金属冲压工艺及模具设计讲义

金属冲压工艺及模具设计讲义引言金属冲压，作为一种高效、低成本的金属塑性成形方法，在现代制造业中占据着举足轻重的地位。从汽车零部件到电子器件，从家用电器到航空航天构件，冲压件以其优良的尺寸精度、互换性和力学性能，广泛应用于各个领域。本讲义旨在系统阐述金属冲压工艺的基本原理、主要工序类型、模具的构成与设计要点，以及相关的工艺分析方法，为从事冲压工艺及模具设计的工程技术人员提供理论与实践指导。理解冲压过程中的材料变形规律，掌握模具设计的核心技术，是确保冲压生产顺利进行、保证产品质量、提高生产效率的关键。一、冲压工艺基础1.1冲压工艺的特点与分类冲压工艺是在室温下，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，从而获得所需形状和尺寸的工件（冲压件）的一种加工方法。其主要特点包括：*高效性：生产率高，适合大批量生产，特别是采用多工位级进模时，可实现工序集中，大幅提高生产效率。*经济性：材料利用率较高，一般无需切削加工或只需少量切削加工，节省原材料和能源。*高精度与互换性：冲压件尺寸精度由模具保证，因此具有较高的尺寸一致性和互换性。*复杂性与轻量化：可以制造出形状复杂、刚度好、重量轻的零件，这是其他加工方法难以比拟的。冲压工艺根据其变形性质和目的，主要可分为两大类：分离工序和成形工序。分离工序是使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离的工序，如冲裁、切断等。成形工序是使板料在不破裂的条件下发生塑性变形，获得所需形状和尺寸的工序，如弯曲、拉深、胀形、翻边等。1.2冲压材料及其性能冲压所用的材料主要是金属板料和带料，有时也使用管材和型材。材料的冲压性能直接影响冲压工艺的可行性、产品质量及模具寿命。评价材料冲压性能的主要指标包括：*塑性：材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力，是成形工序的关键指标。通常用伸长率、断面收缩率等来衡量。*屈服强度与抗拉强度：屈服强度低，材料容易成形，所需变形力小；抗拉强度高，则材料的承载能力强。屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）小，材料的成形稳定性好，不易产生破裂。*硬度：反映材料抵抗局部变形的能力，硬度适中有利于冲压成形和模具寿命的平衡。*板厚方向性系数（r值）：表示板料在不同方向上抵抗厚度减薄的能力，r值大，材料在宽度方向上的变形能力强，有利于提高拉深件的成形极限。*板平面方向性：板料在平面内不同方向上的性能差异，会导致冲压件产生不均匀变形，应尽量选择各向异性小的材料。常用的冲压材料有低碳钢（如Q235、SPCC）、低合金钢、不锈钢、铝合金、铜合金等。在实际生产中，应根据产品的使用要求、结构特点、冲压工艺类型以及生产成本等因素，综合选择合适的材料。1.3主要冲压工序1.3.1分离工序冲裁：冲裁是利用模具使板料沿着一定轮廓线产生分离的工序，是冲压加工中最基本、应用最广泛的工序之一。它包括落料和冲孔。落料是从板料上分离出所需形状和尺寸的工件（或毛坯）的工序；冲孔则是在工件上冲出所需形状的孔。冲裁过程大致可分为弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。冲裁质量主要取决于模具间隙、刃口锋利程度、材料性能及厚度等因素。合理的冲裁间隙是保证冲裁件断面质量、尺寸精度和提高模具寿命的关键。切断：切断是将板料或卷料沿不封闭轮廓进行分离的工序，常用于下料。切边与切口：切边是将成形后的半成品边缘多余的部分切除，以获得准确的外形尺寸；切口是在板料上沿敞开轮廓冲出缺口，但材料并未完全分离。1.3.2成形工序弯曲：弯曲是将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度的工件的工序。弯曲过程中，材料的外层纤维受拉，内层纤维受压。当外层拉应力超过材料的抗拉强度时，会产生破裂。弯曲回弹是弯曲工艺中一个重要的问题，指弯曲卸载后，工件的弯曲角度和曲率半径与模具相应尺寸不一致的现象，设计模具时必须予以考虑并采取措施补偿。拉深：拉深（又称拉延）是将平面板料毛坯通过拉深模具压制成各种开口的空心件，或将已制成的空心件进一步制成其他形状和尺寸的空心件的工序。