《冲压工艺与模具设计》参考资料(思考与练习题及参考答案)

- 1 - 冲压工艺与模具设计参考资料 （思考与练习题及参考答案） 思考与练习 1 1 什么是冲压加工？冲压加工常用的设备和工艺装备是什么？ 答：冲压加工是在室温下利用安装在压力机上的模具对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的零件的压力加工方法。 常用的设备一般有机械压力机、液压机、剪切机和弯曲校正机。 冲压模具是冲压加工所用的工艺装备。 2冲压工艺有何特点？列举几件你所知道的冲压制件，说明用什么冲压工序获得的？ 答： 冲压工艺与其它加工方法相比，有以下特点： 用冷冲压加工方法 可以得到形状复杂、用其它加工方法难以加工的工件，如薄板薄壳零件等。冲压件的尺寸精度是由模具保证的，因此，尺寸稳定，互换性好。 材料利用率高、工件重量轻、刚性好、强度高、冲压过程耗能少。因此，工件的成本较低。 操作简单、劳动强度低、生产率高、易于实现机械化和自动化。 冲压加工中所用的模具结构一般比较复杂，生产周期较长、成本较高。 冲压 加工 是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其它加工方法无法替代的加工工艺。 汽车覆盖件、饭盒、不锈钢茶杯等是通过落料拉深工序完成； 垫圈是通过落料冲孔工序完成； 电 脑主机箱外壳是通过落料冲孔、翻边成形等弯曲工序完成。 3简单叙述曲柄压力机的结构组成及工作原理。 结构组成：工作机构（曲柄滑块机构）、传动系统（带传动和齿轮传动等机构）、操纵系统（离合器、制动器及其控制装置）、能源系统（电动机和飞轮）、支承部件（床身）。 尽管曲柄压力机有各种类型，但其工作原理和基本组成是相同的。 如 图 1示的开式双柱可倾压力机的工作原理见图 1示，其工作原理如下：电动机 5 的能量和运动通过带传动传给中间传动轴，再由齿轮传动传给曲轴 9，连杆 10 上端套在曲轴上，下端与滑块 11 铰接，因此， 曲轴的旋转运动通过连杆转变为滑块的往复直线运动。将上模装在滑块上，下模装在工作台垫板 1 上，压力机便能对置于上、下模间的材料进行冲压，将其制成工件。 4简单叙述如何选择冲压设备。 答：冲压设备的选择直接关系到设备的安全以及生产效率、产品质量、模具寿命和生产成本等一系列重要问题。冲压设备的选择主要包括设备的类型和规格参数两个方面的选择。 思考与练习参考答案 - 2 - 冲压设备类型的选择 主要根据所要完成冲压工序的性质、生产批量大小、冲压件的几何尺寸和精度要求等来选择冲压设备的类型。 冲压设备规格的选择 在选定冲压设备的类 型以后，应进一步根据冲压加工中所需要的冲压力（包括卸料力、压料力等）、变形工序以及模具的结构型式和闭合高度、外形轮廓尺寸等选择冲压设备的规格。 思考与练习 2 1板料冲裁时，其断面有何特征？影响冲裁件断面质量的因素有哪些？ 答：过程所得的冲裁件的断面并不是光滑平直的。观察实际冲裁件的剪切断面可以发现，在整个断面上形成了四个特征区： 圆角带，光亮带，断裂带，毛刺。 影响冲裁件断面质量的因素有： 材料性能的影响 材料塑性好，冲裁时裂纹出现得较迟，材料被剪切的深度较大，所得断面光亮带所占的比例就大， 圆角也大。 模具间隙的影响 冲裁时，断裂面上下裂纹是否重合，与凸、凹模间隙值的大小有关。