冷冲压工艺与模具设计课程.ppt

冷冲压工艺及模具设计,第一章冲压加工概述与冲压设备,1.1冲压加工概述1.1.1冷冲压的概念冷冲压是在常温下利用冲模在冲压设备上对材料（板料）施加压力，使其产生分离或变形，以获得所需要的零件形状和尺寸。冷冲压工艺建立在金属塑性变形的基础上，是一种先进的金属加工方法。1.1.2冷冲压工序的分类1.1.2.1分离工序分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓进行断裂分离加工，以获得所需要的零件形状和尺寸，又称为冲裁工序。分离工序种类：落料、冲孔、切断、切边、剖切、切舌等。1.1.2.2成形工序成形工序是在材料不发生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，以获得所需要的零件形状和尺寸。成形工序种类：弯曲、拉深、翻边、胀形、起伏成形、缩口、扩口、旋压、校形等。,1.1.2.3冲压工艺方案冲压工艺方案是在分析冲压件工艺性的基础上，确定冲压工序性质、工序数目、工序顺序、工序组合及其它辅助工序，即确定冲压件的工艺路线。正确的工艺路线对于冲压件质量、生产效率、模具设计制造和经济成本具有重大意义。1.1.3冷冲压工艺的特点及应用1.1.3.1冷冲压工艺的特点1、优点：1）冷冲压是金属薄板成形的重要工艺方法；2）冷冲压件质量稳定、互换性好；3）材料利用率高、成本较低；4）工艺操作简单、生产率高；5）适合于成批、大量零件生产。2、缺点：1）模具结构复杂、生产成本较高；2）一般不适于单件、小批量零件生；3）工作环境有待改善提高。1.1.3.2冷冲压工艺的应用冷冲压工艺具有许多突出的优点，在机械制造、电子电器等各行各业中都得到了广泛的应用，尤其在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、电子产品和日用品的生产中占据十分重要的地位，有的产品其冲压件的数量约占工件总数的7080%以上。,随着国民经济的发展，对由金属薄板制成的冲压产品的需求量将会越来越大，因此，学习、研究和发展冷冲压技术，对我国制造业的发展和民族振兴具有极大的意义。1.1.4冷冲压工艺的发展1、工艺分析计算方法现代化采用有限变形的弹塑性有限元等先进的算法，对复杂成形件的成形过程进行应力应变分析和计算机仿真模拟，以预测某一工艺方案对零件成形的可行性及可能发生的问题。从根本上改变了传统的依赖经验和反复试验及修改，才能转入批量生产的模式。2、模具设计制造现代化大力开展模具CAD/CAM技术的研究和应用，已有许多成熟的模具CAD/CAM一体化软件应用于模具的设计及制造，使设计者尽可能将时间和精力用于创新开发。3、冷冲压生产的机械化和自动化大力推进冲压工艺中的送料、冲压、取件甚至装配等生产环节的机械化和自动化研究和应用，使生产率得到极大的提高。4、适应多品种、小批量的市场需求研究和发展新的成形工艺、简易模具、通用组合模具、数控冲压设备和冲压柔性制造系统，使冲压工艺适应产品更新换代快和生产批量小的现代市场的特点。,5、不断改进板料的冲压成形性能实践证明，研制和生产高性能的冲压钢板比改进冲压工艺和模具结构更具有现实意义。随着现代冲压技术的发展，成形钢板的工艺性能和表面质量将会成为制约冲压工艺进步的瓶颈。1.2冲压设备1.2.1曲柄压力机的基本组成1、工作机构即为曲柄连杆机构，由曲轴、连杆、滑块组成，是压力机完成工作的主要机构。冲模的上模固定在滑块上。2、传动系统包括电动机、带轮传动和齿轮传动等机构，其作用是将电动机的运动和能量按照一定要求传给工作机构。其中带轮又称飞轮，能够使压力机在整个工作周期里负荷均匀，能量得以充分利用。3、操纵系统由空气分配系统、制动器、离合器和电气控制箱等组成。压力机的工作是通过操纵机构进行控制的。4、支承部件包括床身、工作台、拉紧螺栓等部分。床身是压力机的基础，保证设备所要求的精度、强度和刚度。床身上固定有工作台，用于安装冲模的下模。,5、辅助系统包括气路系统和润滑系统。6、附属装置包括过载保护、气垫、滑块平衡装置、移动工作台、快速换模和监控装置等。1.2.2曲柄压力机的主要结构类型1、按床身结构分分为开式压力机和闭式压力机两种。开式压力机床身前、左和右三个方向是敞开的，操作和安装模具很方便，便于自动送料。但由于床身呈C字型，刚性较差。当冲压力较大时，床身易变形，影响模具寿命，因此只适用于中、小型压力机。闭式压力机床身两侧封闭，只能前后送料，操作不如开式的方便。但机床刚性较好，能承受较大的冲压力，适用于一般要求的大、中型压力机和精度要求较高的轻型压力机。2、按滑块行程是否可调分分为曲轴压力机和偏心压力机两种。曲轴压力机压力机行程较大且不能调节，但曲轴受力结构合理，负荷均匀，可制造大行程和大吨位压力机。偏心压力机压力机行程较小且能适当调节，但由于偏心轴受力结构的关系，因此只适用于中、小型压力机。,3、按连杆的数目分可分为单点、双点和四点压力机。4、按滑块数目分可分为单动、双动和三动压力机。5、按传动方式分可分为上传动和下传动压力机。6、按工作台结构分可分为可倾式、固定式和升降台式。1.2.3曲柄压力机工作部分的结构及调整1.2.3.1压力机工作部分的结构J23-40B压力机工作部分的结构如左图所示：1）连杆滑块机构由曲轴、连杆、调节螺杆、滑块组成，是压力机完成工作的主要机构。其中滑块用来安装上模。2）工作台是压力机的工作平台，用来安装下模3）工作空间位于滑块下底面和工作台上表面之间，是安装模具和进行工作的主要空间。