所引起的附加应力。

(二)影响金属变形抗力的主要因素

1.化学成分及组织的影响

1）化学成分的影响

对于各种纯金属，因原子间作用特性不同，变形抗力也不同。纯度越高，变形抗力越小。不同牌号的合金，组织状态不间，变形抗力值也不同。如退火的纯铜，常温下的变形抗力为70Mpa，而退火的纯铝，变形抗力为30Mpa左右，硬铝合金LY12，在退火状态下变形抗力为100MPa，淬火时效后为300MPa（上述数据都是屈服应力）。

合金元素、杂质元素对变形抗力的影响，主要取决于它们与基体原子间的相互作用特性、原子的大小、分布情况及引起基体点阵畸变程度等。一般，合金、杂质含量越高，变形抗力越大。尤其以弥散分布形式，对变形抗力的增大影响较大。

1）组织结构的影响

相变

发生相变时，力学性能和物理性能都会发生变化。当然变形抗力也发生变化。

单相组织和多相组织

单相组织时，单相固溶体中合金元素的含量越高，引起品格畸变越大，变形抗力越高。单相组织比多相组织的变形抗力要低。当合金为多相组织时，第二相的形状、大小、数量和分布状况对变形抗力都有影响。第二相在基体相晶粒内呈颗粒状弥散分布，抗力就高。第二相越细，分布越均匀，数量越多，变形抗力越高。

2.变形温度对变形抗力的影响

温度升高，金属原子间结合力降低，变形抗力降低（图1.1.3）。但对那些在升温过程中在某些温度区间出现脆性区则存在例外。图1.1.3碳钢在不同温度下的流动应力

3.变形速度对变形抗力的影响

变形速度的增大使热效应增大，从而使变形抗力降低；另一方面，缩短了变形时间，位错运动的发生与发展的时间不足，又使变形抗力增加。一般来说，随着变形速度的增加，金属的真实应力提高，但提高的程度与变形温度有关。冷变形时变形速度对真实应力影响不大；而在热变形时变形速度的提高会引起真实应力明显提高。实际应用中，为了方便地求得不同温度下的动载流动应力，可将材料静载下的流动应力S乘以速度系数w（也称古布金系数，见表1.1.1），即为所求的动载荷下的应力。

4.变形程度对变形抗力的影响

随着变形程度的增加，只要回复和再结晶来不及发生，都会必然产生加工硬化，提高变形抗力。其提高的幅度与材料的硬化率有关。

5.应力状态对变形抗力的影响

塑性理论指出，只有应力差才会导致物体的形状变形。物体受到的静水压力越大，其变形抗力越大。如挤压时金属受三向压应力作用，拉拔时受两压一拉的应力作用，虽然两者产生的变形状态是相同的，但挤压时的变形抗力远大于拉拔时的变形抗力。返回章目录

第一章冲压变形的基本原理1.2

塑性变形的力学基础

金属成形时，外力通过模具或其它工具作用在坯料上，使其内部产生应力，并且发生塑性变形。由于外力的作用状况坯料的尺寸与模具的形状千差万别，从而引起材料内各点的应力与应变也各不相同。因此必须研究变形体内各点的应力状态、应变状态以及产生塑性变形时各应力之间的关系与应力应变之间的关系。1.2.1点的应力与应变状态

在变形物体上任意点取一个微量六面单元体，该单元体上的应力状态可取其相互垂直表面上的应力来表示，沿坐标方向可将这些应力分解为九个应力分量，其中包括三个正应力和六个剪应力，如图1.2.1a所示。相互垂直平面上的剪应力互等，txy=tyx，tyz=tzy，tzx=txz。因此若已知三个正应力和三个剪应力，那么该点的应力状态就可以确定了。改变坐标方位，这六个应力分量的大小也跟着改变。对任何一种应力状态，总是存在这样一组坐标系，使得单元体各表面上只有正应力而无剪应力，如图1.2.1b所示。这三个坐标轴就称应力主轴，三个坐标轴的方向称主方向，这三个正应力就称为主应力，三个主应力的作用面称为主平面。图1.2.1点的应力状态a）任意坐标系b）主轴坐标系

三个主方向上都有应力存在称为三向应力状态，如宽板弯曲变形。但板料大多数成形工序，沿料厚方向的应力st与其它两个互相垂直方向的主应力（如径向应力sr与切向应力sq）相比较，往往很小，可以忽略不计，如拉深、翻孔和胀形变形等，这种应力状态称为平面应力状态。三个主应力中只有一个有值，称为单向应力状态，如板料的内孔边缘和外形边缘处常常是自由表面，sr、st为零。

除主平面不存在剪应力之外，单元体其它方向上均存在剪应力，而在与主平面成45°截面上的剪应力达到极值时，称为主剪应力。s1≥s2≥s3时，最大剪应力为tmax=±（s1一s3）／2，最大剪应力与材料的塑性变形关系很大。

应力产生应变，应变也具有与应力相同的表现形式。单元体上的应变也有正应变与剪应变，当采用主轴坐标时，单元体六个面上只有三个主应变分量e1、e2和e3，而没有剪应变分量。塑性变形时物体主要是发生形状的改变，体积变化很小，可忽略不计，即：e1+e2+e3=0（1.2.1）

此即为塑性变形体积不变定律。它反映了三个主应变值之间的相互关系。根据体积不变定律可知：塑性变形时只可能有三向应变状态和平面应变状态，而不可能有单向应变状态。在平面应变状态时若e2=0，另外两个应变的绝对值必然相等，而符号相反。1.2.2屈服准则（塑性条件）

当物体受单向应力作用时，只要其主应力达到材料的屈服极限，该点就进入塑性状态。而对于复杂的三向应力状态，就不能仅根据某一个应力分量来判断该点是否达到塑性状态，而要同时考虑其它应力分量的作用。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，这种关系就称为塑性条件，或称屈服准则。

工程上经常采用屈服准则通式来判别变形状态：s1-s3=bss（1.2.3）式中s1、s3、ss——最大、最小主应力、坯料的屈服应力。b——应力状态系数，其值在1.0~1.155范围内。单向应力状态及轴对称应力状态（双向等拉、双向等压）时，取b=1.0；平面变形状态时，取b=1.155。在应力分量未知情况下，b可取近似平均值1.1。1.2.3塑性变形时应力与应变的关系

