材料与成形技术
冲压成形及先进锻压技术
3.4 板料冲压
板料冲压是利用装在冲床上的设备(冲模) 使板料产生分离或变形的一种塑性成形方法。它主要用于加工板料(10mm以下，包括金属及非金属板料) 类零件, 故称为板料冲压。
冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率δ≥16%、屈强比σs /σb ≤70%，低合金高强度钢δ≥14%、δs /δb ≤80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。
1. 板料冲压分类
按照冲压时的温度情况有冷冲压和热冲压两种方式。这取决于材料的强度、塑性、厚度、变形程度以及设备能力等，同时应考虑材料的原始热处理状态和最终使用条件。 ① 冷冲压：
金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm 的坯料。优点为不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低，缺点是有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。冷冲压要求坯料的厚度均匀且波动范围小，表面光洁、无斑、无划伤等。 ② 热冲压：
将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法。优点为可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的动力消耗。
2. 板料冲压特点
① 生产率高(靠模具设备成形，操作简便，易实现“两化”)。
② 可成形复杂形状的制件, 而且废料少，材料利用率高。
③ 制件尺寸精度高、表面质量好、互换性好, 不需机加工
④ 制件强度高、刚性好、重量轻。
⑤ 加工成本低
⑥ 采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理，加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件，可方便进行CAD/CAPP/CAM。
3. 应用
冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件，又能够制造精密(公差在微米级) 和复杂形状的零件。占全世界钢产60%～70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、日常用品、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，都有广泛的应用。
4. 冲压设备
冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床的主要用途是把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料。冲床主要用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。
动画1 剪床
3.4.1 冲压基本工序及工艺过程
一、 分离工序：
将冲压件与板料按要求的轮廓线分离的工序，如剪切、落料、冲孔。落料和冲孔总称为冲裁。
动画2 分离工序分类
动画3冲裁变形和断裂
动画4 冲裁区应力和应变情况
1. 冲裁工序工艺分析
1） 冲裁变形的特点及应力分析
① 弹性变形阶段 ② 塑性变形阶段 ③ 断裂阶段
2) 冲裁件的质量：
① 蹋角带
② 光亮带：表面光滑, 断面质量最好。
③ 剪裂带：表面粗糙, 略带斜度。
④ 毛刺：微裂纹出现时产生, 冲头继续下行时被拉长。
3）影响因素：
① 被冲材料；② 凸、凹模间隙ｚ
此外，还与材料厚度、刃口锋利程度、模具结构等因素有关，其中ｚ的影响尤为严重。
4）模具间隙
模具间隙大小直接影响冲裁件的质量、冲裁力的大小和模具寿命。间隙合适时，上下裂纹自然汇合，冲裁件断口表面平整、毛刺小，光亮带约为厚度的1/3左右，且冲裁力小；间隙过大时，材料的弯曲拉伸变形增大导致制件拱弯，上下裂纹不重合，致使断口光亮带变窄，圆角和剪裂带斜度增大，毛刺大而厚，很难去除；间隙过小时，上下裂纹也不重合，因产生二次剪切而形成两个光亮带，断口较光洁，但端面出现挤长的薄毛刺，而且模具刃口极易磨损钝化，降低模具寿命。所以，合理选取模具间隙是致关重要的。
通常，在冲裁软钢、铝合金、铜合金等材料时，模具间隙取板厚的6％～8％左右；
冲裁硬钢等材料时，间隙取板厚的8％～12％左右；厚板或精度较低的冲裁件间隙还可适当增大。
动画5 模具间隙过小
动画6 模具间隙过大
动画7 模具间隙适中
5）凸模、凹模刃口尺寸确定
由冲裁过程可知，落料件的尺寸是由凹模刃口尺寸决定的，冲孔件的尺寸则是由冲孔凸模尺寸决定的。
考虑到模具磨损后将使凹模尺寸变大、凸模尺寸变小，因此，凸模、凹模尺寸确定的原则为：落料时，以落料凹模为设计基准，凹模刃口的基本尺寸接近于落料件的最小极限尺寸，凸模比凹模缩小一个最小间隙值；冲孔时，以冲孔凸模为设计基准，凸模刃口的基本尺寸接近于冲孔件的最大极限尺寸，凹模比凸模放大一个最小间隙值。