4）打料机构由横杆和止动杆组成。是冲压的辅助机构，和模具配合进行工作。,1.2.3.2连杆滑块结构的调整连杆滑块机构剖面如下图所示：1）连杆由连杆体和调节螺杆组成，通过调整调节螺杆可改变连杆的长度，进而改变压力机的工作空间。2）滑块上设置模柄夹持机构用来安装上模，通过锁紧螺钉将上模锁紧固定。3）连杆和滑块体通过保险块连接，可预防因冲压过程中意外的负荷过载而导致设备或模具的损坏。,3模具在压力机上的工作过程模具在压力机上的工作过程大致分为：1）条料送进和定位2）冲压过程3）卸料、推件过程4）取出制件为了从上模中打下工件或废料，压力机的滑块中装有打料装置，在滑块的矩形横向孔中，放有横杆。当滑块回程，横杆与床身上的止动杆相碰时，即可通过上模中的推杆和推件块将工件或废料从上模中推下。调节止动杆的长度，便可控制打料行程。1.2.4曲柄压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力，所能加工零件的尺寸范围和生产率等指标，也是模具设计中选择冲压设备、确定模具结构的重要依据。1、1、公称压力公称压力是指压力机曲柄旋转到离下止点前某一特定角度a（称为公称压力角，一般小于300）时，滑块上所容许的最大工作压力。在冲压生产中，必须使冲压工序工艺力行程曲线不超出压力机的许用压力曲线，如左图所示。,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。对于曲柄压力机，其值即为曲柄半径的两倍。在冲压生产中，应根据模具结构、零件高度尺寸和生产率等因素来选择所需行程的压力机。3、滑块每分钟行程次数是指滑块每分钟往复的次数。滑决每分钟行程次数的多少，关系到生产率的高低。一般压力机行程次数都是固定的。4、闭合高度压力机的闭合高度是指滑块在下止点时，滑块底面到工作台面的高度。模具的闭合高度应小于压力机的最大闭合高度。5、压力机工作台面尺寸压力机工作台面尺寸应大于冲模的最大平面尺寸。一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸5070mm，以便于安装固定模具用的螺钉和压板。125曲柄压力机的型号与规格压力机的型号是按锻压机械标准的类、列、组编制的。如：JB23100A其中J表示锻压机械的类别，J为机械式压力机；B表示压力机的变型次数（次要参数与基本型号不同）；,2表示列别；3表示组别；100表示压力机的公称压力（1000千牛）；A表示压力机的改进次数（结构、性能等的改进）。本节中的JB2340B型是机械式曲柄压力机，属于第2列第3组，为开式双柱可倾式压力机，公称压力400千牛，经过第2次变形和第2次改进。各种压力机的规格参数可参照有关冲压设备的标准。1.3练习思考题1、谈一谈冷冲压的概念及其工艺特点？2、试绘制一实际冲压零件的形状简图，分析其由哪几道工序冲压制成，并叙述各工序的主要变形特点？3、结合具体事例谈一谈自己对冷冲压技术在国民经济中的地位及其发展的认识？4、比较开式偏心压力机和闭式曲轴压力机的特点和应用场合？5、解释JC2363、J23100B压力机规格的含义？,第二章金属塑性成形的基本概念,2.1塑性变形的物理性质2.1.1塑性变形的概念2.1.1.1晶体结构1）晶体和多晶体从金属学的观点来看，所有的固态金属都是晶体。工业上常用的金属中，最常见的晶格结构有面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构。晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向。每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子间距是不同的，这就导致了金属晶体不同方向上的性质差异，这是结晶物质的特点，也是金属各向异性的根源。工业上用于塑性成形的金属和合金都是多晶体。多晶体中每个晶粒都是各向异性的，但大量结晶方位互不相同的晶粒聚集在一起，在宏观上使金属各个方向呈现出大体相同的性质，称为伪同向性。了解晶体结构及其特点是了解金属及合金塑性变形的基础。,2）晶体的缺陷晶体缺陷是指实际晶体结构中和理想的晶体点阵结构发生偏差的区域。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将之分成三大类：a）点缺陷如空位、间隙原子、溶质原子。b）线缺陷如位错。c）面缺陷如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错。在晶体中，缺陷随着各种条件的改变而不断变化，它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并和消失。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。2.1.1.2塑性变形1）塑性变形金属受外力作用就会发生变形，表现为形状、尺寸、体积等的变化。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；不能恢复原状的永久变形称为塑性变形。除脆性材料外，大部分固体材料变形时都呈现出明显的弹性变形阶段和塑性变形阶段。弹性变形时，金属内原子的位置发生变化，表现为原子间距有微小的改变，从而引起了体积的变化。