物体在弹性变形阶段，应力与应变之间的关系是线性的，与加载历史无关。而塑性变形时应力应变关系则是非线性的、不可逆的，应力应变不能简单叠加。如图1.2.2为材料单向拉伸加载曲线。材料屈服后，应力应变不再是线性关系。如在同一个应力s时，因为加载历史不同，应变也不同，可能是e′，也可能是e″。因而，在塑性变形时，应变不仅与应力大小有关，而且与加载历史有着密切的关系。应力与应变之间不存在对应关系。为了建立物体受力与变形之间的关系，只能撇开整个变形，而取加载过程中某个微量时间间隔dt出来研究。从而出现了应力与应变增量之间的关系式，即增量理论，其表达式如下：

增量理论在计算上困难很大，尤其当材料有冷作硬化时，计算就更复杂了。如果在加载过程中，所有的应力分量均按同一比例增加，这种状况称为简单加载，在简单加载情况下，应力应变关系得到简化，得出全量理论公式，其表达式为：

下面举两个简单的利用全量理论分析应力应变关系的例子。（1）e2=0时，称平面应变（或称平面变形），由上式可得出s2=（s1+s3）/2。宽板弯曲就属于这种情况。

（2）s1＞0，且s2=s3=0时，材料受单向拉应力，由上式可得e1＞0，e2=e3=-1/2e1，即单向拉伸时拉应力作用方向为伸长变形其余两方向上的应变为压缩变形，且为拉伸变形之半，翻孔变形材料边缘属此类变形。单向压缩情况正好相反。1.2.4金属变形时硬化现象和硬化曲线在冲压生产过程中，变形过程是在常温下进行的。金属材料在常温下塑性变形的重要特点之一是加工硬化。其结果是引起材料力学性能的变化，表现为材料的强度指标（屈服强度ss与抗拉强度sb）随变形程度的增加而增加；塑性指标（伸长率d与断面收缩率y）随之降低。加工硬化既有不利的方面：使进一步变形变得困难；又有有利的方面：板料硬化能够减小过大的局部变形，使变形趋于均匀，增大成形极限，同时也提高了材料的强度。因此，在进行变形毛坯内各部分的应力分析和各种工艺参数的确定时，必须考虑到加工硬化所产生的影响。冷变形时材料的变形抗力随变形程度的变化情况可用硬化曲线表示。一般可用单向拉伸或压缩试验方法得到材料的硬化曲线。图1.2.3是几种常用冲压板材的硬化曲线。为了使用方便，可将硬化曲线用数学函数式来表示。常用的数学函数的幂次式如下：s=Ken(1.2.6)s=ss+K1en1(1.2.7)式中K、K1、n、n1均为材料常数。图1.2.3几种常用冲压板材的硬化曲线

式（1.2.7）忽略了弹性变形。适用于有初始屈服应力的材料。实际中式（1.2.6）是用得较普遍的。式（1.2.6）中的n称为材料的硬化指数，是表明材料冷变形硬化性能的重要参数，部分冲压板材的n值和K值列入表1.2.1中。

返回章目录第一章冲压变形的基本原理1.3各种冲压成形方法的力学特点与分类

正确的板料冲压成形工艺的分类方法，应该能够明确地反映出每一种类型成形工艺的共性，并在此基础上提供可能用共同的观点和方法分析、研究和解决每一类成形之艺中的各种实际问题的条件。在各种冲压成形工艺中毛坯变形区的应力状态和变形特点是制订工艺过程、设计模具和确定极限变形参数的主要依据，所以只有能够充分地反映出变形毛坯的受力与变形特点的分类方法，才可能真正具有实用的意义。1.3.1变形毛坯的分区

在冲压成形时，可以把变形毛坯分成变形区和不变形区。不变形区可能是已经经历过变形的已变形区或是尚未参与变形的待变形区，也可能是在全部冲压过程中都不参与变形的不变形区。当不变形区受力的作用时，叫作传力区。表1.3.1列出拉探、翻孔与缩口时毛坯的变形区与不变形区的分布情况图〔1.3.1〕图1.3.1冲压变形毛坯各区划分举例a〕拉伸b〕翻孔c〕缩口1.3.2变形区的应力与应变特点

从本质上看各种冲压成形过程就是毛坯变形区在力的作用下产生变形的过程，所以毛坯变形区的受力情况和变形特点是决定各种冲压变形性质的主要依据。绝大多数冲压变形都是平面应力状态。一般在板料表面上不受力或受数值不大的力，所以可以认为在板厚方向上的应力数值为零。使毛坯变形区产生塑性变形均是在板料平面内相互垂直的两个主应力。除弯曲变形外，大多数情况下都可认为这两个主应力在厚度方向上的数值是不变的。因此，可以把所有冲压变形方式按毛坯变形区的受力情况和变形特点从变形力学理论的角度归纳为以下四种情况，并分别研究它们的变形特点。

(一)冲压毛坯两向受拉应力的作用

可以分为以下两种情祝：sr＞sq＞0，且st=0sq＞sr＞0，且st=0相对应的变形是平板毛坯的局部胀形、内孔翻边、空心毛坯胀形等（图1.3.2I象限）。这时由应力应变关系的全量理论可知，最大拉应力方向上的变形一定是伸长变形，应力为零的方向（一般为料厚方向）上的变形一定是压缩变形。因此，可以判断在两向拉应力作用下的变形，会产生材料变薄。在两个拉应力相等（双向等拉应力状态）时，eq=er＞0，et=-2eq=-2er，厚向上的压缩变形是伸长变形的两倍，平板材料胀形时的中心部位就属于这种变形状况。

(二)冲压毛坯变形区受两向压应力的作用可以分为下边两种情况：sr＜sq＜0，且st=0sq＜sr＜0，且st=0与此相对应的变形是缩口和窄板弯曲内区（见图1.3.2III象限）等。由应力应变关系的全量理论可知，在最小压应力（绝对值最大）方向（缩口的径向、弯曲的周向）上的变形一定是压缩变形，而在没有应力的方向（如缩口厚向、弯曲宽向）的变形一定是伸长变形。图1.3.2冲压应力图(三)冲压毛坯变形区受异号应力的作用，且拉应力的绝对值大于压应力的绝对值可以分为下边两种情况：sr＞0＞sq，st=0且s½r½＞s½q½sq＞0＞sr，st=0且s½q½＞s½r½