拉深是一个复杂的塑性变形过程，主要变形区为毛坯的凸缘部分，该部分在径向拉应力和切向压应力的作用下产生塑性变形，逐渐被拉入凹模形成筒壁。拉深过程中易出现起皱和破裂等缺陷。防止起皱通常采用压边圈；防止破裂则需要合理确定拉深系数、模具工作部分尺寸与圆角、润滑条件等。胀形：胀形是利用模具使板料毛坯的局部产生塑性变形，以获得所需的凸起或凹进形状的工序。胀形主要用于加强筋、凸包、凹坑等局部成形。胀形时材料主要受径向和切向拉应力，变形区材料厚度变薄，应避免过度变形导致破裂。翻边：翻边是将工件的孔边缘或外边缘在模具的作用下翻成竖立的直边的工序。根据翻边的部位，可分为内孔翻边（翻孔）和外缘翻边。翻孔是在预先制有孔的毛坯上，将孔的边缘翻成有一定高度的竖边；外缘翻边则是将工件的外缘翻成竖边。翻边时材料主要承受拉应力，其成形极限与材料的塑性、翻边高度、凸凹模圆角等有关。缩口与扩口：缩口是将空心件或管状毛坯的开口端直径缩小的工序；扩口则是将其开口端直径扩大的工序。这两种工序主要用于管材或空心件的端部成形。旋压：旋压是一种特殊的成形方法，通过旋轮对旋转的毛坯施加压力，使毛坯逐渐变形成为所需形状的工件。旋压适合于制造回转体类零件。二、冲压模具基础2.1冲压模具的基本结构冲压模具（简称冲模）是实现冲压工艺的专用工具，其结构由上模和下模两部分组成。上模一般固定在压力机的滑块上，随滑块一起上下运动；下模则固定在压力机的工作台上。一套典型的冲裁模主要由以下部分构成：*工作零件：直接对毛坯进行加工，使其产生分离或变形的零件。包括凸模（冲头）、凹模和凸凹模（复合模中同时具有凸模和凹模作用的零件）。*定位零件：用于确定毛坯在模具中的正确位置。如挡料销、导料板、定位销、定位板等。*导向零件：保证上模和下模在冲压过程中能够准确对合。如导柱、导套、导板等。*卸料与推件零件：将冲压后卡在凸模上或留在凹模内的工件或废料卸下或推出。如卸料板、卸料弹簧、推件块、顶件块、推杆等。*模架零件：将模具的各个部分按一定的规律和位置加以组合和固定，并使模具能够安装到压力机上工作的零件。如上模座、下模座、模柄等。*紧固零件：用于将模具各零件紧固连接成一个整体。如螺钉、销钉等。对于不同的冲压工序，模具的具体结构会有所差异，但上述基本组成部分是共通的。2.2冲压模具的分类冲压模具的种类繁多，可按不同的方式进行分类：*按冲压工序性质分类：可分为冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模（如胀形模、翻边模）等。*按工序组合程度分类：*单工序模（简单模）：在一副模具中只完成一道冲压工序。结构简单，制造周期短，成本低，但生产率也低，适用于小批量生产。*复合模：在一副模具的同一工位上，同时完成两道或两道以上不同冲压工序的模具。生产率高，工件精度高，特别是孔与外形的相对位置精度，但结构复杂，制造难度大，成本高，适用于大批量生产。*级进模（连续模、跳步模）：在一副模具的不同工位上，依次完成多道冲压工序的模具。毛坯在送料机构的带动下，逐步通过各个工位完成不同的加工，最终得到成品。级进模生产率极高，易于实现自动化，是大批量生产中广泛采用的模具类型。但级进模结构复杂，设计和制造难度大，成本高，对模具材料和加工精度要求也高。*按模具导向方式分类：可分为无导向模（敞开模）、导板模、导柱导套模等。导柱导套模导向精度高，模具寿命长，应用最为广泛。2.3模具材料的选择模具材料是模具的重要组成部分，其性能直接影响模具的寿命、制造精度、成本和冲压件质量。模具零件根据其工作条件和作用的不同，对材料的要求也不同。工作零件（凸模、凹模、凸凹模）：是模具的核心零件，直接与坯料接触，承受巨大的冲击力、挤压力、摩擦力和弯曲应力，因此要求材料具有高硬度、高耐磨性、足够的强度和韧性，以及良好的加工工艺性。常用的材料有：*碳素工具钢：如T10A、T12A等，价格低廉，但淬透性差，耐磨性和韧性一般，适用于制造尺寸小、形状简单、批量不大的模具。*合金工具钢：如Cr12、Cr12MoV、CrWMn等，具有较高的淬透性、硬度和耐磨性，是目前模具工作零件的常用材料。*高速钢：如W18Cr4V，具有极高的硬度、耐磨性和热硬性，适用于制造要求高寿命、复杂形状或高速冲压的模具。*硬质合金：如WC-Co类硬质合金，硬度和耐磨性极高，但韧性较差，适用于大批量、高速冲压，或加工硬材料的模具，通常采用镶拼结构。*模具钢：如基体钢、时效硬化型钢等，具有优良的综合力学性能，适用于制造高性能、复杂模具。