此时，原子的稳定平衡状态遭到破坏，作用在物体上的外力和企图使原子恢复到最小势能位置的原子间反作用力相平衡，这种反作用力称为内力，单位面积上的内力就称为应力。,当金属所受外力较大时，使原子偏离其稳定平衡位置超过某一数值，外力去除后原子就不会再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，发生了永久性变形，这种变形称为塑性变形。作用在变形体上的外力去除后，原子也可能既未回到原来的稳定平衡位置，也未转移到新的稳定平衡位置上去，则原子仍处于受力状态，此时原子所受的内力称为残余应力。残余应力经常带来不利影响，但在清除残余应力的过程中，金属也要发生一定的变形。2）塑性变形的主要方式研究表明，再结晶温度以下晶体的塑性变形主要通过晶内滑移和孪动两种方式进行，其中以晶内滑移变形为主。在晶体内部，一定的晶面和一定的晶向组成一个滑移系。当其它条件相同时，晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移空间位向愈多，金属的塑性就愈好。实际观察表明，晶体的滑移变形就是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线。许多滑移线聚集在一起便形成滑移带，这种滑移带一般可在光滑的拉伸变形金属试样表面上观察到，如上图所示。多晶体的变形，由于还存在着晶粒之间的相对滑动和转动，这种晶粒之间的变形称为晶间变形。所以多晶体的变形实质上是晶内变形和晶间变形综合作用的结果。,2.1.1.3塑性变形对塑性成形工艺的影响在金属塑性变形的过程中，材料的性能和组织状态都会发生变化，对冲压成形工艺和制件质量有相当大的影响。常见问题如下：1、制件表面质量的下降粗晶粒的板料在冲压变形的过程中，由于晶粒之间的相对转动，会使制件表面呈现出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。对于光亮表面的细晶粒板料，亦会因表面出现大量的滑移线和滑移带而导致表面质量明显下降。2、应变硬化现象在冲压成形的过程中，随着变形程度的提高，材料的变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性、韧性下降，这种现象称为应变硬化（又称为加工硬化）。金属应变硬化的原因目前还不能妥善解释，一般是认为由于塑性变形使位错大量增殖，位错之间以及位错与其它缺陷间的交互作用导致进一步滑移的临界应力提高，而出现“硬化”现象。硬化会阻碍进一步的塑性变形，不利于工序的进行。但也有有利的一面，如在大变形工序中能阻止板料局部过分变薄而提早破坏；另外如拉丝等一些工艺正是利用了硬化的现象。3、残余应力的影响由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间的原子未能到达稳定平衡位置，变形结束后，原子仍处于受力状态，作为残余应力，保留在材料或制件内部。在使用的过程中，会导致自动发生变形甚至开裂，带来了有害的影响。,4、板料性能的各向异性板材轧制时，材料内的各晶粒沿其变形最大的方向伸长，另外材料中的夹杂物、区域偏析及第二相等也沿着变形方向被拉长。当变形程度很大时，则显著伸长，形成所谓的纤维组织。如果变形程度大到一定的数值，多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。一般地，当金属的变形量达到10-20%时，材料性能的取向现象便可以达到可以察觉的程度；当变形量达到80-90%时，板材的性能，尤其是机械性能将呈现明显方向性，称为各向异性。如不经处理，用这样的板材生产冲压制件，会给制件的形状和尺寸精度带来较大的不利影响。如拉深制件在加工中会出现沿口不齐的“突耳”现象，如左图所示。2.1.2影响塑性变形的主要因素2.1.2.1塑性与变形抗力的概念塑性是指金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏其完整性的能力。塑性可用材料在不破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定，其值与变形条件有关。变形抗力（强度）是指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形的能力，其大小也与变形的条件有关。,塑性和变形抗力是两个不同的概念。塑性是从变形量的角度反映了材料塑性变形能力的大小；而变形抗力则是从变形力的角度反映了材料塑性变形的难易程度。金属材料的变形抗力和塑性是两个很重要的力学性能，决定了材料冲压成形的工艺性能，同时又是材料的重要使用性能。在不同的条件下，其影响因素以及控制机理构成了塑性成形工艺的重要理论基础。2122影响塑性变形的主要因素1、金属成份与组织的影响通常工业用金属都是合金。合金元素与基体金属的结合有固溶体、化合物和中间相。化合物和中间相是属电子键结合，原子间结合力强，表现出的变形抗力大而塑性差。固溶体，特别是置换式固溶体，并不改变基体金属的晶格型式，只是使晶格略有畸变，因而变形抗力和塑性与基体金属并无显著差别。因此，从塑性成形工艺的要求来说，加入的元素应能和基体金属形成固溶体，且数量要控制在形成固溶体所能容纳的溶解度以下，以避免生成化合物。另外杂质的数量和分布形态对金属材料的塑性成形性能的影响也是极大的。一般冲压钢板的碳含量小于0.1%，常用的冲压钢板C0.08%，优质冲压钢板C0.04%，超深冲钢板（IF钢）则达到C0，3=0，属平面应力状态。