当凸、凹间隙合适时，凸、凹模刃口附近沿最大切应力方向产生的裂纹在冲裁过程中能会合，制件的断面质量较好。当间隙过大或过小时，都会使上、下裂纹不能重合，影响断面质量。 模具刃口状态的影响 模具刃口状态对冲裁过程中的应力状态及制件的断面质量有较大影响。当刃口磨损成圆角时，挤压作用增大，所以制件塌角带和光亮带增大。同时，使 冲裁断面上产生明显的毛刺。当凸、凹刃口磨钝后，即使间隙合理也会在制件上产生毛刺。 2试分析冲裁 间隙对冲裁件断面质量、冲裁件尺寸精度、冲裁力及模具寿命的影响。 答：冲裁间隙对冲裁件断面质量有决定性影响。如间隙过大，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹将向里移动一个距离。剪切断面圆角加大，光亮带的高度缩短，断裂带的高度增加，锥度也加大并有明显的拉长毛刺，冲裁件可能产生穹弯现象。如间隙过小，凸模产生的裂纹将向外移动一个距离。上、下裂纹不重合，产生第二次剪切，从而在剪切面上形成了略带倒锥的第二个光亮带。在第二个光亮带下面存在着潜伏的裂纹。由于间隙过小，板料与模具的挤压作用加大，最后被分离时，冲裁件上有较尖锐的 挤出毛刺。 冲裁间隙对于冲裁件精度也有很大的影响。当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离，冲裁后的回弹较小，冲裁件相对于凸模和凹模尺寸的偏差也较小。 冲裁间隙过大，则冲裁力就会减小，模具的磨损减小，延长模具的使用寿命；冲裁间隙过小，则冲裁力就会加大，缩短模具的使用寿命。 3确定冲裁工艺方案的依据是什么？冲裁工艺的工序组合方式根据什么来确定？ 答：确定冲压件的工艺方案就是确定冲压件的工艺路线，需要考虑冲压工序的性质、冲压工艺与模具设计 - 3 - 数量、顺序、组合方式以及其他辅助工序的安排。冲压工艺方案如何确定 ，首先应在工艺分析的基础上，根据冲裁件的生产批量、尺寸精度的高低、形状复杂程度、材料的厚薄、冲模制造条件与冲压设备条件等多方面的因素，拟订出多种可能的不同工艺方案，然后对各种工艺方案进行分析与研究，比较其综合的经济技术效果，从中选择一个合理的冲压工艺方案。概括起来，确定工艺方案的主要原则是保证冲裁件质量，经济性和安全性。 冲裁工艺的工序组合方式 应 根据工件的形状、尺寸、精度等要求对各工序进行必要的分析和计算，然后比较，确定最佳的工序数量和顺序，且保证后一道工序不影响前道工序的加工精度。 4. 题图 2示底 板零件已决定用复合模进行冲裁，试确定其排样方法和搭边值，并计算条料宽度和材料利用率。 材料： 08F 料厚： 2图 2底板 解：排样方法：有废料的直排； 搭边值：查表可知，工件间 a 为 面 条料宽度： ； 材料利用率： （计算略） 5冲裁如图所示零件，求其压力中心。 思考与练习参考答案 - 4 - 材料： 10 料厚： ：（计算略） （距长直边的距离 ） （距下底边的距离） 6为了保证合理间隙，冲裁凸、凹模刃口尺寸的计算有哪两种常用方法？各适用于什么情况？ 答：模具有两种制造方法。一种是凸模与凹模分别加工，成批制造，可以互换。另一种是凸模与凹模配合加工，先加工基准件，然后非基准件按基准件配作，加工后的凸模与凹模不能互换。 分别加工方法主要用于冲裁件形状简单，加工容易；凸、凹模合理间隙变动范围较大； 有高精度的模具加工设备。 配合加工常用于形状复杂或板料较薄的冲裁件。 