第一章冷冲压的基本知识

第1章

冷冲压的基本知识1.1冷冲压基本工序的分类

冷冲压基本工序按材料的变形性质分为:

分离工序和变形工序分离工序

指板料受力后其变形部分的应力达到剪切强度极限τ的数值，致使材料按一定的轮廓线断裂而分离，如剪裁、落料、冲孔、修边等工序。变形工序

指板料受力后其变形部分的应力超过屈服极限σs的数值（但未达到强度极限δb）而发生塑性变形，从而改变材料原有的形状和尺寸，转变成产品所要求的形状和尺寸，如弯曲、拉深、翻边、胀形等工序。常用冲压工序的分类及特征见表1.1:

1.2金属塑性变形基本概念

1．金属的塑性变形过程

金属的晶格在外力作用下，首先造成晶体的弹性变形。

随着外力的增加，晶格中的原子发生较大的移动，移动以后的晶格原子，就在新的位置上与其附近的原子组成新的平衡体系。1.2.1金属的塑性变形与力学特征

当外力卸去以后，原子间的距离可以恢复原状，可移动的晶格不能回到原位置，于是产生了塑性变形。假如作用于物体的外力卸去后，物体并不恢复自己的原始形状和尺寸，这样的变形称为塑性变形（永久变形）。图1.1低碳钢拉伸图或条件应力-应变曲线

由图1.1可知:

①如果作用力小于PE时，外力去掉以后，拉力和伸长的关系可沿Ob可逆地返回，Ob为直线，为弹性变形阶段。②当作用力加到稍大于PE时，在曲线上出现屈服平台。cd为屈服变形阶段，大多数金属没有明显的屈服平台。③当作用力超过Ps时，试样伸长量与作用力又将呈曲线关系上升。这说明加载时的全伸长量包括弹性伸长和塑性伸长两部分，金属在塑性变形时一定会有弹性变形的存在，这就是塑性变形与弹性变形共存定律。

图中dB曲线为均匀塑性变形阶段，PB是产生最大塑性变形时的作用力。

④当作用力达到PB时，试样将产生“缩颈”现象，此时，变形仅限制在“缩颈”的局部地区进行，故BK曲线为不均匀塑性变形阶段。

2．条件应力应变与真实应力应变曲线

图1.1的P-ΔL曲线仅反映变形过程，实际上伸长量与材料和试样的尺寸都有关，为消除试件尺寸的影响，需采用应力-应变图。如果比例适当，条件应力-应变曲线与原来的拉伸曲线完全一致。应力-应变图σ-ε真实的应力s是瞬时的负荷除以瞬时的截面积；真实的应变e是瞬时的伸长量除以试样的瞬时长度。按照真实应力S与真实应变e作出的拉伸曲线称为真实应力应变曲线，如图1.1中虚线，实线为相应条件应力应变曲线。在屈服变形后，差别逐渐显著。真实强度极限σb比名义强度极限σk大得多。这说明材料抵抗塑性变形的能力随应变的增加而增加，即不断产生硬化，所以，真实应力-应变曲线也称硬化曲线。3．塑性变形的应力与应变状态点的应力状态是指该点所作用的应力大小与方向物体的应力状态是指原子被迫离开其稳定平衡的位置且仍趋向于恢复平衡位置的状态，不能将二者混淆。图1.2点的应力状态与应力标号可以证明:我们称单元体上剪应力为零的平面为主平面，与主平面垂直的各条轴线称为主轴，作用在主平面上的应力称为主应力（一般以σ1、σ2、σ3表示）习惯上取σ1＞σ2＞σ3。，图1.3九种主应力图可能的主应力状态图如图1.3所示的九种。（1）体积不变件4．塑性变形的体积不变条件和塑性条件金属在塑性变形过程中，由于组织结构的变化，一般只引起体积的略微改变，因而其密度也略有增减。但经实验证明，在实用准确度的范围内，可以变形体的体积不变。