利用全量理论公式分析可以判断变形区的变形情况，这时，1=2=-3/2，在拉应力作用方向为伸长变形，而在厚度方向为压缩变形。由此可见，胀形变薄是比较显著的。4）当毛坯变形区三向受压时，利用全量理论公式分析可知在最大压应力3方向上的变形一定是压缩变形，而在最小压应力1方向上的变形必为伸长变形。由上述分析可知，判断毛坯变形区在哪个方向伸长，在哪个方向缩短，不能仅依据应力的性质来决定，而是要根据主应力的差值才能判定。当变形区内拉应力的绝对值最大时，此方向必为伸长变形，变形区板料会减薄；当变形内压应力的绝对值最大时，此方向必为压缩变形，变形区板料会增厚。2.2.5薄板成形问题分析方法（*）薄板成形问题分析是以金属塑性变形的基本规律屈服准则和应力应变关系为基础的。分析的目的是通过对各种成形过程中薄板的应力应变状态、分布和变化规律的揭示，使我们更为深入地认识和掌握薄板成形问题的特点和规律，探求和发展更为经济、有效的成形方法。薄板成形的实际问题层出不穷，分析计算的方法也多种多样。而工程问题的求解，往往并不片面地强调方法的严谨，追求过高的精度，更重要的是简单便利、行之有效，但必须建立在科学的基础上。,薄板成形问题的众多分析求解方法中，主应力法和塑性材料力学法运用得比较广泛，实际效果也很好。2.2.5.1主应力法主应力法也称为切取微体法，这种方法以求解薄板材料变形区各个主应力的分布规律为目标，并根据问题的需要，在已求得的主应力分布规律的基础上，再进一步求出主应变分布、成形力、变形能等其它问题。其解题方法的基本过程如下：1）针对薄板成形的特点，合理提出一些简化假设。常用假设如：薄板均匀连续各向同性，或在板面内为各向同性，只有厚向异性存在；变形过程近似为简单加载，采用应变全量理论；忽略薄板的厚向应力，认为薄板变形处于平面应力状态；忽略摩擦对应力、应变主轴方向的影响；薄板平面内应力沿板厚均匀分布；忽略其它一些次要因素对变形过程的影响等。2）为了简化计算，以应力、应变主轴作为坐标轴。薄板塑性变形问题的分析计算，目前能够取得明确答案的（即解析解），只有轴对称问题，这类问题的主轴方向极易确定。对于薄板成形的轴对称问题，主轴方向为：切向、径向和厚向。,其次，根据各个成形工序薄板的变形特点，分析判断主轴方向应力、应变分量的性质及存在与否，确定各个分量代数值的大小顺序。3）从薄板变形区内切取任一微体，根据微体的静力平衡条件，建立未知主应力与点的坐标的函数关系。4）建立薄板变形区内任一微体的塑性变形方程，由变形的几何关系、应力、应变之间的物理关系以及最大主应变max的几何特点，将未知主应力再表示为点的坐标的另一函数关系。通常这一函数关系的形式为：如假设材料为理想塑性体，则应力强度为一与变形程度无关的常数，这样求得了问题的结果后，可根据实际情况再加以修正。5）利用边界条件，联立求解以上诸方程，即可获得应力、应变的解析解。6）以此解析解为基础，可进而求得其它有关力、能、变形的结果。2.2.5.2塑性材料力学法,塑性材料力学法着眼于薄板材料变形区内的某一特定点，通过解析法或试验法求出此点的应变分量，再由应变分量得出各个应力分量。这种方法能够避免繁杂甚至不可解决的数学运算，在生产中便于推广运用。在非轴对称的、比较复杂的成形问题分析中，大都运用这一方法进行分析、研究工艺参数和变形条件对薄板成形过程的影响。其解题方法的基本过程如下：1）根据问题的需要，首先定出所要研究的点的部位，采用解析计算法或者试验测量法，求出此点的主应变分量1、2、3。解析计算法为：分析变形过程中研究点所在部位的应力应变状态，确定该点变形主轴方向，由薄板变形前后的几何关系以及体积不变条件，分析计算出主应变分量。试验测量法为：在薄板坯料表面印刷坐标网格，一般为圆形网格。对薄板坯料进行变形试验。变形后，圆形网格成为椭圆形网格，测量椭圆形网格长、短轴的长度（椭圆的长、短轴方向即为主应变方向），按照实际应变的定义和体积不变条件，即可计算出研究点的三个主应变分量大小。2）根据三个主应变，按应变强度的定义确定研究点的应变强度i。3）由材料的一般性应力应变关系，确定研究点的应力强度i。4）利用薄板厚向应力为零的条件，并根据应力、应变关系式计算出板面内的主应力分量。,5）在获得上述结果的基础上，即可根据问题的需要，求得其它有关力、能、变形的结果。2.3板料的冲压成形性能2.3.1冲压成形性能的概念板料对各种冲压成形方法的适应能力，称为板料的冲压成形性能。板料在成形过程中可能出现两种失稳现象，一种是板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂，称为拉伸失稳；另一种是板料在压应力作用下出现起皱，称为压缩失稳。板料失稳之前可能达到的最大变形程度叫成形极限。成形极限分为总体成形极限和局部成形极限。总体成形极限反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度。而局部成形极限则反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度。如复杂制件成形时，局部的极限应变即属于局部成形极限。由于复杂制件变形的不均匀性，各处变形差异很大，因此用局部成形极限来描绘制件上各点的变形程度。总的来说，成形极限愈高，则板料的冲压成形性能愈好。这样的板料便于冲压加工，生产率高，成本低，容易得到高质量的冲压制件。