相对应的是无压边拉深凸缘的偏内位置、扩口、弯曲外区等，在冲压应力图中处于II、IV象限的AOH及COD范围内。同理可知，在拉应力（绝对值大）的方向上的变形一定是伸长变形，且为最大变形，而在压应力的方向（如拉深的周向、弯曲的径向）的变形一定是压缩变形，而无应力的方向（如拉深的厚向、弯曲的宽向）也是压缩变形。

(四)冲压毛坯变形区受异号应力的作用而且压应力的绝对值大于拉应力的绝对值可以分为以下两种情况：sr＞0＞sq，st=0且s½q½＞s½r½sq＞0＞sr，st=0且s½r½＞s½q½

与其相对应的是无压边拉深凸缘的偏外位置等，在冲压应力图中处于II、IV象限的HOG及DOE范围内。同理，在压应力方向（如拉深外区周向，应力的绝对值大）的变形一定是压缩变形，且为最大变形，在拉应力方向为伸长变形，无应力方向（厚向）也为伸长变形（增厚）。

综上所述，可以把冲压变形概括为两大类：伸长类变形与压缩类变形。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为正值时，称这种冲压变形为伸长类变形，如胀形翻孔与弯曲外侧变形等。成形主要是靠材料的伸长和厚度的减薄来实现。这时，拉应力的成分越多，数值越大，材料的伸长与厚度减薄越严重。当作用于毛坯变形区内的绝对值最大应力、应变为负值时，称这种冲压变形为压缩类变形，如拉深较外区和弯曲内侧变形等。成形主要是靠材料的压缩与增厚来实现，压应力的成分越多，数值越大，板料的缩短与增厚就越严重。

由于伸长类成形和压缩类成形在变形力学上的本质差别，它们在冲压过程中出现的问题和解决的方法也是完全不同的，但是，对同一类变形中的各种冲压方法，却可以用相同的观点和方法去分析和解决冲压中的各种问题。以下举例说明。

伸长类成形的极限变形参数主要决定于材料的塑性，并且可以用板材的塑性指标直接地或间接地表示。例如多数实验结果证实：平板毛坯的局部胀形深度、圆柱体空心毛坯的胀形系数、圆孔翻边系数、最小弯曲半径等都与伸长率有明显的正比关系。

压缩类成形的极限变形参数（如拉深系数等），通常都是受毛坯传力区的承载能力的限制，有时则受变形区或传力区的失稳起皱的限制。

由于两类成形方法的极限变形参数的确定基础不同，所以影响极限变形参数的因素和提高极限变形参数的途径和方法也不一样。

提高伸长类成形的极限变形参数的措施有：

1)提高材料的塑性。如变形前的退火，分段成形时的中间退火等。

2)减小变形不均匀程度。使变形趋向均匀，减小局部的集中变形，可以使总的均匀变形程度加大。如在用刚体冲模进行圆柱体空心毛坯的胀形时，均匀而有效的润滑可使变形均匀，提高总体的变形程度。另外，提高材料的硬化指数也能防止产生过分集中的局部变形，并使胀形、翻边、扩口等伸长类成形的极限变形参数得到提高。

3)消除毛坯变形区的局部硬化层或其他易于引起由应力集中而可能导致破坏的各种因素。如将带毛利的毛坯表面置于弯曲模中朝向冲头的方向等方法，可减少伸长类成形中的开裂现象。

提高压缩类成形的极限变形参数的措施有：

1)提高传力区的承载能力和降低变形区的变形抗力、摩擦阻力等。如通过建立不同的温度条件而改变传力区和变形区的强度性能的拉深方法：局部加热拉深、局部深冷。

2)采取各种有效的措施，防止毛坯变形区的失稳起皱。如有效的压边方法、足够大的压边力，有利于防止起皱的模具工作部分的形状和尺寸、合理的中间毛坯的形状等。

3)以降低变形区的变形抗力为主要目的的退火。如多次拉深时的中间退火，这时的退火与伸长类成形时以恢复材料的塑性为主要目的的退火之间有很大的差别，进行退火的意义和方法也不相同。例如以极限拉深系数进行一次拉深工序之后，如不退火，仍然可以继续进行下次变形程度较小的拉深工序；但以极限胀形系数进行一次胀形加工后，如不经恢复塑性的退火，再继续进行胀形是不可能的。1.3.3冲压成形过程中的变形趋向性及其控制

在冲压过程中，成形毛坯的各个部分在同一个模具的作用下，有可能发生不同形式的变形，即具有不同的变形趋向性。保证在毛坯需要变形的部位产生需要的变形，排除其他一切不必要的和有害的变形，是合理地制定冲压工艺及合理地设计模具的目的。可见，对各种冲压成形工艺所进行的变形趋向性及其控制的研究，可以作为确定成形方式的各种工艺参数、制定工艺过程、设计冲模和分析冲压过程中出现的某些产品质量问题的依据，所以它是个十分重要的问题之一。

(一)冲压变形的趋向性

1.冲压毛坯的多个部位都有变形的可能时，变形在阻力最小的部位进行。

下面以缩口为例加以分析（见图1.3.3）。稳定缩口时坯料可分为图示的三个区域。在外力作用下，A、B两区都有可能发生变形，A区可能会发生缩口塑性变形；B区也可能会发生镦粗变形。但是由于它们可能产生的塑性变形的方式不同，而且也由于变形区和传力区之间的尺寸关系不同，总是有一个区需要比较小的塑性变形力，并首先进人塑性状态，产生塑性变形。因此，可以认为这个区是个相对的弱区。为了保证冲压过程的顺利进行，必须保证在该道冲压工序应该变形的部分——变形区成为弱区以便在把塑性变形局限于变形区的同时，排除传力区产生任何不必要的塑性变形的可能。A〕变形区B〕传力区C〕已变形区图1.3.3变形趋向性对冲压工艺的影响

