模具冲压课件

冲 压 工 艺 与模 具 设 计,常见冲压件：,第一章 综 论,1.1 冲压定义 常见金属加工方式：切削加工（车铣刨磨钻镗等） 铸造加工 压力加工（热锻、板料冲压、冷挤压、拉拔等） 特种加工（电铸、电解、激光等） 冲压：利用冲模在冲压设备上对板料施加压力，使其产生分离或变形， 从而获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。因为所加 工材料一般为板料，所以也称为板料冲压。通常在室温下进行， 所以也称为冷冲压。,要点： 1 压力加工 2 材料发生分离或塑性变形 3 通常是在室温下 4 一般是对板料进行加工,冲压三要素：,1 冲压设备（压力机、折弯机、剪床等）,2 冲压材料（金属、非金属材料）,冲压模具（冲裁、弯曲、拉深模具等）,本课程所讲主要内容：冲压工艺冲压模具,1.2 冲压工序分类可以分为基本工序和组合工序，基本冲压工序又可以分为： 1 分离工序 2 成形工序,分离工序：使坯料沿一定轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件的工序，分离工序又称为冲裁。,分离工序分类：,1 落料用冲模沿封闭线冲切板料，冲下来的部分为冲件,图1-1,2 切断用剪刃或冲模切断板料，切断线不封闭。,图1-2,3 切口在坯料上沿不封闭线冲出缺口，切口部分发生弯曲。,图1-3,4 切边将工件边缘部分切除。,图1-4,图1-5,5 冲孔用冲模沿封闭线冲切板料，冲下来的部分为废料。,图1-6,图1-6,6 剖切把工件切开成两个或多个零件。,成形工序：在坯料不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸冲压件的工序。成形工序可以分为弯曲、拉深、成形 等几大类,图1-7,1 弯曲将板料沿直线弯成一定的角度和曲率 。,图1-8,2 拉弯在拉力和弯矩的作用下实现弯曲变形 。,图1-9,3 扭弯把工件的一部分相对于另一部分扭转成一定的角度。,图1-10,4 辊形通过一系列轧辊把平板卷料辊弯成复杂形状。 。,图1-11,5 拉深把平板坯料制成开口空心件，壁厚基本不变。,图1-12,6 变薄拉深把空心件进一步拉深成侧壁比底部薄的零件 。,图1-13,7 翻孔沿工件上孔边缘翻起竖立边缘。,图1-14,8 翻边沿工件外缘翻起弧形竖立边缘 。,图1-15,9 扩口把空心件的口部扩大 。,图1-16,10 缩口把空心件的口部缩小 。,图1-17,11 起伏依靠材料的伸长变形使工件形成局部凹陷或凸起 。,图1-18,12 卷缘把空心件的口部卷成接近封闭的圆形 。,图1-19,13 整形依靠材料的局部变形，少量改变工件形状和尺寸，提高其精度 。,图1-20,14 校平将有拱弯或翘曲的平板压平，以提高其平面度 。,图1-21,15 胀形将空心件或管状件沿径向向外扩张，形成局部直径较大的零件。,图1-22,16 冷挤压将放在模腔内的坯料从凹模孔或凸、凹模间隙中挤出，以获得实心或空心件 。,组合冲压工序： 在实际生产中，当冲压件的生产批量较大，尺寸较小而且公差要求较小时，若采用分散的单一工序来冲压是不经济的，甚至也难以达到要求，这时在工艺上多采用工序集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合工序。根据工序组合方法的不同，又可以分为复合、级进和复合级进三种组合方式。,复合冲压：在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同工序的一种组合方式。,级进冲压：在压力机的一次工作行程中，按照一定顺序在同一模具的不同工位上完成两种或两种以上工序的一种组合方式。