板料的冲压成形性能是一个综合性的概念，它包括了材料的抗破裂性、贴模性和定形性等。抗破裂性可用板料在各种冲压成形工艺中的成形极限来衡量。如极限拉伸系数、极限胀形系数、极限翻边系数等都与材料的抗破裂性有关。板料的冲压成形性能愈好，板料的抗破裂性也愈好，其成形极限就愈高。,板料的贴模性是指板料在冲压成形中取得与模具形状一致性的能力。由于各方面因素的影响，板料在冲压成形中会发生起皱、翘曲、塌陷和鼓起等缺陷，使贴模性降低。板料的定形性是指零件脱模后保持其在模具内既得形状的能力。影响定形性的诸因素中，由于弹塑性共存现象而带来的弹性回复（简称回弹）是主要因素，制件脱模后，常因回弹过大而产生较大的形状误差。板料的贴模性和定形性是决定制件形状尺寸精度的重要因素。研究和提高板料的贴模性和定形性，对提高冲压件质量尤其是汽车覆盖件等大而复杂制件的成形质量有较大的意义。这方面的研究及其试验方法在发达工业国家已经取得较好的进展，工艺应用比较成熟，汽车覆盖件等大而复杂制件的质量很高。我国亦在“七五”期间将“薄板成形性能研究”列为国家重点科技攻关项目。经过多年的攻关研究，在薄板成形性能的基础理论及检测评定方法、提高薄板成形性能的冶金生产工艺与技术、充分发挥和合理使用薄板成形性能的方法与途径等方面取得了一系列研究成果，但总体水平和发达工业国家相比仍有较大的差距。目前我国在冲压生产和板料生产中，仍然用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的主要指标。即除了制件形状、冲压工艺、模具、设备及操作等诸因素外，板料性能的影响十分重要，尤其对复杂和精密成形件的影响更为显著。很多事实表明，大力提高板材的冲压成形性能比单纯提高冲压工艺及模具技术更具有现实意义。,2.3.2冲压成形性能的试验方法现在有很多种板料冲压成形性能的试验方法，概括起来，可以分为间接试验和直接试验两类。1、间接试验间接试验方法有拉伸试验、硬度试验、金相试验等，尤其是拉伸试验简单易行。虽然试验时试样的受力情况和变形特点与实际冲压变形有一定的差别，但研究表明，这种试验能从不同角度反映板材的冲压成形性能，因此板材的拉伸试验是一种很重要的试验方法。2、直接试验直接试验也称模拟试验，是直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样。由于应力应变状态基本相同，故试验结果能更确切的反映这类成形方式下板料的冲压成形性能。直接试验方法有多种，常用有以下两种：1）胀形成形性能试验2）拉深成形性能试验其它直接试验方法还有弯曲、扩孔、拉深一胀形复合成形性能试验等，具体试验方法可查阅有关标准。此外，生产中为了解决一些具体问题，例如为了分析材料的流动与变形方式，以便确定合理的毛坯形状和尺寸、修改模具、改进润滑或提出改进零件设计的建议等，常利用应变分析网格法来进行更为直接的工艺试验。这种方法的实质是：在毛坯表面预先作出一定尺寸的小圆圈或小方格的密集网格，压制成形后，观察测定网格的变形，以此作为分拆零件变形情况的根据。此法对于成形复杂的关键零件，有直接的实用价值。,2.3.3板料的基本冲压性能拉伸试验所得到的表示材料力学性能的指标与冲压成形性能有密切的关系。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、屈服强度s屈服强度s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，并且屈服强度小，当压缩变形时，因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小，即贴模性与定形性均好。2、屈强比s/b屈强比小说明s值小而b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出现起皱，而传力区的材料又有较高强度而不易出现拉裂，有利于提高拉深变形程度。我国冶金标准规定，用于拉深最复杂零件的深拉深用ZF级钢板，其屈强比不大于0.66。,3、伸长率拉伸实验中，试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率。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u。u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，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材料的硬化程度。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，即“弱区先变形”的原则，变形总是在最弱面处进行，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区域进行，,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、厚向异性系数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的比值，即式中厚向异性系数；b、t宽度、厚度方向的应变。厚向异性系数表示板料在厚度方向上的变形能力，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。