“弱区必先变形，变形区应为弱区”的结论，在冲压生产中具有很重要的实用意义，例如有些冲压工艺的极限变形参数（拉深系数、缩口系数等）的确定，复杂形状零件的冲压工艺过程设计等等，都是以这个道理做为分析和计算的依据。下面仍以缩口为例来说明这个道理。在图1.3.3所示的缩口过程中，变形区A和传力区B的交界面上作用有数值相等的压应力s，传力区B产生塑性变形的方式是镦粗，其变形所需要的压应力为sS，所以传力区不致产生镦粗变形的条件是：s＜ss（1.3.1）变形区A产生的塑性变形方式为切向收缩的缩口，所需要的轴向压应力为sk，所以变形区产生缩口变形的条件是：s≥sk(1.3.2)由上面两式可以得出在保证传力区不致产生塑性变形下能够进行缩口的条件为：sk＜ss（1.3.3）

因为sk的数值决定于缩口系数d/D，所以式（1.3.3）就成为确定极限缩口系数的依据。极限拉深系数的确定方法，也与此相类似。

此外，在设计工艺过程、选定工艺方案、确定工序和工序间尺寸时，也必须遵循“弱区必先变形，变形区应为弱区”的道理。

2.当变形区有两个以上的变形方式时，需要最小变形力的变形方式首先实现。

在工艺过程设计和模具设计时，除要保证变形区为弱区外，同时还要保证变形区必须实现的变形方式要求最小的变形力。例如在缩口时，变形区A可能产生的塑性变形是切向收缩的缩口变形和变形区在切向压应力作用下的失稳起皱；传力区B可能产生的塑性变形是直筒部分的镦粗和失稳。这时，为了使缩口成形工艺能够正常地进行，就要求在传力区不产生上述两种之一的任何变形的同时，变形区也不要发生失稳起皱，而仅仅产生所要求的切向收缩的缩口变形。在这四种变形趋向中，只能实现缩口变形的必要条件是与其他所有变形方式相比，缩口变形所需的变形力最小。

(二)变形趋向性的控制

在冲压生产当中，对毛坯变形趋向性的控制，是保证冲压过程顺利进行和获得高质量冲压件的根本保证，毛坯的变形区和传力区并不是固定不变，而是在一定的条件下可以互相转化的。因此改变这些条件，就可以实现对变形趋向性的控制。

在实际生产当中，用来控制毛坯的变形趋向性的措施有下列几个方面。

1.变形毛坯各部分的相对尺寸关系是决定变形趋向性的最重要的因素，所以在设计工艺过程时一定要合理地确定初始毛坯的尺寸和中间毛坯的尺寸，保证变形的趋向符合工艺的要求。

2.改变模具工作部分的几何形状和尺寸也能对毛坯变形的趋向性进行控制。

3.改变毛坯与模具接触表面之间的摩擦阻力，借以控制毛坯变形的趋向，这也是生产中时常采用的一个方法。

4.采用局部加热或局部深冷的办法，降低变形区的变形抗力或提高传力区的强度，都能达到控制变形趋向性的目的，可使一次成形的极限变形程度加大，提高生产效率例如，在拉深和缩口时采用局部加热变形区的工艺方法，就是基于这个道理。返回章目录

第一章冲压变形的基本原理

1.4

板料冲压成形性能及冲压材料1.4.1板料的冲压成形性能

板料对各种冲压成形加工的适应能力称为板料的冲压成形性能。具体地说，就是指能否用简便地工艺方法，高效率地用坯料生产出优质冲压件。冲压成形性能是个综合性的概念，它涉及到的因素很多，其中有两个主要方面：一方面是成形极限，希望尽可能减少成形工序；另一方面是要保证冲压件质量符合设计要求。下面分别讨论。(一)成形极限

在冲压成形中，材料的最大变形极限称为成形极限。对不同的成形工序，成形极限应采用不同的极限变形系数来表示。例如弯曲工序的最小相对弯曲半径、拉深工序的极限拉深系数等等。这些极限变形系数可以在各种冲压手册中查到，也可通过实验求得。

依据什么来确定极限变形系数呢？这要看影响成形过程正常进行的因素是哪些。冲压成形时外力可以直接作用在毛坯的变形区（例如胀形），也可以通过非变形区，包括已变形区（例如拉深）和待变形区（例如缩口、扩口等），将变形力传给变形区。因此，影响成形过程正常进行的因素，可能发生在变形区，也可能发生在非变形区。归纳起来，大致有下述几种情况：

1.属于变形区的问题

伸长类变形一般是因为拉应力过大，材料过度变薄，局部失稳而产生断裂，如胀形、翻孔、扩口和弯曲外区等的拉裂。压缩类变形一般是因为压应力过大，超过了板材的临界应力，使板材丧失稳定性而产生起皱，如缩口、无压边圈拉深等的起皱。

2.属于非变形区的问题

传力区承载能力不够：非变形区作为传力区时，往往由于变形力超过了该传力区的承载能力而使变形过程无法继续进行。也分为两种情况：

1)拉裂或过度变薄；例如拉深是利用已变形区作为拉力的传为区，若变形力超过已变形区的抗拉能力，就会在该区内发生拉裂或局部严重变薄而使工件报废。

2)失稳或塑性镦粗：例如扩口和缩口工序是利用待变形区作为压力的传力区，若变形力超过了管坯的承载能力，待变形区就会因失稳而压屈，或者发生塑性镦粗变形。

非传力区在内应力作用下破坏：非变形区不是传力区时，由于变形过程中金属流动的不均匀性，也可能产生过大的内应力而使之破坏。根据发生问题的部位不同，可分为：

1)待变形区拉裂或起皱：例如在盒形件的后续拉深工序中，待变形区金属流入变形区的速度不一致，靠直边部分流入速度快，角部金属流入速度慢。在这两部分金属的相互影响下，直边部分容易发生拉裂，角部则容易沿高度方向压屈起皱。

2)已变形区拉裂或起皱：如薄壁件反挤时，若金属从变形区流到已变形区的速度不均匀，则速度快的部位易因受附加压应力而起皱，速度慢的部位易受附加拉应力的作用而开裂。

综上所述，不论是伸长类还是压缩类变形，不论问题发生在变形区还是非变形区，其失稳形式无非两种类型：受拉部位发生缩颈断裂，受压部位发生压屈起皱。为了提高冲压成形极限，从材料方面来看，就必须提高板材的塑性指标和增强抗拉、抗压的能力。(二)成形质量