,复合级进冲压：在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。,1.3 冲压工艺特点及应用,特点：1 效率高、操作方便、易于实现自动化，一般的冲压工艺每分钟可以达到几次或几十次，高速冲压可以达到每分钟几千次；,2冲压件质量稳定，互换性好，具有“一模一样”的特点；,3 可以加工尺寸范围较大的零件，从钟表指针到汽车车身覆盖件；,4 材料消耗少，一般不需要加热设备，是一种省料、节能的加工方法；,缺点：模具要求高、制造复杂、周期长、制造费昂贵，因而在小批量生产中受到限制。生产中有噪音。,应用： 在现代化工业生产中，60%90%的工业产品需要模具加工，模具工业已成为工业发展的基础，许多新产品的开发都依赖与模具，特别是汽车、电子电器、轻工、航空等行业。因此，模具是工业生产的重要装备，是国民经济的基础工业。模具被誉为工业之父，其技术集现代工业产品制造技术之大成。 世界各国给模具的称谓： 日本：进入富裕社会的原动力。 德国：金属加工业中的帝王。 罗马尼亚：模具就是黄金。 欧美：磁力工业。,1.4 冲压变形理论基础1.4.1 金属塑性变形概念 基本概念：变形在外力作用下，固体材料的形状和尺寸发生变化。弹性变形作用于物体的外力去除后，因外力引起的变形随之消失，物体能够恢复原来的形状和尺寸。 塑性变形作用于物体的外力去除后，物体不能恢复原有的形状和尺寸。从微观结构看，弹性变形时，金属内部原子间距离发生微小改变，离开原来平衡位置，当外力去除后，金属物体能恢复原有的形状和尺寸，这就是弹性变形。当金属受力较大，金属原子离开原来的平衡位置，到达新的平衡位置，外力去除后金属原子不能回到原有的平衡位置，产生永久变形，这就是塑性变形。,晶体变形方式： 滑移、孪生。滑移：晶体的一部分沿着一定的晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）相对于另一部分作相对运动。因为沿着原子排列最密的面滑移阻力最小，所以滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向是原子排列最密的方向。一个滑移面及其上面的一个滑移方向构成一个滑移系。滑移系越多，金属塑性越好。孪生：晶体一部分相对于另一部分，对应于一定晶面沿一定方向发生转动。孪生与滑移区别：滑移是渐进发生的，孪生是突然发生的，如在低温下受到冲击载荷；孪生要求的临界切应力比滑移大得多。,单晶体结构： 面心、体心、密排六方。,多晶体基本变形方式：孪生、滑移。多晶体变形时除了晶粒发生变形外，晶粒之间也会产生相对移动。由于多晶体晶粒大小不一致，因此变形也呈现不均匀性，对于塑性差的材料来说，晶粒间相对移动会破坏晶粒之间的机械嵌合，导致金属破裂。一般塑性好的材料变形抗力大，塑性好，变形均匀。多晶体金属变形后会引起以下组织改变：1纤维组织 晶粒沿最大变形方向伸长，形成纤维状晶粒组织；2变形织构 部分晶粒发生转动，使滑移面和金属流动方向趋于一致，形成变形织构，使金属力学性能具有明显的各项异性。,1.4.2 影响塑性和变形抗力的主要因素塑性：物体在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性的高低通常用塑性指标来衡量，塑性指标是以材料开始破坏时的变形量表示，可以用各种试验方法测定，目前应用广泛的是拉伸试验，对应于拉伸试验的塑性指标是断后伸长率和断面收缩率。变形抗力在一定变形条件下（加载状况、变形温度及速度），引起物体塑性变形的单位变形力。