7如题图 2示垫片零件，材料为 厚为 判定可否分别加工？并确定冲裁凸、凹模的刃口尺寸和计算冲裁力。 材料： 料厚： 图 2垫片 解：（计算略） 可以分别加工。 冲压工艺与模具设计 - 5 - 落料：凸模 凹模 冲孔： 凸模 凹模 冲裁力： 如题图 2示硅钢片零件，材料为 钢板，厚度为 配合加工方法制造模具，试确定落料凸、凹模刃口尺寸。 材料： 料厚： 图 2 硅钢片 解： （计算略） 落料以凹模为基准，凹模磨损后尺寸增大的是： A 20 6 ， 6 ， 2 凹模磨损后尺寸减小的是： 凹模磨损后尺寸不变的是： 计算后落料凹模刃口尺寸为 9 思考与练习参考答案 - 6 - 0 2 凸模尺寸按凹模实际尺寸配作，保证双面间隙为 思考与练习 3 1简要说明板料弯曲变形区的应力和应变情况。 答： 板料弯曲变形区的 应力 情况 ： 切向应力：外层受拉，内层受压 径向应力：变形区金属层之间相互挤压产生径向应力，应力由表面向里面逐渐递增，表面为零，中性层最大 宽度方向应力：窄板宽度方向应力为零 。 宽板外层为拉应力，内层为压应力 板料弯曲变形区的 应变 情况 ： 切向应变：外层为拉应变，内层为压应变 宽度方向与厚度方向产生的应变与切向方向相反，但对宽板，其宽度方向的应变为零 板料弯曲时的 应力应变状态 板 宽 内 外 侧 内侧 外侧 2影响弯曲回弹的因素有哪些？采取什么措施能减小弯曲回弹？ 答：影响弯曲回弹的因素： 材料的力学性能 s/E 的比值愈大，则弯曲回弹越大。 冲压工艺与模具设计 - 7 - 相对弯曲半径 相对弯曲半径 r /t 越小，回弹值越小。 弯曲件角度 弯曲件角度 越小，回弹角越大。 弯曲方式 自由弯曲与校正弯曲比较，减小了弯曲回弹；在无底凹模内作自由弯曲时，回弹最大。 模具间隙 压制 U 形件时，模具间隙对回弹值有直接影响。间隙减小，可使回弹减小。 弯曲件形状 弯曲件形状越复杂，一次弯成角的数量越多，由于各部分的回弹相互牵制，故回弹就越小。一般弯曲 U 形件比 V 形件的回弹小。 减小弯曲回弹的措施： 弯曲件的合理设计。 采取补偿措施，抵消弯曲 回弹变形。 通过预先估算或试验出工件弯曲后的回弹量，在设计模具时，使工件的变形超出原设计的变形，冲压回弹后得到所需形状。 从工艺上采取措施，采用拉弯工艺代替普通的弯曲方法。采用校正弯曲代替自由弯曲。 从模具结构上采取措施， 让校正压力集中在弯曲处使其产生一定塑性变形克服回弹。 3板料弯曲时的变形程度用什么表示？弯曲时的极限变形程度受到哪些因素的影响？ 答：板料弯曲时的变形程度用相对弯曲半径 r/t 来表示。 影响极限变形程度的因素： 材料的力学性能（塑性越好，伸长率值愈大，变形程度越大。） 弯曲件 角度（弯曲件角度越大，最小相对弯曲半径越小。） 板宽的影响（窄板比宽板的变形程度大） 板料的热处理状态（经退火的材料塑性好，弯曲变形程度也大；经冷作硬化的材料塑性差，弯曲变形程度也小。） 板料的表面质量与切断面的质量（ 弯曲前，应将坯料的毛刺和缺陷去除；弯曲时将有毛刺的边缘放在弯曲区内侧，使最小相对弯曲半径减小一些。 ） 折弯方向（ 弯曲件的弯曲线与板料的纤维方向垂直时，不易弯裂，最小相对弯曲半径的数值就小。 ） 4弯曲过程中引起坯料偏移的原因有哪些？可以采取哪些措施来防止偏移？ 