冲压零件不但要求具有所需形状，还必须保证产品质量。冲压件的质量指标主要是厚度变薄率、尺寸精度、表面质量以及成形后材料的物理力学性能等。

金属在塑性变形中体积不变。因此，在伸长类变形时，板厚都要变薄，它会直接影响到冲压件的强度，故对强度有要求的冲压件往往要限制其最大变薄率。

影响冲压件尺寸和形状精度的主要原因是回弹与畸变。由于在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，卸载后会出现回弹现象，导致尺寸及形状精度的降低。冲压件的表面质量主要是指成形过程中引起的擦伤。产生擦伤的原因除冲模间隙不合理或不均匀、模具表面粗糙外，往往还由于材料粘附模具所致。例如不锈钢拉深就很容易有此问题。1.4.2板料冲压成形性能试验(一)板料冲压成形性能试验方法

板料冲压性能试验方法通常分为三种类型：力学试验、金属学试验（统称间接试验）和工艺试验（直接试验）。其中常用的力学试验有简单拉伸试验和双向拉伸试验，用以测定板料的力学性能指标；金属学试验用以确定金属材料的硬度、表面粗糙度、化学成分、结晶方位与晶粒度等；工艺试验也称模拟试验，它是用模拟生产实际中的某种冲压成形工艺的方法测量出相应的工艺参数。例如Swift的拉深试验测出极限拉深比LDR；TZP试验测出对比拉深力的T值；Erichsen试验测出极限胀形深度Er值；K.W.I扩孔试验测出极限扩孔率λ等。下面仅对板材简单拉伸实验进行介绍。(二)板材拉伸试验

板材的拉伸试验也叫做单向拉伸试验或简单拉伸试验。应用拉伸试验方法，可以得到许多评定板材冲压性能的试验值，所以应用十分普遍。

由于试验目的不同，板材冲压性能评价用的拉伸试验方法和所得到的试验值均与为评定材料强度性能的拉伸试验有所不同。简单介绍如下：图1.4.1拉伸实验试样

试验设备：拉力试验机（机械式或液压式）。

试验时，利用测量装置测量拉伸力P与拉伸行程（试样伸长值）ΔL，根据这些数值作出s－d曲线。（图1.4.2）。试验可以得到下列力学性能指标：图1.4.2拉伸曲线

1）屈服极限ss或s0.2；2)强度极限sb；3）屈强比ss/sb；4）均匀伸长率du；5）总伸长率d；6）弹性模数E；7）硬化指数n；8）厚向异性指数g1.4.3板料力学性能与冲压成形性能的关系板料力学性能与板料冲压性能有密切关系。一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：1)屈服极限ss屈服极限ss小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小，当压缩变形时，屈服极限小的材料因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小。2)屈强比ss／sb屈强比小，说明σs值小而σb值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言，具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易起皱，传力区的材料又有较高强度而不易拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。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d。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du。du表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，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：即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单向拉伸硬化曲线可写成s=Ken，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材的硬化程度。n大时，说明在变形中材料加工硬化严重，真实应力增加大。板料拉伸时，整个变形过程是不均匀的，先是产生均匀变形，然后出现集中变形，形成缩颈，最后被拉断。在拉伸过程中，一方面材料断面尺寸不断减小使承载能力降低，另一方面由于加工硬化使变形抗力提高，又提高了材料的承载能力。在变形的初始阶段，硬化的作用是主要的，因此材料上某处的承载能力，在变形中得到加强。变形总是遵循阻力最小定律，既“弱区先变形”的原则，变形总是在的最弱面处进行，这样变形区就不断转移。因而，变形不是集中在某一个局部断面上进行，在宏观上就表现为均匀变形，承载能力不断提高。但是根据材料的特性，板料的硬化是随变形程度的增加而逐渐减弱，当变形进行到一定时刻，硬化与断面减小对承载能力的影响，两者恰好相等，此时最弱断面的承载能力不再得到提高，于是变形开始集中在这一局部地区地行，不能转移出去、发展成为缩颈，直至拉断。可以看出，当n值大时，材料加工硬化严重，硬化使材料强度的提高得到加强，于是增大了均匀变形的范围。对伸长类变形如胀形，n值大的材料使变形均匀，变薄减小，厚度分布均匀，表面质量好，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹5)厚向异性指数g由于板料轧制时出现的纤维组织等因素，板料的塑性会因方向不同而出现差异，这种现象称塑性各向异性。厚向异性系数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变之比,即：g=eb/et(1.4.1)式中eb、et——宽度方向、厚度方向的应变。厚向异性指数表示板料在厚度方向上的变形能力，g值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚,g值对压缩类变形的拉深影响较大，当g值增大，板料易于在宽度方向变形，可减小起皱的可能性，而板料受拉处厚度不易变薄，又使拉深不易出现裂纹，因此g值大时，有助于提高拉深变形程度。6）板平面各向异性指数∆g板料在不同方位上厚向异性指数不同，造成板平面内各向异性。用∆g表示：∆g=（g0+g90+2g45）/2（1.4.2）式中g0、g90、g45——纵向试样、横向试样和与轧制方向成45°试样厚向异性指数。∆g越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。1.4.4

常用冲压材料及其力学性能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）、Q295（09Mn2）。用以制造有强度要求的重要冲压件。4)电工硅钢板如DT1、DT2。5)不锈钢板如1Crl8Ni9Ti，1Cr13等，用以制造有防腐蚀防锈要求的零件。常用的有色金属有铜及铜合金（如黄铜）等，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L2、L3、LF21、LY12等，有较好塑性，变形抗力小且轻。表1.4.1列出了部分常用金属板料的力学性能。非金属材料有胶木板、橡胶、塑料板等。冲压用材料的形状，最常用的是板料，常见规格如71031420和100032000等。对大量生产可采用专门规格的带料（卷料）。特殊情况可采用块料，它适用于单件小批生产和价值昂贵的有色金属的冲压。板料按厚度公差可分为A、B、C3种；按表面质量可分为I、II、III3种。用于拉深复杂零件的铝镇静钢板，其拉深性能可分为ZF、HF、F3种。一般深拉深低碳薄钢板可分为Z、S、P3种。板料供应状态可为：退火状态M、淬火状态C、硬态Y、半硬（1／2硬）Y2等。板料有冷轧和热轧两种轧制状态。