根据体积不变条件，变形体中三个主应变之间必然存在一定的关系，即其中一个主应变的符号必然与其他两个主应变的符号相反，且其绝对值最大。因此，利用这个关系可以分析冲压工艺中的变形规律。（2）塑性条件金属的塑性

指金属材料在外力作用下得到不可逆永久变形而不破坏其完整性（不破坏质点间的联系）的能力。

材料进入并保持塑性状态的条件称为塑性条件（也称屈服准则）

金属试样在单向拉伸时，在拉应力达到屈服极（σ=σs）时，由弹性变形过渡到塑性变形。塑性条件的实际含义

在一定的变形条件下，只有当变形体内的最大与最小主应力的差值达到一定数值时，才有可能产生塑性变形，这个数值的大小决定于变形材料的种类。5．塑性指标和变形抗力为了衡量金属塑性的高低，需要一种数量上的指标即塑性指标。在均匀塑性变形阶段，试样均匀的伸长，断面面积均匀的缩小，对应于拉伸试验的指标，用延伸率和断面收缩率来评定式中，L0、F0——试件原长和截面积；L、F——试件均匀伸长后的长度和截面积。应当注意:只有在微量塑性变形的情况下，真实塑性指标与延伸率δu和断面收缩率才近似相等。

在实际运用中，人们采用简单、易测的方法，并加以相应规定，这样得到的塑性指标称为条件或规定塑性指标，用符号ψ和δ表示，其数值如下式：

δ=（Lk-L0）×100%/L0 ψ=（F0-Fk）×100%/F0

式中

Lk、Fk分别为试件拉断后标距的长度和断口处最小的截面积。塑性加工时，在一定的加载条件下和变形温度、速度条件下引起塑性变形的单位变形力，称为变形抗力。通常把真实应力、屈服极限、强度极限作为变形抗力指标。塑性和变形抗力是两个不同的概念，前者反映材料塑性变形的能力，后者反映塑性变形的难易程度。6．冷变形时的加工硬化在冷塑性变形过程中，表现出的金属强度指标（硬度HB和强度极限）的增加，塑性指标（延伸率和断面收缩率）的降低，以及继续变形抗力增加的现象，称为加工硬化。金属材料的拉伸硬化曲线见图1.1低碳钢拉伸图中的虚线。1.2.2影响金属塑性和变形抗力的主要因素影响塑性和变形抗力的因素有两个方面：一是金属本身，有晶格类型、化学成分和金相组织；二是外部条件，有加工温度、变形速度和应力状态。从冲压工艺的角度，往往着重于外部变形条件的研究。1．金属化学成分和组织结构的影响金属化学成分和组织结构对金属的塑性及变形抗力影响很大。金属的组织决定于合金的化学成分，主要元素的晶格类别和杂质类别、数量及分布情况。

多晶体金属本身的塑性受下列因素的影响：晶界强度、晶粒大小、化学成分及组织上的均匀性及可能发生滑移的晶面数量。当组成元素越少，塑性越高；可能滑移的晶面数越多，机械性能越一致，晶界强度越大，则塑性越高。碳钢中碳的含量增多、杂质的存在、合金元素的加入，一般表现为塑性降低、变形抗力增加；单相组织塑性好，变形抗力低；晶粒细化有利于提高塑性，同时也提高了抗力；变形速度对金属的塑性及变形抗力有很大影响。一般情况下，随着加工温度的升高，其塑性增加、变形抗力降低，柔软性增加。2．加工温度、变形速度的影响3．应力状态的影响反之，拉应力个数越多，数值越大，则金属的塑性越低。其原因在于压应力有利于消除塑性变形所引起的各种破坏。