塑性和变形抗力是两个不同的概念，塑性反映了材料受力后临近破坏时变形程度的大小，变形抗力反映了材料变形的难易程度，如奥氏体不锈钢塑性很好，允许塑性变形的程度很大，但变形抗力也很大，需要较大的外力才能发生塑性变形。,影响因素：1. 组织成分的影响，包括金属化学成分（碳、磷、硫及合金元素的影响）及组织结构（体心、面心、密排六方、晶粒大小等）的影响；2变形温度，一般变形温度升高塑性增加，变形抗力降低。（钢的蓝脆区和热脆区3变形速度，对变形影响比较复杂，需要具体问题具体分析，在实际应用时，主要根据零件尺寸考虑速度因素，对于小尺寸零件可以不必考虑速度因素，对于大尺寸复杂零件成形应该采用低速。因为其变形速度不均匀，容易局部拉裂或起皱，对于不锈钢、钛合金对速度敏感的材料也应该低速成形。4. 应力状态。,1.4.3 金属变形力学条件应力与应变状态：在外力的作用下，材料内各质点间就会产生相互作用的力，称为内力，单位面积上内力的大小称为应力。材料内某一点应力大小与分布称为该点的应力状态。单元体的应力状态：任意一单元体的应力状态都可以用九个应力分量表示，单元体处于平衡状态时，绕单元体各轴的力相等，三对切应力应该互等，因此，确定物体内任意点应力状态只需要知道六个应力分量，三个主应力和三个切应力。主应力：对于任何一种应力状态，总存在这样一组坐标系，使得单元体表面上只有正应力，没有切应力，这时的三个坐标轴称为主轴，其方向称为主方向，三个正应力称为主应力，主应力的作用面称为主平面，主应力一般按数值大小依次用1、2、3表示，即123。带正号时为拉应力，带负号时为压应力。平均应力：三个主应力的平均值称为平均应力m =（1+2+3）/3。,主切应力：除了主轴方向外，单元体其它方向截面上都有切应力，而且在与主平面成45截面上切应力达到最大值，称为主切应力。绝对值最大的主切应力称为该点的最大切应力，用max表示，若123，则max =（1-3）/2 点的应变状态：,体积不变定律：金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计，则有：即 两边取对数即：,公式2-1就是塑性变形时的体积不变定律，它反映了三个主应变之间的数值关系，根据公式2-1可以看出，不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号和其它两个主应变的符号相反，这个主应变的值最大，称为最大主应变。 真实应力应变曲线：1 弹性塑性共存规律（弹性变形回复影响冲压件精度）2 真实应变曲线,表示变形抗力随变形程度增加而变化的曲线叫做硬化曲线，也称实际应力曲线或真实应力曲线，它可以通过拉伸等实验方法求得。实际应力曲线与材料力学中所学的工程应力曲线（也称假象应力曲线）是有所区别的，假象应力曲线的应力指标是采用假象应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷F除以变形前试样的原始截面积A0计算，没有考虑变形过程中试样截面积的变化，显然是不准确的；而实际应力曲线的应力指标是采用真实应力来表示的，即应力是按各加载瞬间的载荷F除以该瞬间试样的截面积A计算。实际应力曲线与假象应力曲线如图所示。从图中可以看出，实际应力曲线能真实反映变形材料的加工硬化现象。 塑性条件（屈服条件）：决定受力物体内质点由弹性状态向塑性状态过渡的条件称为塑性条件或屈服条件。当物体处于单向应力时，其屈服条件是1s，对于复杂应力状态，判定是否屈服要考虑到各个应力分量的影响。屈雷斯加屈服条件：在一定的变形条件下，当材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。该定值为材料屈服点应力值s的一半。