表1.4.1部分常用冲压材料的力学性能材料名称牌号材料状态抗剪强度t/Mpa抗拉强度sb/MPa伸长率d10/%屈服强度ss/MPa电工用纯铁C<0.025DT1、DT2、DT3已退火18023026—普通碳素钢Q195未退火260～320320～40028～33200Q235310～380380～47021～25240Q275400～500500～62015～19280优质碳素结构钢08F已退火220～310280～3903218008260～360330～4503220010260～340300～4402921020280～400360～5102525045440～560550～7001636065Mn已退火60075012400不锈钢1Cr13已退火320～380400～47021—1Cr18Ni9Ti热处理退软430～550540～70040200铝L2、L3、L5已退火8075～1102550～80冷作硬化100120～1504—铝锰合金LF21已退火70～110110～1451950硬铝LY12已退火105～150150～21512—淬硬后冷作硬化280～320400～60010340纯铜T1、T2、T3软态160200307硬态2403003

黄铜H62软态26030035—半硬态30038020200H68软态24030040100半硬态28035025—

复习思考题11-1

简述变形温度、应力状态对塑性和变形抗力的影响。1-2塑性变形的应力应变关系有什么特点？1-3

板料的拉伸试验所测得的力学性能指标有哪些？这些指标对冲压成形性能有什么影响？1-4什么是伸长类变形？什么是压缩类变形？板料成形中哪些是伸长类变形？哪些是压缩类变形？如何划分？1-5

材料的哪些力学性能对伸长类变形有重大影响？哪些对压缩类变形有重大影响？为什么？1-6．

当s1>s2>s3时，利用全量理论和体积不变定律进行分析：（1）当s1是拉应力时，e1是否是拉应变？（2）当s1是压应力时，e1是否是压应变？

(3)每个主应力方向与所对应的主应变方向是否一定一致？返回章目录第二章冲裁工艺及冲裁模设计2.1冲裁变形分析2.2冲裁模具间隙2.3凸模与凹模刃口尺寸的计算2.4冲裁力和压力中心的计算2.5排样设计2.6冲裁工艺设计2.7冲裁模的结构设计2.8冲裁模主要零部件的结构设计与标准选用2.9精密冲裁工艺与模具简介2.10硬质合金冲裁模

第二章冲裁工艺及冲裁模设计第二章冲裁工艺及冲裁模设计本章学习要求：1.

掌握冲裁模刃口尺寸计算方法和排样设计；2.

掌握冲裁工艺性分析、工艺设计和工艺计算；3.

掌握冲裁模典型结构的特点和模具主要零部件的设计；4.

熟悉冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤；5.

了解冲裁变形规律和冲裁件质量的影响因素；6.

了解冲压模具标准。

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，冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。通常我们说的冲裁是指普通冲裁，它包括落料、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，也可直接制作零件图2.0.1所示的模具是冲压一板状零件的冲裁模。1—下模座；2、15—销钉；3—凹模；4—套；5—导柱；6—导套；7—上模座；8—卸料板9—橡胶；10—凸模固定板；11—垫板；12—卸料螺钉；13—凸模；14—模柄；16、17—螺钉图2.01冲裁模典型结构与模具总体设计尺寸关系图2.1冲裁变形分析

冲裁变形分析对了解冲裁变形机理和变形过程，掌握冲裁时作用于板材上的力态，应用冲裁工艺，正确设计模具，控制冲裁件质量有着重要意义。2.1.1冲裁变形时板料变形区力态分析

图2.1.1是模具对板料进行冲裁时的情形，当凸模下降至与板料接触时，板料就受凸、凹模端面的作用力。由于凸、凹模之间存在间隙，使凸、凹模施加于板料的力产生一个力矩M，其值等于凸、凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂a的乘积。在无压料板压紧装置冲裁时，力矩使材料产生弯曲，故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触宽度约为板厚的02～04。并且，凸、凹模作用于板料垂直压力呈不均匀分布，随着向模具刃口靠近而急剧增大(见图2.1.1)。1-凸模；2-材料；3-凹模图2.1.1冲裁是作用于材料上的力其中：P１、Ｐ２——凸、凹模对板料的垂直作用力；Ｆ１、Ｆ２——凸、凹模对板料的侧压力；μP１、μＰ２——凸模端面与板料间摩擦力，其方向与间隙大小有关，但一般指向模具刃口；μＦ１、μＦ２——凸、凹模侧面与板料间的摩擦力。图2.1.2冲裁时板料的应力状态图

冲裁时，由于板料弯曲的影响，其变形区的应力状态是复杂的，且与变形过程有关。对于无压料板压紧材料的冲裁，其变形区应力状态如图2.1.2所示，其中：

A点(凸模侧面)：凸模下压引起轴向拉应力σ３，板料弯曲与凸模侧压力引起径向压应力σ1，而切向应力σ２为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力。

B点(凸模端面)：凸模下压及板料弯曲引起的三向压缩应力。

C点(断裂区中部)：沿径向为拉应力σ１，垂直于板平面方向为压应力σ3。

D点(凹模端面)：凹模挤压板料产生轴向压应力σ３，板料弯曲引起径向拉应力σ1和切向拉应力σ2。

E点(凹模侧面)：凸模下压引起轴向拉应力σ３，由板料弯曲引起的拉应力与凹模侧压力引起压应力合成产生应力σ1与σ2，该合成应力可能是拉应力，也可能是压应力，与间隙大小有关。一般情况下，该处以拉应力为主。二、冲裁时板料的变形过程

冲裁是分离变形的冲压工序。当凸模、凹模之间的间隙正常时，工件受力后必然从弹性变形开始，进入塑性变形，最后以断裂分离告终，如图2.1.3所示。图2.1.3冲裁变形过程(一)弹性变形阶段