答：弯曲过程中引 起坯料偏移的原因： 制件的形状不对称造成偏移； 制件的结构不对称造成偏移； 弯曲模的结构圆角不对称、间隙不对称导致偏移； 防止偏移的措施： 采用压料装置，使坯料在压紧状态下逐渐弯曲成形，从而防止坯料的滑动。 利用坯料上的孔或设计工艺孔，用定位销插入孔内定位之后再弯曲，使坯料无法移动。 将不对称形状的弯曲件组合成对称弯曲件弯曲，使坯料弯曲时受力均匀，不容易产生偏移，弯曲之后再将工件切开。 模具制造准确，间隙调整一致，以减少偏移的发生。 5安排弯曲件的弯曲工序顺序时要注意什么？ 答：安排弯曲 件的弯曲工序顺序时应注意： 对于形状简单的弯曲件，如 V 形、 Z 形工件等，可以一次弯曲成形。对于形状复杂的弯曲件，一般要采用两次或多次弯曲成形。 对于批量大而尺寸较小的弯曲件，应尽可能采用复合模或多工位级进模。 需多次弯曲时，弯曲顺序一般是先弯两端，后弯中间部分，前次弯曲应考虑后次弯曲有可靠的定位，后次弯曲不能影响前次已弯成的形状。 当弯曲件几何形状不对称时，为避免压弯时坯料偏移，应尽量采用成对弯曲，然后再切成两件的工艺。 思考与练习参考答案 - 8 - 6试计算题图 3示弯曲件的坯料长度。 a） b） 题图 3弯曲件 解： （计算略） （ a） （ b） 7如题图 3示工件，材料为 08 钢， t=1mm，s=196E=186000确定凸模的工作部分尺寸。 题图 3工件 解： （计算略） 011 r 凸02 81 冲压工艺与模具设计 - 9 - 思考与练习 4 1圆筒形零件拉深时，坯料变形区的应力应变状态是怎样的？ 答：圆筒形零件拉深时，坯料变形区的应力应变状态： 凹模 口的 凸缘部分 (主要变形区 ) 在凸缘部分产生径向拉应力 1 ，产生切向压应力3， 产生厚向压应力2。其应变状态为径向拉应变1，切向压应变3，板厚方向产生拉应变2。 凹模圆角部分（过渡区） 径向受拉产生拉应力 1 和拉应变1，切向受压产生压应力3与压应变3，厚度方向产生压应力2。这时 1 的值最大，其相应的拉应变1的绝对值也最大。 筒壁部分（传力区） 这部分只承受单向拉应力 1 的作用，发生少量的纵向伸长和厚度变薄（ +1与 。 凸模圆角部分（过渡区） 这部分承受径向拉应力 1 和切向拉应力3的作用，同时厚 度方向形成较大的压应力2，其应变状态与筒壁部分相同，但其压应变2引起的变薄现象比筒壁部分严重得多。 筒底部分 它受到径向和切向两向拉应力 1 与3，其应变为平面方向的拉应变1和3和厚度方向的压应变2。 2分别说明拉深工序中坯料的哪个部位容易起皱或拉裂？原因何在？如何防止？ 答： 拉深时平面凸缘变形区的起皱和筒壁传力区上危险断面的拉裂是拉深件的主要质量问题。凸缘区起皱是由于切向压应力引起板料失去稳定而产生皱折，传力区的拉裂是由于拉应力超过材料的抗拉强度引起板料断裂。 为了防止起皱，在生产实践中通常采用压边圈，并可利用压边力的合理控制来提高拉深时允许的变形程度。 要防止筒壁的拉裂，一方面要通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度；另一方面是通过正确制定拉深工艺和设计模具，合 理确定拉深变形程度、凹模圆角半径、合理改善润滑条件等，以降低筒壁传力区中的拉应力。 3影响极限拉深系数的因素有哪些？极限拉深系数对拉深工艺有何意义？ 答： 影响极限拉深系数的主要因素： 材料的力学性能 材料的屈强比 /愈小，材料的伸长率 愈大，对拉深愈有利。 