屈雷斯加屈服条件可以表达为：,（1-2）,或,（1-3）,屈雷斯加公式的优点是简单，在事先知道主应力大小的情况下使用方便，缺点是忽略了2的影响。 密席斯屈服条件：在一定的变形条件下，无论变形物体所处的应力状态如何，只要三个主应力的组合满足一定要求，材料便开始屈服。该条件为：,（1-4）,密席斯屈服条件又称为能量变形理论，对于大多数金属材料来说，密席斯屈服条件更符合实际情况。虽然密席斯屈服条件在数学表达方法上比较完善，但在方程中包含了全部应力分量，实际使用比较繁琐，为了方便起见，密席斯屈服条件可以改写成如下简单形式：,（1-5）,式中为反映中间应力2影响的系数，其取值范围为11.155。,塑性变形时应力与应变的关系全量理论当采用简单加载（加载过程中只加载不卸载，应力分量之间按照一定比例递增），塑性变形每一瞬间，主应力与主应变之间存在以下关系：,（1-6）,上式也可以表示为：,（1-7）,全量理论是冲压成形中各种工艺参数计算的基础，利用全量理论可以对一些变形过程中坯料的变形和应力性质作出定性的分析判断：,1 由公式1-7可以得出，判断某方向的主应变是伸长还是缩短，并不是看该方向是受拉应力还是受压应力，而是要看该方向应力值和评价应力m之间的差值，差值为正的时候是伸长，为负的时候是缩短；,2 若1 = 2 = 3 =m，则1 = 2 = 3 =0，这说明在三向等拉或等压应力下，坯料不产生任何塑性变形。,3 当坯料单向受拉时，即1 0，2 =3 = 0时，因为1 m =1 -1/30，可知10, 2 =3 = -1/2 ,这说明在单向受拉时，拉应力方向为伸长变形，另两个方向为等量压缩变形，而且伸长变形为每个压缩变形量的两倍。,4 坯料受双向等拉应力作用时，即1 = 2 0， 3 = 0时，1 =2 = -3/2 ，这说明在受到双向等拉应力时，两个拉应力方向的变形为伸长变形，在另一个方向上的变形为压缩变形，而且其值为每个压缩变形量的两倍。,5 2 =m时，必有2=0，根据体积不变定律，有1 =3，这说明在主应力等于平均应力的方向上不产生塑性变形，而在另外两个方向上塑性变形数值相等，方向相反，这种变形称为平面变形。,6 当坯料三向受拉，而且123时，在最大拉应力1方向上的变形一定是伸长变形，在最小拉应力方向上一定是压缩变形。当坯料三向受压时，在绝对值最大压应力方向上一定是压缩变形，在绝对值最小方向上的变形一定是伸长变形。,1.4.4 冲压成形变形趋向及其控制 冲压成型过程中，坯料各部分在模的作用下，有可能发生不同形式的变形，具有不同的变形趋向，分析冲压成形中坯料的变形趋向及控制方法，对制定冲压工艺过程、确定冲压工艺参数、设计冲压模具以及分析冲压过程中出现的某些产品的质量问题都有非常重要的意义。,一般情况下，冲压过程中坯料各部分可以划分为变形区和传力区，冲压设备施加的变形力通过模具，并进一步通过坯料传力区作用于变形区，使其发生塑性变形。,图1-23,上图所示的拉深和缩口中，A区是变形区，B区是传力区，C区是已变形区。在在冲压成型过程中，由于坯料各部分尺寸关系及变形条件不同，通常总有一个区域的变形力相对较小，首先产生塑性变形，这个区域称为相对的弱区。为了保证冲压成形过程顺序进行，必须保证变形区为弱区。,控制变形趋向的措施：,改变坯料各部分相对尺寸。实践证明，坯料各部分相对尺寸是决定变形趋向的最重要因素。,图1-24,拉深,图1-25,翻孔,胀形,坯料外径D、内径d0和凸模直径dp具有不同的相对尺寸时，可能就有三种不同的变形趋向（拉深、翻孔、胀形），从而形成三种不同的冲件,2 改变模具工作部分形状和几何尺寸：主要是通过改变凹摸和凸模圆角半径来控制坯料的变形趋向。