值对压缩类变形的拉深影响较大，当值增大，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，因此值大时，有助于提高拉深变形程度。板料在轧制时形成纤维组织，各向力学性能不均匀，所以值在不同方位也不一样。因此常取板料方向（板料轧制方向）、横向和45方向的试件所得数据的平均值作为厚向异性指标，用表示：,6、板平面各向异性指数板料在不同方位上厚向异性系数不同，造成扳平面内各向异性。用表示：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。2.3.4冷冲压工艺常用材料2.3.4.1冲压对板料的基本要求冲压对板料的要求首先要满足对产品的技术要求，如强度、刚度等力学性能指标要求，还有一些物理化学等方面的特殊要求，如电磁性、防腐性等；其次还必须满足冲压工艺的要求，即应具有良好的冲压成形性能。为满足上述两方面的要求，冲压工艺对板料的基本要求如下：1、对力学性能的要求板料力学性能对冲压成形性能有着密切的关系，力学性能的指标很多，其中尤以伸长率（）、屈强比（s/b）、弹性模数（E）、硬化指数（n）和厚向异性系数（）影响较大。一般来说，伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和厚向异性系数大有利于各种冲压成形工序。2、对化学成分的要求,板材的化学成分对冲压成形性能影响很大，如在钢中的碳、硅、锰、磷、硫等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成形性能变坏。一般低碳沸腾钢容易产生时效现象，拉深成形时出现滑移线，这对汽车覆盖件是不允许的。为了消除滑移线，可在拉深之前增加一道辊压工序，或采用加入铝和钒等脱氧的镇静钢，拉深时就不会出现时效现象。铝镇静钢08Al按其拉深质量分为三级：ZF（最复杂）用于拉深最复杂零件，HF（很复杂）用于拉深很复杂零件，F（复杂）用于拉深复杂零件。其它深拉深薄钢板按冲压性能分：Z（最深拉深）、S（深拉深）、P（普通拉深）三级。3、对金相组织的要求由于对产品的强度要求与对材料成形性能的要求，材料可处于退火状态（或软态）（M），也可处于淬火状态（C）或硬态（Y）。使用时可根据产品对强度要求及对材料成形性能的要求进行选择。有些钢板对其晶粒大小也有一定的规定，晶粒大小合适、均匀的金相组织拉深性能好，晶粒大小不均易引起裂纹，深拉深用冷轧薄钢板的晶粒为68级。过大的晶粒在拉深时产生粗糙的表面。此外，在钢板中的带状组织与游离碳化物和非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能。4、对表面质量的要求材料表面应光滑，无氧化皮、裂纹、划伤等缺陷。表面质量高的材料，成形时不易破裂，不易操伤模具，零件表面质量好。优质钢板表面质量分3组：组（高质量表面）、组（较高质量表面）、组（一般质量表面）。,5、对材料厚度公差的要求在一些成形工序中，凸、凹模之间的间隙是根据材料厚度来确定的，尤其在校正弯曲和整形工序中，板料厚度公差对零件的精度与模具寿命会有很大的影响。厚度公差分：A（高级）、B（较高级）、和C（普通级）三种。2.3.4.2常用冲压材料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1Cr18NigTi，1Cr13等，用以制造有防腐蚀防锈要求的零件。有色金属常用的有铜及铜合金，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1060、1050A、3A21、2A12等，有较好塑性，变形抗力小且轻。,非金属材料有胶木板、橡胶、塑料板等。冲压用材料最常用的是板料，常见规格如710mm*1420mm和1000mm*2000mm等。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、C三种；按表面质量可分为组、组、组三种。用于拉深复杂零件的铝镇静钢板，其拉深性能可分为ZF、HF、F三种。一般深拉深低碳薄钢板可分为Z、S、P三种。板料供应状态可分为：退火状态M、淬火状态C、硬态Y、半硬（12硬）Y2等。板料有冷轧和热轧两种轧制状态。2.4练习思考题1、什么是金属的塑性变形？其变形的实质是什么？2、什么是塑性变形体的残余应力？其对制品质量的影响如何？3、什么是金属材料性能的各向异性？其对制品质量的影响如何？4、什么是金属材料的加工硬化？其对制品加工的影响如何？5、什么是金属的塑性？谈一谈静水压力对常温下塑性的影响？6、优质冲压板材的成份和组织应有什么基本要求？为什么？,7、什么是金属的弹塑性共存规律？其对冲压工艺和制品质量有何重要影响？8、为什么采用真实应力应变曲线对冲压工艺的力学分析、确定工艺参数和处理生产实际问题具有重要意义？9、用于冲压的材料有什么基本要求？为什么？,第三章冲裁工艺,冲裁是利用模具使板料分离的冲压工序，其所使用的模具称为冲裁模具。冲裁工艺种类很多，是断裂分离工序的总称，其中又以冲孔和落料两种工序应用最多。冲裁是冲压工艺的最基本工序之一，在冲压加工中应用极广。冲裁比火焰切割、锯切、切削及磨削等加工方法具有效率高、质量好、成本低、适合于成批大量生产等突出优点。冲裁工艺可以直接冲出成品制件，也可以为弯曲、拉深等其它工序准备毛坯，还可以在已成形的制件上进行再加工。在一般企业的冷冲压生产中，冲裁所占的比例很大，往往超过60%。