板料的相对厚度 相对厚度 愈大，有利于减小极限拉深系数。 模具结构 采用压边圈并施加合理的压边力对拉深有利，可以减小极限拉深系数。采用合适的凸、凹模圆角半径与凸、凹模间隙可以减小极限拉深系数。 拉深次数 第二次及其以后的各次拉深，其拉深系数要比首次拉深大得多，而且通思考与练习参考答案 - 10 - 常后一次的拉深系数都略大于前一次的拉深系数。 摩擦与润滑条件 凹模（特别是圆角入口处）与压边圈的工作表面应十分光滑并采用润滑剂，可以减小极限拉深系数。对于凸模工作表面，则不必做得很光滑，也不需要润滑，有利于减小极限拉深系数。 拉深系数可用来表示拉深过程中的变形程度，拉深系数值愈小，说明拉深前后直径差别越大，亦即该道工序拉深变形程度愈大。 在制定拉深工艺时，如果每道工序的拉深系数取得愈小，则拉深件所需要的拉深次数也愈少，但拉深系数取得过小 ,就会使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差。所以极限拉深系数是制定拉深工艺的重要依据。 4有凸缘圆筒形件的拉深与无凸缘圆筒形件的拉深其本质区别是什么？ 答：有凸缘圆筒形件拉深时，坯料凸缘部分材料不是全部进入凹模口部成为筒壁，而是将坯料凸缘的一部分材料拉入凹模，当凸缘外径由坯料直径 深即告结束。因此， 拉深成形过程和工艺计算与无凸缘圆筒形件的差别主要是首次拉深。 无凸缘圆筒形件拉深变形程度是用拉深系数 表示的，对有凸缘圆筒形件而言，单凭 1m 就不能正确反映其变形程度，因为即使是同一个 m 值，其变形程度也还会随凸缘直径d或 凸缘拉入凹 模的材料愈多，其变 形程度愈大；反之，当或 凸缘拉入凹模的材料愈少，其变形程度愈小。因此，有凸缘圆筒形件的拉深变形程度应该用h（或td/d 和 h/d）来表示。 5试计算题图 4示零件拉深凸、凹模工作部分尺寸。 材料： 08F 料厚： 1 材料： 10 料厚： 2图 4-1 a） 罩壳 题图 4-1 b） 轴碗 解： （计算略 ） （ a） D 毛 =h=n=2（次） 首次拉深 11 凸凹D 凸 1=D 凹 1=压工艺与模具设计 - 11 - 最后拉深 22 凸凹D 凸 2=58003.0D 凹 2=60 b） D 毛 = h=3m=n=1（次） 凹 C=D 凹 =D 凸 =确定题图 4示外罩零件的拉深次数，计算各工序件尺寸。 材料： 08 料厚： 2题图 4外罩 解： （计算略） 8 08930mm r 凸 1=8r 凸 2=5 r 凸 3=4 r 凸 4=3mm r 凹 1=10r 凹 1=8r 凹 1=5 r 凹 1=3思考与练习 5 1分别分析翻边与胀形工序中变形区的应力和应变情况。并将二者作一比较，有何区别？ 答： 圆孔翻边其变形区在内孔和 外圆 之间的环形部分 ，变形区材料沿切向伸长，愈靠近孔口伸长愈大，接近于单向拉伸应力状态，切向应变是三个主应变中最大的主应变。径向变形很小，径向尺寸略有减少。竖边的壁厚有所减薄，尤其在孔口处，减薄较为严重。思考与练习参考答案 - 12 - 圆孔翻边的主要危险在于孔口边缘被拉裂。 胀形 其变形区限制在拉深筋以内的毛坯中部，在凸模作用下， 变形区大部分材料受双向拉应力作用（忽略板厚方向的应力），沿切向和径向产生拉深应变，使材料厚度减薄。所以在胀形工艺中，主要问题是防止拉伸过多而胀裂。 2缩口与拉深工序在变形特点上有何相同与不同之处？ 