模架零件（上模座、下模座、导柱、导套等）：要求有足够的强度、刚度和导向精度，通常选用中碳钢或合金钢制造，如45钢、40Cr等，并进行适当的热处理（如调质）。定位、卸料、导向等辅助零件：一般选用中碳钢（如45钢）制造，根据需要进行调质或表面淬火处理。选择模具材料时，应综合考虑冲压件的材料与厚度、批量大小、精度要求、模具类型与结构、以及经济性等因素。三、主要冲压模具设计要点3.1冲裁模设计冲裁模设计的核心是保证冲裁件的质量（断面质量、尺寸精度、形状精度），提高模具寿命，并考虑操作的安全性与便利性。凸凹模间隙：冲裁间隙是指凸模刃口与凹模刃口之间的间隙。它对冲裁件的断面质量、尺寸精度、冲裁力、模具寿命均有显著影响。间隙过小，断面光亮带大，毛刺小，但模具刃口磨损严重，寿命低，冲裁力大；间隙过大，断面塌角大，毛刺大，尺寸精度下降，但冲裁力小，模具寿命相对较高。设计时应根据材料种类和厚度选取合理的间隙值，通常推荐采用“合理间隙范围”的中间值。凸凹模刃口尺寸计算：冲裁件的尺寸精度主要由凸凹模刃口尺寸决定。其计算原则是：落料时，应以凹模为设计基准，凹模刃口尺寸取接近工件的最小极限尺寸，凸模刃口尺寸则按凹模刃口尺寸减去间隙值；冲孔时，应以凸模为设计基准，凸模刃口尺寸取接近工件孔的最大极限尺寸，凹模刃口尺寸则按凸模刃口尺寸加上间隙值。同时，还需考虑模具的磨损规律，对刃口尺寸进行必要的修正。模具结构形式选择：根据生产批量、冲压件精度要求、形状复杂程度等选择单工序模、复合模或级进模。对于级进模，还需合理设计排样图，确定各工序的顺序和位置，设置必要的载体和导向孔。卸料与出件装置设计：保证冲压后工件或废料能顺利从模具中卸下或推出，避免堵塞模具。常用的卸料方式有弹性卸料和刚性卸料；出件方式有推件、顶件和漏料。定位装置设计：保证毛坯在模具中的正确位置，以确保冲裁件的尺寸精度和形状精度。定位零件包括挡料销、导料板、侧刃、定位板等。3.2弯曲模设计弯曲模设计的要点是保证弯曲件的角度精度和形状精度，防止出现回弹、起皱、破裂等缺陷，并便于工件的放入和取出。弯曲半径：弯曲件的最小弯曲半径是一个重要的工艺参数，它受材料性能、弯曲方向（与板料纤维方向的关系）、板料厚度等因素的影响。弯曲半径过小，会导致外层纤维破裂；过大则回弹难以控制。设计时应选择大于或等于材料允许的最小弯曲半径。凸凹模工作部分尺寸与间隙：弯曲凸模和凹模的圆角半径应根据弯曲件的弯曲半径和板料厚度确定。凹模圆角半径对弯曲力和工件质量影响较大，一般取板厚的2~5倍。凸凹模之间的间隙通常略大于板料厚度，并考虑材料厚度的公差。回弹的控制与补偿：回弹是弯曲工艺中不可避免的现象。为保证弯曲件的角度精度，设计弯曲模时必须对回弹进行补偿。常用的方法有：根据经验或计算，使模具的工作部分制成与回弹方向相反的角度；采用校正弯曲，增加弯曲力；采用拉弯工艺等。定位与导向：弯曲模的定位应确保毛坯在弯曲过程中不发生偏移。对于复杂形状的弯曲件，定位要可靠。导向精度要高，以保证弯曲件的精度和模具寿命。弯曲件的取出：设计时应考虑弯曲后工件能顺利从模具中取出，特别是对于U形、V形等弯曲件，凹模和凸模的结构应便于取件。有时需要设计顶出装置或卸料装置。3.3拉深模设计拉深模设计较为复杂，需要综合考虑多个因素以防止起皱、破裂等缺陷，并保证拉深件的尺寸精度和表面质量。拉深系数与拉深次数：拉深系数是衡量拉深变形程度的重要参数，用拉深后工件的直径与毛坯直径之比表示。拉深系数越小，变形程度越大。由于材料塑性的限制，单次拉深的变形程度是有限的。当工件的拉深系数小于材料允许的最小单次拉深系数时，需要进行多次拉深。总拉深系数等于各次拉深系数的乘积。设计时需合理确定每次拉深的拉深系数和拉深次数。毛坯尺寸计算：拉深件的毛坯尺寸应根据体积不变原理（或面积不变原理，忽略板厚变化时）进行计算。对于旋转体拉深件，通常采用等面积法计算毛坯直径。凸凹模工作部分尺寸与圆角半径：*凹模圆角半径：对拉深过程影响很大。圆角半径过大，会减小压边圈的压边效果，易导致毛坯起皱；圆角半径过小，则毛坯在经过凹模圆角时变形阻力增大，易拉裂。一般根据板料厚度和拉深件尺寸确定。*凸模圆角半径：过小会增加材料在凸模圆角处的弯曲变形和摩擦阻力，导致此处变薄严重甚至破裂。一般取比凹模圆角半径小一些的值。*凸凹模间隙：拉深模的间隙通常大于板料厚度。间隙过大，拉深件回弹大，尺寸精度低，易产生锥度；间隙过小，摩擦阻力大，工件表面易擦伤，模具寿命低。间