,3.1板料冲裁工艺过程3.1.1板料冲裁过程分析冲裁过程中，凸模1与凹模3具有与工件轮廓一样的刃口，凸凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块将凸模推下时，便将放在凸、凹模中间的板料4冲裁成所需形状和尺寸的制件,凸模回程时由卸料板2将卡在凸模上的条料卸下。上述冲裁过程是在瞬间完成的。为了控制冲裁件的质量，就需要研究冲裁的变形过程。如右图所示，当模具间隙正常时，这个变形过程大致分为三个阶段。3.1.1.1弹性变形阶段如图所示，当凸模下压并开始接触板料时，材料进入短暂的弹性变形阶段。此时凸模下的材料略有拱弯，凹模上的材料则向上翘。间隙越大，穹弯和上翘越严重。凸、凹模刃口附近的板料产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等复杂的变形，并略有挤入凹模洞口的现象。随着凸模继续压入，直到材料内的应力达到弹性极限。3.1.1.2塑性变形阶段如图所示，当凸模继续压入，板料内的应力达到屈服点，板料与凸模和凹模的接触处产生塑性剪切变形。凸模切入板料，板料挤入凹模洞口。在板料剪切面的边缘由于弯曲、拉伸等作用形成塌角（又称为圆角带），同时由于剪切变形在切断面上形成一小段光亮且与板面垂直的剪切面（又称为光亮带）。材料内的纤维组织产生更大的弯曲和拉伸变形。随着凸模的不断压入，材料的变形程度及变形抗力不断上升，凸、凹模刃口,附近的应力集中进一步加剧，直到分离变形区的应力达到强度极限。3.1.1.3断裂分离阶段如图所示为断裂分离的全过程。其中当凸模切入板料达到一定深度时，在凹模侧壁靠近刃口处的材料首先产生微裂纹，意味着塑性变形的结束和断裂分离的开始。微裂纹一旦出现即会迅速向材料内部扩展。当凹模侧壁刃口附近产生微裂纹后，紧接着在凸模侧壁刃口附近也产生了微裂纹。上、下裂纹分别向各自的方向扩展。当上、下裂纹在扩展的过程中相遇时，板料便断裂分离开来，形成粗糙的断裂面（又称为断裂带），并被继续下压的凸模推入凹模洞口内。至此，冲裁变形过程完全结束，凸模回升到起点，准备下一个冲裁过程。3.1.2冲裁变形区受力分析3.1.2.1板料的受力状态在自由冲裁时，即没有压板和顶出器的情况下，板料冲裁变形区的受力状态如左图所示。由于凸、凹模之间存在间隙，使得板料在受到凸、凹模正压力作用的同时还受到弯矩M的作用。力矩M使板料产生了弯曲变形，造成凹模口外的板料上翘，凸模端面下的板料下凹。故冲裁时凸、凹模与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触，接触面宽度约为板料厚度的20%-40%。,因此凸、凹模作用于上、下板面的正压力的分布是不均匀的，越靠近刃口压力越大。由于板料的弯曲变形，对凸、凹模刃口的侧壁产生了挤压作用，同时刃口侧壁也对材料产生了反挤压。反挤压形成了弯矩M，其方向与弯矩M相反，阻止了板料的进一步弯曲变形。因此自由冲裁时冲压制件虽有一定的不平整度，但程度有限，对要求不高的制件是可以接受的。在剪切变形时，由于凸、凹模与材料接触面的相对运动而产生了摩擦力。刃口侧壁的摩擦力对板料断裂分离过程的影响要比端面的摩擦力大得多，但其影响机制尚需进一步研究。另外，摩擦力对凸、凹模刃口造成的磨损是影响模具寿命的重要因素之一。3122剪切变形区的应力状态自由冲裁时的应力状态如左图所示。实验证实，冲裁时板料最大的塑性变形集中在以凸模与凹模刃口连线为中线的纺锤形区域内，如图中红色区域所示。纺锤形内以剪切变形为主。当凸模与凹模的间隙较小时，纺锤形区域的宽度将减小，冲裁变形将更接近剪切。由上述板料的受力状态分析可知，由于弯曲的影响，材料的变形及受力情况是比较复杂的，且与变形的过程有关。图中给出了与断裂分离有关的一些特征点的应力状态和变形区应力的大致分布状态。其中：,A点：位于凸模端面靠近刃口处，受凸模压力的作用，并处于弯曲内侧，故此处受三向压应力作用，且为强压应力区。B点：位于凹模端面靠近刃口处，受凹模压力的作用，并处于弯曲外侧，故厚向应力z为压应力，径向应力和切向应力均为拉应力，但以压应力为主。C点：位于凸模侧壁靠近刃口处，受凸模的拉拽、侧壁上摩擦力和侧向挤压力的作用，故厚向z为拉应力，径向为压应力，而切向为板料弯曲引起的压应力和侧向挤压力引起的拉应力的合成应力，一般为压应力。D点：位于凹模侧壁靠近刃口处，受凸模下压引起的拉应力和侧壁摩擦力的作用，厚向z为拉应力。凹模侧向挤压力引起了径向压应力和切向拉应力，另一方面板料的弯曲又引起径向拉应力和切向压应力，因此径向和切向均为合成应力，一般都是拉应力，D点为强拉应力区。对于上述四个点的应力，可以只考虑绝对值最大的主应力，这样能够使问题简化。此时A、B点均受压应力，而C、D点均受拉应力。再进而将变形区划分为四个应力区，其分布构成了“8”字型，如图所示。从图中可以看出，凸、凹模端面（A、B点）的静水压力高于侧壁（C、D点）的，且凸模刃口附近的静水压力又比凹模刃口附近的高。这一结论与日本学者岩田一明用有限元法计算出的应力分布基本相符。,3.1.2.3裂纹的产生与发展由上述变形区应力特征点的分析可知，凹模侧壁靠近刃口处的静水压力最低，材料呈现的塑性较差。当凸模切入板料一定深度时，由于加工硬化和组织缺陷的增多，促使材料塑性进一步降低。随着材料内部的应力达到强度极限，裂纹首先在凹模侧壁刃口处出现。