由于凸模加压于板料，使板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸(AB′＞AB)等变形，板料底面相应部分材料略挤入凹模洞口内。此时，凸模下的板料略有拱弯(锅底形)，凹模上的板料略有上翘。间隙越大，拱弯和上翘越严重。在这一阶段中，若板料内部的应力没有超过弹性极限时，当凸模卸载后，板料立即恢复原状。(二)塑性变形阶段

当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服极限时，板料开始产生塑性剪切变形。凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内，形成光亮的剪切断面。同时，因凸、凹模间存在间隙，故伴随着弯曲与拉伸变形(间隙愈大，变形亦愈大)。随着凸模的不断压入，材料的变形程度便不断增加，同时硬化加剧，变形抗力也不断上升，最后在凸模和凹模的刃口附近，达到极限应变与应力值时，材料就产生微小裂纹，这就意味着破坏开始，塑性变形结束。(三)断裂分离阶段

裂纹产生后，此时凸模仍然不断地压入材料，已形成的微裂纹沿最大剪应变速度方向向材料内延伸，向楔形那样发展，若间隙合理，上下裂纹则相遇重合，板料就被拉断分离。由于拉断的结果，断面上形成一个粗糙的区域。当凸模再下行，凸模将冲落部分全部挤入凹模洞口，冲裁过程到此结束。2.1.3冲裁力与凸模行程曲线图2.1.4冲裁力与凸模行程曲线

图2.1.4为冲裁时冲裁力与凸模行程曲线。图中AB段相当于冲裁的弹性变形阶段，凸模接触材料后，载何急剧上升，当凸模刃口一旦挤入材料，即进入塑性变形阶段后，载荷的上升就缓慢下来，如BC段所示。虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减小，但只要材料加工硬化的影响超过受剪面积减小的影响，冲裁力就继续上升，当两者达到相等影响的瞬间，冲裁力达最大值，即图中的C点。此后，受剪面积的减少超过了加工硬化的影响，于是冲裁力下降。凸模继续下压，材料内部的微裂纹迅速扩张，冲裁力急剧下降，如图CD段所示，此为冲裁的断裂阶段。2.1.4冲裁件断面质量及其影响因素(一)断面特征

冲裁件正常的断面特征如图2—6所示。它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。图2.1.5冲裁件的断面特征

１．圆角带-该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被带进模具间隙的结果。

２．光亮带-该区域发生在塑性变形阶段，当刃口切入金属板料后，板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。通常占全断面的1／２～１／３。

３．断裂带-该区域是在断裂阶段形成。是由刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下，不断扩展而形成的撕裂面其断面粗糙，具有金属本色，且带有斜度。

４．毛刺毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静水压应力状态，使微裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。在四个特征区中，光亮带剪切面的质量最佳。各个部分，在整个断面上所占的比例，随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。(二)材料的性能对断面质量的影响

对于塑性较好的材料，冲裁时裂纹出现得较迟，因而材料剪切的深度较大。所以得到的光亮带所占比例大，圆角大，穹弯大，断裂带较窄。而塑性差的材料，当剪切开始不久材料便被拉裂，光亮带所占比例小，圆角小，穹弯小，而大部分是有斜度的粗糙断裂带。(三)模具冲裁间隙大小对断面质量的影响

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，常称间隙用C表示。间隙值的大小，影响上、下裂纹的会合；影响变形应力的性质和大小。

当间隙过小时，如图2.1.6a所示，上、下裂纹互不重合。两裂纹之间的材料，随着冲裁的进行将被第二次剪切在断面上形成第二光亮带，该光亮带中部有残留的断裂带(夹层)。小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小，挤压作用增大，使材料塑性得到充分发挥，裂纹的产生受到抑制而推迟。所以，光亮带宽度增加，圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊病都有所减小，工件质量较好，但断面的质量也有缺陷，像中部的夹层等。

当间隙过大时，如图2.1.6c所示，上、下裂纹仍然不重合。因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大，材料容易产生微裂纹，使塑性变形较早结束。所以，光亮带变窄，剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大，拱弯翘曲现象显著，冲裁件质量下降。并且拉裂产生的斜度增大，断面出现二个斜度，断面质量也是不理想的。

当间隙合适时，如图2.1.6b所示，上、下裂纹能会合成条线。尽管断面有斜度，但零件比较平直，圆角、毛刺斜度均不大。有较好的综合断面质量。当模具间隙不均匀时，冲裁件会出现部分间隙过大，部分间隙过小的断面情况。这对冲裁件断面质量也是有影响的，要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。图2.1.6间隙大小对冲裁件断面质量的影响a)间隙过小；b)间隙合适；c)间隙过大(四)模具刃口状态对断面质量的影响

刃口状态对冲裁过程中的应力状态有较大影响。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。返回章目录

第二章冲裁工艺及冲裁模设计2.2冲裁模具间隙

上述的分析可知，冲裁凸模和凹模间的间隙，对冲裁件断面质量有极其重要的影响。此外，冲裁间隙还影响着模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，冲裁间隙是冲裁工艺与冲裁模设计中的一个非常重要的工艺参数。2.2.1间隙对冲裁件尺寸精度的影响

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。图2.2.1间隙对冲裁件精度的影响a)黄铜t＝4mm；b)15钢t=3.5mmc)45钢t＝２mm；τ＝2c

冲裁件相对于凸、凹模尺寸的偏差，主要是制件从凹模推出(落料件)或从凸模上卸下(冲孔件)时，因材料所受的挤压变形、纤维伸长、穹弯等产生弹性恢复而造成的。偏差值可能是正的，也可能是负的。影响这个偏差值的因素有：凸、凹模间隙，材料性质，工件形状与尺寸。其中主要因素是凸、凹模间隙值。当凸凹模间隙较大时，材料所受拉伸作用增大，冲裁结束后，因材料的弹性恢复使冲裁件尺寸向实体方向收缩，落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔孔径大于凸模直径(图2.2.1)。图中曲线与δ＝０的横轴交点表明制件