应力状态对金属的塑性及变形抗力也有很大影响。图1.3的九种主应力图是按对塑性发挥的有利程度排列的，号码越大，塑性越差。

为外力所产生的主应力，、为模壁反作用产生的主应力，并设σ2=σ3。在异号主应力情况下，式左边系绝对值之和，容易满足屈服准则，即表现出来的变形抗力小。在同号主应力情况下，式左边系之差，不容易满足屈服准则，即表现出来的变形抗力大。塑性和变形抗力是金属压力加工中的一对主要矛盾。为了减小变形抗力，宜采用有异号主应力图的变形方式，但对提高塑性不利；为了提高金属的塑性，宜采用具有三向压应力状态（同号）的主应力图的变形方式，但又会使变形抗力增加。1.2.3冲压成形方法的分类冲压形成时毛坯内各处的应力-应变状态都不相同，在应力状态满足屈服准则的区域内产生塑性变形，称为塑性变形区，简称变形区。

1．冲压成形时毛坯各区的划分

应力状态没有满足屈服准则的区域，不会产生塑性变形，称为不变形区。当不变形区受力的作用时叫传力区，如图1.4所示。冲压变形生坯各区的划分如表1.2所示。

表1.2冲压变形毛坯各区的划分

图1.4冲压变形毛坯各区的划分2．冲压成形方法的分类可将平面应力状态的四种受力状况概括为两大类变形：伸长类变形和压缩类变形。当作用在板料变形区的拉应力的绝对值最大时，板料的成形主要是靠材料的伸长变形和厚度的减薄来实现，这类变形称伸长类变形。同理，压应力绝对值最大时，板料的成形主要是靠材料的压缩变形和厚度的增加来实现，这类变形称压缩类变形。两类变形的特点如表1.3所示。表1.3两类变形的特点所谓变形趋向性，就是冲压成形时毛坯某个部位产生某种方式变形的可能性。1.2.4冲压成形中的变形趋向及控制为了保证冲压过程的顺利进行，必须保证在该道冲压工序中应该变形的部分—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。根据上述道理，可以得出一个十分重要的结论：在冲压过程中，需要最小变形力的区域是个相对的弱区，而且弱区必先变形，因此变形区必为弱区。

因此在选定冲压工艺方案，确定工序和工序尺寸时，必须遵循“弱区必先变形，变形区应为弱区”的规律。

用来控制毛坯变形趋向性的措施一般有以下几个方面:①变形毛坯各部分的相对尺寸关系，是决定变形趋向性最重要的因素如图1.5所示，采用外径为D0、内孔为d0的环形毛坯，改变D0/dp、d0/dp的大小，在同一个模具中进行冲压成形当D0/dp、d0/dp都较小时，宽度D0－dp的环形部分是弱区，冲压时产生外径收缩的拉深变形，得到图1.5（b）所示的拉深件；当D0/dp、d0/dp都较大时，宽度dp－d0的环形部分是弱区，冲压时产生内孔扩大的翻边变形，如图1.5（c）所示；当D0/dp很大、d0/dp很小（或不带内孔毛坯）时，宽度dp－d0的环形部分仍然是弱区，冲压时得到的是变形很小的胀形件，如图1.5（d）所示。图1.5环形毛坯的变形趋向②改变模具工作部分的几何形状和尺寸，以及改变毛坯与模具接触表面之间的摩擦阻力。

在塑性成形中，当变形体的质点有可能沿不同方向流动时，质点将沿着阻力最小的方向流动，此为最小阻尼定律。

所以，设计的基本原则是：

在金属需要流动的地方减小阻力，在不需要流动的地方增大阻力。③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。1.3冷冲压用材料1.3.1板料的冲压性能

板料的冲压性能就是指板料对各种冲压加工方法的适应能力，包括便于加工、容易得到高精度和高质量的冲压件、生产率高（极限变形程度大）、模具消耗低、不容易冲出废品。这些机械性能数据可以分为以下两类：①强度指数即屈服极限（σs）、强度极限（σb）、屈强比（σs/σb）、硬度、弹性模数（E）。

σs和σb数值越大，材料的变形抗力越大；σs/σb越大，表示材料许可加工的区间越大，成形过程中材料断裂的危险越小；

硬度表示材料抵抗弹性变形、塑性变形和抵抗破坏的能力，一般用布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）来表示；