上图中如果增大凸模圆角半径，减少凹模圆角半径，可以使翻孔变形阻力减小，拉深变形阻力增大，有利于翻孔变形的实现。,3 改变坯料和模具接触面之间的摩擦阻力：上图中，如果增大坯料与压料圈及坯料与凹模端面之间的摩擦力，坯料从凹模断面上流动的阻力增大，不利于实现拉深变形而有利于实现翻孔或胀形变形，如果增大坯料与凸模表面的摩擦力，并通过润滑等方法减小皮料与凹模和压料圈之间的摩擦力，则有利于实现拉深变形。,4 改变坯料局部温度：通过局部加热的方法提高或降低局部的变形抗力，以控制变形。,1.5 冲压材料,材料冲压成形性能与试验,材料的冲压成形性能：材料对各种冲压成形方法的适应能力称为材料的冲压成形性能，它包含两方面内容，一是成形极限，二是成形质量。 成形极限：材料在冲压成形过程中能达到的最大变形程度。不同的冲压工序有不同的极限变形系数，如最小相对弯曲半径、极限拉深系数、极限翻孔系数等。成形质量：材料冲压成形后得到的冲压件能达到的质量指标，包括尺寸精度、表面质量、厚度变化等。 材料冲压试验：材料冲压成形性能试验方法概括起来可以分为两类：直接试验和间接试验。直接试验中材料的应力状态和变形情况与实践冲压时基本相同，而间接试验中，材料的受力状况与实际冲压过程中材料的受力状况有一定差别，所得结果只能在分析的基础上间接反映材料的冲压成形性能。,强度指标 （屈服点s、抗拉强度b或缩径点应力j）：强度指标对冲压性能的影响通常用屈强比（屈服点与抗拉强度的比值s/b）表示，屈强比越小，则s、b之间的差值越大，表示材料允许的塑性变形区间越大，材料成形的稳定性越好，材料破裂的危险性越小，从而有利于提高材料的极限变形程度，减小工序次数。因此屈强比越小，材料的冲压成形性能越好。刚度指标：（弹性模量E）：弹性模量越大或屈服点与弹性模量的比值（屈弹比s/E）越小，成形过程中抗压失稳的能力越强，卸载后回弹值小，有利于提高冲压件的质量。塑性指标（均匀伸长率j或细颈点应变j、断后伸长率或断面收缩率）：通常j、越大，材料允许的塑性变形程度越大。各向异性指标（板厚方向性系数r、板平面方向性系数r）：r值越大，说明板平面方向上越容易变形，板厚方向上越难变形，这对拉深成形有利。r越大，变形方向性越明显，对冲压成形性能影响也就越大。,2 直接试验： 直接试验是直接模拟某一种冲压方式进行的，故所得到的结果能够较为可靠的鉴定板料的冲压成形性能，直接试验的方法很多，几种常见的直接试验方法有：弯曲试验、胀性试验、拉深试验等。,弯曲试验：将试样夹在专用试验设备的钳口内，反复弯曲直至出现裂纹，弯曲半径越小，次数越多，材料成形性能越好。,图1-26,胀形试验： 用球形凸模压入板料试样，直到出现裂纹为止，用试样上凸包深度作为材料胀形性能指标。,图1-27,图1-28,拉深试验：包括筒形拉深试验和锥形拉深试验，筒形拉深试验是用不同直径的圆形试样放在带压边装置的拉深模中进行拉深，在试样不破裂的条件下，最大试样直径Dmax与凸模直径dp的比值Kmax为拉深性能指标，其值越大，材料拉深试验性能越好。球底锥形拉深试验是使用球形凸模和60的锥形凹模对直径为D的试样进行拉深，在试样刚开裂时测出锥口直径d，然后按下式计算CCV值，CCV值越大，材料拉深成形性能越好。,常用冲压材料：常用的冲压材料包括金属材料和非金属材料，金属材料包括各种钢材以及铜、铝、镍、钛等有色金属，非金属材料包括各种纸板、纤维板、塑料板、皮革、胶合板等。一般金属材料既适用于成形工序也适用于分离工序，非金属材料一般仅适用于分离工序。冲压工艺对材料的要求：具有良好的冲压成形性能：对于成形工序，为了有利于冲压变形和冲压件质量的提高，材料应该有良好的冲压成形性能；具有较高的表面质量：材料的表面应光洁平整，无氧化皮、裂纹、锈斑、划伤、分层等缺陷；材料厚度公差应