尺寸与模具尺寸完全一样。当间隙较小时，由于材料受凸、凹模挤压力大，故冲裁完后，材料的弹性恢复使落料件尺寸增大，冲孔孔径变小。尺寸变化量的大小与材料性质、厚度、轧制方向等因素有关。材料性质直接决定了材料在冲裁过程中的弹性变形量。软钢的弹性变形量较小，冲裁后的弹性恢复也就小；硬钢的弹性恢复量较大。上述因素的影响是在一定的模具制造精度这个前提下讨论的。若模具刃口制造精度低，则冲裁件的制造精度也就无法保证。所以，凸、凹模刃口的制造公差一定要按工件的尺寸要求来决定。此外，模具的结构形式及定位方式对孔的定位尺寸精度也有较大的影响，这将在模具结构中阐述。冲模制造精度与冲裁件精度之间的关系见表2.2.1。表2.2.1模具精度与冲裁件精度的关系2.2.2间隙对模具寿命的影响

模具寿命受各种因素的综合影响，间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的因素之一。冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间，凹模与落料件之间均有摩擦，而且间隙越小，模具作用的压应力越大，摩擦也越严重。所以过小的间隙对模具寿命极为不利。而较大的间隙可使凸模侧面及材料间的摩擦减小，并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制，出现间隙不均匀的不利影响，从而提高模具寿命。2.2.3间隙对冲裁工艺力的影响

随着间隙的增大，材料所受的拉应力增大，材料容易断裂分离，因此冲裁力减小。通常冲裁力的降低并不显著，当单边间隙在材料厚度的5～２０％左右时，冲裁力的降低不超过5～１０％。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。间隙增大后，从凸模上卸料和从凹模里推出零件都省力，当单边间隙达到材料厚度的15～25%左右时卸料力几乎为零。但间隙继续增大，因为毛刺增大，又将引起卸料力、顶件力迅速增大。2.2.4间隙值的确定

由以上分析可见，凸、凹模间隙对冲裁件质量、冲裁工艺力、模具寿命都有很大的影响。因此，设计模具时一定要选择一个合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求、所需冲裁力小、模具寿命高。但分别从质量、冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值，只是彼此接近。考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就可冲出良好的制件，这个范围的最小值称为最小合理间隙cmin，最大值称为最大合理间隙cmax。考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大，故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值cmin。确定合理间隙的方法有理论确定法与经验确定法。(一)理论确定法

理论确定法的主要依据是保证上下裂纹会合，以便获得良好的断面。图2.2.2所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。图2.2.2冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态

根据图中三角形ABC的关系可求得间隙值c为：c=(t-h0)tanβ=t(1-h0/t)tanβ

式中，h０——凸模切入深度；β——最大剪应力方向与垂线方向的夹角。从上式看出，间隙c与材料厚度t、相对切入深度h0／t以及裂纹方向β有关。而h０与β又与材料性质有关，材料愈硬，h0／t愈小。因此影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。材料愈硬愈厚，所需合理间隙值越大。表2.2.2为常用冲压材料的h０／t与β的近似值。由于理论计算方法在生产中使用不方便，故目前间隙值的确定广泛使用的是经验公式与图表。(二)经验确定法

根据近年来的研究与使用经验，在确定间隙值时要按要求分类选用。对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件应选用较小间隙值，对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件，应以降低冲裁力、提高模具寿命为主，可采用较大间隙值。其值可按下列经验公式和实用间隙表选用：软材料：t＜1mm,c=〔3%~4%〕tt=1~3mm,c=(5%~8%)tt=3~5mm,c=(8%~10%)t硬材料：t＜1mm,c=(4%~5%)tt=1~3mm,c=(6%~8%)t=3~8mm,c=(8%~13%)

表2.2.3和表2.2.4是汽车拖拉机行业和电子、仪器仪表行业推荐的间隙值。表2.2.3冲裁模初始用间隙2c(mm)(汽车拖拉机行业)返回章目录第二章冲裁工艺及冲裁模设计

2.3凸模与凹模刃口尺寸的计算2.3.1刃口尺寸计算的基本原则

冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度，模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。正确确定模具刃口尺寸及其制造公差，是设计冲裁模主要任务之一。从生产实践中可以发现：

1．由于凸、凹模之间存在间隙，使落下的料或冲出的孔都带有锥度，且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。

2．在测量与使用中，落料件是以大端尺寸为基准，冲孔孔径是以小端尺寸为基准。

3．冲裁时，凸、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦，凸模愈磨愈小，凹模愈磨愈大，结果使间隙愈用愈

由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需考虑下述原则：

1．落料件尺寸由凹模尺寸决定，冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。故设计落料模时，以凹模为基准，间隙取在凸模上；设计冲孔模时，以凸模为基准，间隙取在凹模上。

2．考虑到冲裁中凸、凹模的磨损，设计落料模时，凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸；设计冲孔模时，凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。这样，在凸、凹模磨损到一定程度的情况下，仍能冲出合格制件。凸、凹模间隙则取最小合理间隙值。

3．确定冲模刃口制造公差时，应考虑制件的公差要求。如果对刃口精度要求过高(即制造公差过小)，会使模具制造困难，增加成本，延长生产周期；如果对刃口精度要求过低(即制造公差过大)，则生产出来的制件可能不合格，会使模具的寿命降低。制件精度与模具制造精度的关系见表2—1。若制件没有标注公差，则对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”IT14级处理，冲模则可按IT11级制造；对于圆形件，一般可按IT7～６级制造模具。冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注为单向公差，落料件上偏差为零，下偏差为负；冲孔件上偏差为正，下偏差为零。

2.3.2刃口尺寸的计算方法

由于模具加工方法不同，凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同，刃口尺寸的计算方法可分为二种情况。(一)凸模与凹模分开加工

采用这种方法，是指凸模和凹模分别按图纸加工至尺寸。要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差(凸模δp、凹模δd)，它适用于圆形或简单形状的制件。为了保证初始间隙值小于最大合理间隙2cmax，必须满足下列条件：｜δp｜＋｜δd｜≤２cmax－2cmin或取δp＝0.4(2cmax－2cmin)δd＝0.6(2cmax－2cmin)

也就是说，新制造的模具应该是｜δp｜＋｜δd｜＋２cmin≤2cmax。否则制造的模具间隙已超过允许变动范围2cmin～2cmax。

下面对落料和冲孔两种情况分别进行讨论。图2.3.1凸、凹模刃口尺寸的确定a)落料b)冲孔

1．落料：

设工件的尺寸为D