E/σs越大，则E大而σs小，板料成形过程中的弹性恢复量越小，抗压失稳的能力越强。②塑性指数即试件总的延伸率（δ）、总的断面收缩率（ψ）等。1.3.2冷冲压工件所用材料及要求（1）要求有好的冲压工艺性

即要求工件材料有较高的延伸率（δ）和断面收缩率（ψ），较低的屈服极限（σs）和强度极限（σb）。1．对冷冲压工件所用材料的要求（2）要求有好的表面质量

表面质量好的材料，冲压时工件不易破裂，制件的表面质量好，废品减少；而且模具不易擦伤，寿命提高。

我国把优质碳素结构钢板的表面质量分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级，Ⅰ级表面质量最好。（3）材料厚度的公差符合国家标准的规定

因为一定的模具间隙适应于一定厚度的材料，材料厚度太大，会导致废品率增加甚至损坏设备2．冷冲压工件所用材料的种类和规格冷冲压工艺能够加工的材料范围很广，其中最常用的是金属板料。金属板料分为黑色金属和有色金属。常用冲压材料有：（

1）黑色金属（钢铁材料）普通碳素钢：普通碳素结构钢用Q表示，数字表示材料的σs值。如Q195、Q215等。优质碳素钢：优质碳素钢用两位阿拉伯数字表示。用于复杂变形的弯曲件和拉深件。常用的有08、08F、10、20、35、45、50、10Mn2等牌号的材料。F表示沸腾钢，镇静钢不标注一般用于拉深的钢板按表面质量分为三组：Ⅰ—高质量表面；Ⅱ—较高质量表面；Ⅲ—普通质量表面。每类按拉深级别又分为三组：Z—最深拉深；S—深拉深；P—普通拉深。冷轧钢板的规格尺寸见表1.4；冷轧钢板的厚度允许偏差见表1.5。（2）有色金属板料除钢铁之外的铝、镁、铜、铅等金属及其合金统称为有色金属黄铜板（带）：铜锌合金称黄铜，它有很好的塑性和较高的强度及抗腐蚀性，焊接性能优良。常用的有H68和H62，前者用于拉深，后者用于冲裁、拉深、弯曲。铝板（带）：该类材料比重小，导电、导热性和塑性好常用有L2、L3、L5等。（3）非金属材料非金属材料也是一种常用的冲压材料，一般有纸板、胶木板、橡皮、塑料板、纤维板等。冲压部分材料及性能见附表1、附表2。1.3.3冷冲压模具所用材料及要求对各类模具材料提出的使用性能要求主要包括：硬度、强度、塑性、韧性等。凸模和凹模要求其材料有好的耐磨性和耐冲击性，在工艺方面则要求有好的热处理性和切削性；1.4冷冲压设备

冲压常用的设备有：

曲柄压力机、双动拉深压力机、摩擦压力机、液压机等。下面介绍曲柄压力机和液压机。冷冲模所用材料主要有碳素工具钢如：T10A、T8；铸铁；合金钢，如Cr12MoV；聚氨脂橡胶等。1.4.1常用压力机曲柄压力机是主要的冲压设备，一般由下面几个部分组成：①工作机构，一般为曲柄连杆机构，由曲柄、连杆、滑块等主要零件组成。②传动系统，包括电机、皮带传动、齿轮传动等机构。1．曲柄压力机③操纵系统，如离合器、制动器。④支承部件，如床身、工作台等。⑤辅助系统，为了提高生产率，扩大工艺范围以及确保机器设备的安全，如润滑系统、保护装置、气垫、机械手等。曲柄压力机包括各种结构的偏心冲床和曲轴冲床，它们的基本工作机构都是曲柄连杆机构。