如左图所示，当凸模与凹模的间隙正常时，裂纹的发展可能有两种方式：一是如A曲线所示，凹模侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中，因为进入压应力区比较困难，此时在凸模刃口侧壁也将产生裂纹，上、下裂纹对向发展，贯通后便使冲裁件断裂分离开来。第二种如B曲线所示，凹模刃口侧壁产生的裂纹选择静水压力较低的路径发展，且直接到达凸模刃口侧壁而贯通。比较而言，第一种情况比较多见。由于裂纹起点不可能在刃尖处，而只能在稍离开刃尖的刃口侧面，因此冲裁件沿冲裁轮廓的周边总要不可避免地残留下有害的毛刺。落料件的毛刺在凸模一侧，而冲孔件的毛刺在凹模一侧。毛刺的截面呈三角形，带有尖锋，并高出板平面，常成为冲裁件的主要质量问题。3.1.2.4冲裁件断面特征由前述可知，在正常的冲裁条件下，上、下裂纹发展到最后是重合的，这时可以得到如右图所示的冲裁件断面，其具有四个明显的特征区,3.1.2.4冲裁件断面特征由前述可知，在正常的冲裁条件下，上、下裂纹发展到最后是重合的，这时可以得到如左图所示的冲裁件断面，其具有四个明显的特征区：1）圆角带，又称塌角。是在凸、凹模刃口刚切入板料时，刃口附近材料受弯曲、拉伸作用而形成的。材料的塑性越好，凸模与凹模的间隙越大，形成的圆角也越大。对于轮廓复杂的冲裁件沿轮廓的周边受力情况差异较大，圆角的大小也可能区别较大。2）光亮带。是在剪切变形的过程中，毛坯一部分相对于另一部分移动时刃口侧壁挤压材料而产生的。光亮带表面光滑且垂直于板料底面，是理想的冲裁断面。如图中所示，冲裁件的尺寸精度就是以光亮带处的尺寸来测量的。通常光亮带的高度约占板厚的1/31/2左右，材料塑性越好，凸模与凹模的间隙越小，光亮带的高度就越大。另外光亮带高度还与模具刃口的磨损程度等加工条件有关。3）断裂带，又称撕裂带。是由冲裁产生的裂纹扩展相遇而形成的。断裂带表面粗糙，并带有40-60（图中的角）的内斜角，对于一般用途的冲裁件并不影响其使用性能。但对于以断面为主要工作面的零件（齿轮、凸轮等）来说，一般冲裁件的断面是不能满足其使用要求的。,4）毛刺。是由于裂纹的起点离开了刃尖，在刃口侧壁产生而形成的。毛刺的产生在通常冲裁条件下无法避免，且影响冲裁件的外观、手感和使用性能，因此毛刺的高度要求越小越好。此外，若忽略材料的弹塑性共存规律的影响，则可认为落料件的尺寸与凹模形孔尺寸一致，而冲孔的尺寸与凸模尺寸一致。由此得出如下重要关系：落料尺寸=凹模尺寸冲孔尺寸=凸模尺寸这是计算凸、凹模尺寸的主要依据。3.2冲裁间隙冲裁间隙是指凹模与凸模刃口横向尺寸的差值，即Z=D凹-D凸如无特殊说明，冲裁间隙通常是指双边间隙，单边间隙用Z/2表示。冲裁间隙对冲裁件的质量、冲裁力、模具寿命都有很大的影响。当选取的冲裁间隙值差别较大时，将直接影响冲裁模的结构设计、制造工艺和成本。因此冲裁间隙是冲裁工艺与模具设计中的一个极其重要的问题，是最重要的工艺参数。3.2.1冲裁间隙对冲裁件质量的影响,冲裁件质量是指其断面质量、毛刺、尺寸和形状精度、表面平整度等。不同行业和产品对冲裁件质量内容的要求是不一样的，目前还缺乏统一的质量标准。3.2.1.1间隙对冲裁件断面质量的影响冲裁件的断面质量包括圆角的大小、光亮带所占厚度的比例及表面粗糙度、断裂带斜角大小、毛刺高度等。1）对于常用的塑性材料，当冲裁间隙取在一定合理值的范围内时，如左图所示，上、下裂纹在发展的过程中相遇，断裂分离过程能够正常地完成。所得断面有一微小的塌角，光亮带与板面垂直，且高度约占板料厚度的1/31/2。断裂带虽然粗糙但比较平坦，且斜角和毛刺都不大。这样的断面质量虽不尽如意，但从冲裁变形的机理来讲是比较正常的，对于断面质量要求不高的产品，是能够满足使用要求的。2）当冲裁间隙值过小时，如左图所示，由于弯曲作用的减小，冲裁变形区的静水压力明显增大。从凹模刃口侧壁产生的裂纹在向凸模刃口方向发展的过程中将进入强压应力区，使裂纹无法继续扩展而隐没在材料内部，成为潜伏裂纹。当凸模继续下压时，将发生二次剪切现象。当冲裁间隙极小时，如Z/t2%（t为板料厚度），因静水压力作用的增强，裂纹不易向深层发展，形成深度不大的潜伏裂纹，随之产生了第二次剪切现象，冲裁结束时将形成明显的第二光亮带。在第一与第二光亮带之间有区域较小的断裂带，但总光亮带的高度可达板厚的50%70%，且圆角的,高度也很小，约占板厚的2%5%。另外毛刺高度虽有所增加，但因是挤出毛刺，根部强度较小，通过振动或滚压等方法容易去处。当冲裁间隙略有增大时，Z/t约为2%5%。因为静水压力作用有所减弱，下裂纹可能向材料深处发展，形成较深的潜伏裂纹。如图所示，此时第二光亮带将呈块状分布。如果材料的硬度较小且呈粘性，则第二光亮带在剪切时产生的摩擦力较大，潜伏裂纹将被进一步撕开，并与第二光亮带形成强度较小的尖舌状的断面，称为舌片（或舌翘）。这样的冲裁件如在使用中发生舌片脱落现象，则可能造成意外事故。总之，当冲裁间隙较小时，所得冲裁件的光亮带分布、圆角、毛刺、表面平整度等质量状况相比正常冲裁时还是比较好的。3）当冲裁间隙过大时，Z/t约为25%30%以上。由于弯矩的增大，凹模刃口侧壁处的材料所受的拉应力将明显增大，材料的塑性变得较差。如右图所示，在凸模切入板料深度不大时，凹模刃口侧壁处的裂纹提前产生，这时凸模刃口侧壁往往不产生裂纹。凹模刃口侧壁处的裂纹一般发展不大就停止了，当凸模下压达到一定程度时，裂纹至凸模刃口侧壁处的材料才逐渐缩颈直至断裂。所得的冲裁件断面质量变坏，圆角高度、断裂带高度及斜角将比正常冲裁时明显增大，光亮带宽度大大减小，同时冲裁件表面的不平度将增大，自由冲裁