答：缩口变形主要是管坯口部受两向切 向压应力作用而使直径减小，厚度与高度都略有增加。因而在缩口工序中毛坯变形区容易沿切向产生失稳起皱。 圆筒形拉深时凸缘区受径向拉应力和切向压应力作用，产生径向伸长和切向压缩变形，坯料不断被拉入凹模中成为筒壁，最后得到圆筒件。 相同之处是都可能在切向压应力作用下产生失稳起皱现象。 3分别列举几种翻孔件、翻边件、胀形件和缩口件的应用实例。 答：翻孔件：自行车中接头；摩托车油箱加油孔；薄板小螺纹孔等。 翻边件：汽车门外板；客车脚踏门压铁；客车中墙板；固定套等。 胀形件：发动机的喷管；罩盖；摩托车油箱等。 缩口件： 弹壳；气瓶；摩托车前叉内支承管；自行车车架立管等。 4工件在什么情况下需要整形？整形工序一般安排在工件冲压过程中的什么位置？整形模的结构与前道工序的成形模有何区别？ 答：经过冲裁、弯曲和拉深等基本工序制成的毛坯或半成品常需再进一步加工才能符合要求。其目的是消除穹弯、回弹及所有不符合制件需要的多余变形，提高制件的形状与尺寸精度，减少不平度。另一类是对毛坯或半成品的某些部位按某种特定方式继续成形。 整形工序一般安排在工件冲压过程中的最后位置。 整形模的结构与前道工序的成形模基本相似，但工作部分的定形尺寸精度高 ，表面粗糙度值要求更低，圆角半径和间隙值都较小。 5用钢模压制如题图 5示的凸包件，判断是否可用一次工序完成起伏成形。计算成形所需的冲压力。已知冲压所用材料为 08 钢， t=1 =32%，b=380 材料： 08 料厚： 1图 5半圆罩 解： （计算略） 该零件能一次起伏成形。 冲压工艺与模具设计 - 13 - 冲压力为 N。 6已知两个形状相似的冲压件（见题图 5其尺寸 D、 料为 t=b=294通过分析计算，判断能否一道工序直接翻边成形。若能，试计算翻边力，设计凸模，并确定凸、凹模间隙。若不能，则说明应采用什么方法成形？ 尺 寸 件 号 D h 零件 1 40 8 零件 2 35 2 材料： 料厚： 图 5导筒 解： （计算略） 因为 件 1 可以由坯料一次翻边成形，其翻边力为 因为 件 2 不能由坯料一次翻边成形。而应该预先拉深，然后在此拉深件的底部冲孔，再翻边。 7胀形工件如题图 5示，材料为铝。试判断是否可以一次胀形，并计算胀形力。 思考与练习参考答案 - 14 - 题图 5 胀形工件 解： （计算略） （ N） m d （ 取 20则 F=考与练习 6 1冲模装配后进行试冲的目的是什么？ 答：冲模装配后进行试冲的目的在于： 鉴定模具的质量、验证该模具生产的产品质量是否符合要求，确定该模具能否交付生产使用。 帮助确定产品的成形条件和工艺规程。 帮助确定成形零件工件形状、尺寸及用料标准。 帮助确定工艺和模具设计中的某些尺寸。 通过调试，发现问题，解决问题，积累经验，有助于进一步提高模具设计和制造水平。 2压力机的安全操作规程是哪些？ 答： 遵守机械的一般安全技术操作规程。 装模前必须检查模具闭合高度，闭合高度在允许范围内方能装模， 调整好滑块上下行程，使其保持在规定的安全范围内。 装上模时，要对准模柄孔，以免滑块下落时啃坏孔缘。模板面积不宜过小，以免压塌上模孔。 使用顶料时，两边拉杆长度要调整一致，不得歪斜。 开车前，必须检查各装置是否完好，模具紧固螺钉是否松动。 开动设备的过程是先打开总开关，然后启动电机。 飞轮转动时不允许作机床调整或安装模具等其它工作。 工作完毕后，停车时则应先关