图1.6为闭式偏心冲床机构简图。电机带动传动系统，通过偏心和连杆，带动滑块上、下移动，通过模具完成冲压工作。在该闭式曲柄压力机中，是采用偏心和心轴代替曲轴，将旋转运动变为滑块的直线往复运动。图1.6闭式偏心冲床偏心冲床的行程可以调节，调整机构如图1.7所示。偏心轴上有一个偏心套，使结合套的嵌牙与偏心套的嵌牙脱开，转动偏心套可以改变偏心套轴线与主轴轴线的距离，这样，偏心轴销的圆周运动便通过偏心套而改变连杆上、下运动的距离，从而使滑块行程在一定范围内进行调整。图1.7偏心冲床行程调节原理图O.主轴轴心A.偏心轴销轴心M.偏心套中心分析行程调节原理图，行程值分别为最小行程 smin=2OM=2（OA－AM）最大行程 smax=2OM=2（OA＋AM）图1.8为开式曲轴冲床机构简图，电动机作为原动件，通过传动机构，把曲轴的旋转运动变为滑块的直线往复运动。图1.8开式曲轴冲床曲轴冲床的结构和工作原理与偏心冲床的主要区别是：偏心冲床的主轴为偏心轴，曲轴冲床的主轴为曲轴。曲轴冲床的行程等于曲轴偏心距的两倍，行程大但不能调节。为适应安装不同闭合高度的模具，一般曲柄压力机上的连杆是可以调节的。双柱可倾式机身从机身背部出料比较方便，有利于实现冲压过程的机械化与自动化；单柱固定台式机身承载能力比较大，一般用于冲压吨位较大的场所。闭式机身比开式机身承载力大，刚度好，所以应用广泛。但开式压力机操作方便，容易安装附件。2．液压机YQ32系列液压机YS系列手动液压机液压机的工作原理是静压原理（帕斯卡原理），是一种利用液体的压力来传递能量的机器，如图1.9所示。图1.9液压机基本工作原理当在小柱塞上施加一个外力F2，则压力ρ=F2/A2将传递到各个部位，从而使大柱塞上产生F1=ρA1=F2A1/A2的推动力。因为A2＜A1，所以在小柱塞上施加一个比较小的力F2，就能在大柱塞上获得放大了的力F1。液压机无固定行程，有很长的施力行程，不会因板厚而超载，但速度小，生产效率低。和机械压力机相比，液压机有如下特点：①易于实现大的工作压力和比较长的工作行程。行程灵活，便于加工大型、加长和较高的工件。②液压机在任何位置都可以产生额定的最大压力，并伴随整个行程。③滑块的总行程可以在一定范围内任意改变，速度可以在一定范围内任意调节。④液压元件已经标准化、通用化、系列化。⑤液压机工作平稳、噪声小、撞击、震动小。

1.4.2压力机的选用压力机的选用包括选择压力机类型和确定压力机的主要技术参数两项内容.⑥液压机操作方便，便于实现自动加工。1．压力机的型号

曲柄压力机属于锻压机械，其型号编号按JB/GQ2003-1984标准规定。型号采用汉语拼音、英文字母和数字表示。例如：JC23-63A，其含义如下。（1）曲柄压力机的型号（2）液压机型号

液压机型号也是采用汉语拼音、英文字母和数字表示。例如：Y32A-315A。2．压力机的主要技术参数（1）公称压力曲柄压力机滑块的压力在全行程不是一个常数，它随着曲柄转角的变化不断变化。公称压力指压力机在下死点前某一位置时（曲柄距下死点约20°～30°处）滑块的压力（见图1.10），是滑块允许承受的最大作用力。公称压力是压力机的一个主要参数。图1.10曲柄滑块机构在我国，压力机的公称压力已经系列化，如160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1600、2500、3150、4000、6300（kN）等。（2）滑块行程

滑块行程是指滑块从上死点到下死点所经过的距离，等于曲柄偏心量的两倍，反映压力机的工作范围。

（3）行程次数

行程次数是指滑块每分钟从上死点到下死点，然后再回到上死点所往复的次数。行程次数越高，生产效率越高。（4）闭合高度

闭合高度是指滑块在下死点时，滑块底面至压力机工作台面的距离。

（1）公称压力

液压机名义上能产生的最大总压力，一般用来表示液压机的规格。（2）最大净空距H

当活动横梁停止在上限位置时，从工作台面上表面到活动横梁下表面的距离。

液压机的主要技术参数如下:

（3）最大行程

活动横梁能够移动的最大距离s。（4）回程力

液压机在回程时需要克服的阻力和运动部件的重力最大回程力约为公称压力的20%～50%。

3．确定压力机规格时应遵循的原则

为保证设备的合理使用，一般在选择冲床时应遵循以下原则：①压力机的公称压力应等于或稍大于冲压工序所需的压力。②压力机滑块的行程应该满足工件在高度上的尺寸要求和零件的取出。对拉深工艺，滑块行程必须大于拉深件高度的2～2.5倍。③压力机的闭合高度、工作台面尺寸和滑块尺寸、模柄尺寸等应该满足模具正常安装的要求如图1.11所示，装模高度指滑块在下死点时，滑块下表面到工作台垫板上表面的距离当滑块调节到最高位置时，为最大装模高度Hmax；当滑块调节到最低位置时，称为最小装模高度Hmin。压力机闭合高度指滑块在下死点时，滑块下表面到工作台上表面的距离，它和装模高度之差为垫板厚度T。M是装模高度调节量。喉深R直接限制了加工件的尺寸，也与压力机本身刚度有关。图1.11冲模闭合高度与压力机的关系

冲模的闭合高度Hm指冲模的上模在最低位置时，下模座底面至上模座顶面的距离。冲模闭合高度和压力机装模高度应该满足下式：

Hmax-5mm≥Hm≥Hmin+10mm④滑块每分钟的冲压次数和生产率以及材料变形速度相协调。

1.5冲模的组成和分类1.5.1冲模的组成1．组成冲模是冲压生产中不可缺少的特殊工艺装备。

一副模具，一般都是由固定和活动两部分组成。

如图1.12，冲模一般由下面几个部分组成

固定部分是用压铁、螺栓等紧固件固定在冲床的工作台上，称为下模；

活动部分紧固在冲床的滑块上，称为上模。

（1）工作零件工作零件的作用是使被加工材料变形、分离，从而加工成工件，如凸模、凹模、凸凹模等。（2）定位零件

定位零件的作用是控制条料的送进方向和送料进距，确保条料在冲模中的正确位置。定位零件如挡料销、导正销、导尺、定位销、定位板、侧压板和侧刃等。

（3）压料、卸料与顶料零件

压料、卸料与顶料零件包括冲裁模的卸料板、顶出器、拉深模中的压边圈等。这类零件的作用是保证工件或废料从模具中排出，以使下次冲压顺利进行。拉深模中的压边圈主要作用是防止板料毛坯发生失稳起皱。图1.12冲模结构图（4）导向零件

导向零件的作用是保证上模对下模相对运动的精确导向，使凸模与凹模之间保持均匀的间隙，如导柱、导套、导板等。（5）基础零件和联接零件

基础零件包括上模板、下模板、模柄、凸模和凹模的固定板、垫板、弹性元件等；

联接零件指螺栓、销钉等。

注意：并非所有的冲模都必须具备上述五类零件，根据需要，在试制或小批量生产时，为缩短试制周期和降低成本，可把冲模简化成只有工作零件、卸料零件和固定、紧固零件的简单模具；为了把各个零件的结构和相互间的装配关系表达清楚，主视图通常采用剖视的形式。在不影响剖视图表达剖面线通过部分结构的情况下，可将剖切面以外部分旋转到剖面上画出，如螺钉、销、推杆等。2．冲模装配图的绘制从主视图可以比较清楚地反映出模具各零件的结构和它们之间的装配关系。俯视图是假设将上模板去掉以后的投影图；仰视图是假设将下模板去掉以后的投影图。通过俯、仰视图反映冲模零件的平面布置、送料和定位方式及凹模的分布位置。对于对称模具，上模和下模的视图可各画一半表示。在必要时，还要画出侧视图或局部剖视图。另外，在模具总图的右上角要给出冲模上所冲压的工件图和排样图。实际应用中有不少厂家为了提高模具设计效率，采用快速设计法，即在设计人员和工人都十