具体计算公式如下：
+δ 凹 0 = (D min - x ∆ ) 凹落料时: D
0 = - D 凸 ( D 凹 Z min ) - δ 凸
0 -冲孔时: d 凸 凸 = (d max + x ∆ ) δ
xn +δ 凹 + Z min d 凹 = (d 凸 ) 0
式中：D 凹、D 凸——落料凹模、凸模基本尺寸；
d 凸、d 凹——冲孔凸模、凹模基本尺寸；
D max ——落料件的最大极限尺寸；
d min ——冲孔件的最小极限尺寸；
△ ——冲裁件的公差；
x ——磨损系数，与冲裁件的精度有关
6) 冲裁力的计算
冲裁时材料对凸模的最大抗力称为冲裁力，它是选用冲床吨位和校核模具强度的重要依据。平刃冲模的冲裁力按下式计算：
F= KLtτ
式中F －冲裁力（N ）；
L －冲裁轮廓线长度（mm ）；
t －板料厚度（mm ）；
τ－材料的抗剪强度（MPa ）；
K －系数，与模具间隙、刃口钝化、板料性能与厚度等有关，一般取K ＝1.3。
二、变形工序
1、弯曲
弯曲是利用弯曲模使工件轴线弯成一定角度和曲率的工序，见图3-41。
1) 变形特点及应力分析
弯曲时毛坯上曲率发生变化的部分是变形区，即在弯曲角α以内变形。
① 靠近曲率中心一侧(内层) ：切向受压应力，产生压缩变形；
② 远离曲率中心一侧(外层) ：切向受拉应力，产生伸长变形。
③ 中性层不变(切向应力为0) 。
2) 弯曲时容易出现的问题
① 裂纹:
σ拉>σb 时产生。故变形程度不能过大，γmin=(0.25～1)t t ——材料板厚
纤维性:
弯曲线与材料的纤维线垂直时, 允许的γmin 较小；若弯曲线与纤维线平行(重合) 时, 则易开裂。
② 回弹(弹复):
当外力去除后, 毛坯的塑性变形保留下来, 而弹性变形完全消失, 使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化。这种现象称为回弹。
回弹大小与弯曲半径R 、料厚t 、材料等因素有关。回弹角一般都在0～10℃。 克服: 反变形法, 模具角度设计应比所需制件角度小一点(小几度左右) 。
3）弯曲件的结构工艺性
① 弯曲半径
不宜过大或过小, ｒ≥ｒmin ；但r 也不易过大。
② 弯曲件形状与尺寸
弯曲件的形状及尺寸应尽可能对称, 左右弯曲半径应一致。应该使R 1=R2 , r1=r2。 ③ 弯曲件直边高度
不能过短, 弯曲边尽量对称, 应使弯曲边高度H>2t。
④ 弯曲精度
弯曲件的弯曲精度一般应在IT12以下, 其角度公差应大于15＇。
⑤ 弯曲件上的孔
弯曲带孔的工件时, 孔位应在弯曲半径以外, 以免孔在弯曲时变形。应使b ≥(1～1.5)t(料厚) 。
2. 拉深(拉延) 变形工序
拉深是将平板材料通过塑性变形而制成的中空筒形零件的冲压工艺。
动画8 拉深成形
1）拉深变形过程及应力分析
a) 拉深工艺特点：
凸模与凹模和冲裁时不同, 转角处为园角，且Z ≥t(料厚) 。一般Z=(1.1～1.2)t 。 b) 应力及变形分析
① 直壁部分（高度为Ｈ）：变形区；② 底部（直径为ｄ）：不变形区。③ 直壁部分应力状态：切向受压, 径向受拉。
c) 拉深时容易出现的问题
① 起皱、失稳
防止：加压边圈(控制变形程度) 。
② 拉裂
在直壁底部（凸模传力处，变形程度大）易拉裂。
防止：控制变形程度。计算拉深系数ｍ
m=dn /(dn-1) ≥m min , 否则采用多次拉深。
d n ——拉深后筒形直径
d n-1——拉深前筒形（毛坯）直径
动画9 拉深压边圈
动画10 拉深压边圈
2) 拉深件的结构工艺性
① 拉深件形状
形状尽量简单, 在使用条件允许的情况下, 拉深件应尽量采用轴对称回转体零件。对于非轴对称件，应尽量避免轮廓急剧变化。
② 拉深件的圆角半径
一般说来, 拉深件的圆角半径越大越好, 以免应力集中, 降低模具寿命。
底部与直壁间内圆半径应满足R 凸≥t, 凸缘与壁间内圆角半径应满足R 凹≥2t ；否则应
增设整形工序, 最好取R 凸≥(3～5)t , R凹≥(4～8)t 。
矩形件, 则各部分的圆角半径应是:r1≈(3～5)t , r2≈(5～10)t , r3≥H 。
③ 拉深件的尺寸及精度
带凸缘圆筒形拉深件的凸缘直径D0应满足下式：D 0>d+12t
拉深件的尺寸只能标注在外形或内形, 不能内外形同时标注。
深件的精度: 一般圆形件可达IT8～IT10级, 异形拉深件一般低1～2级。
动画11 拉深模与冲裁模比较
3. 其他成形工序
1）翻边
翻边是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法。
动画12 翻边
A 翻边工艺的特点
① 可加工形状复杂且具有良好刚度和合理空间形状的零件。
② 可代替无底拉深件和拉深后切底工序，减少工序和模具, 提高了生产率降低了成本、节省了原材料。
③ 可代替某些复杂零件形状的拉深工作。故翻边特别适用于小批量试制性生产。
B 应用
翻边工序广泛应用于汽车、拖拉机、车辆制造等部门的机器零件中。
2）收口
将中空零件口径缩小、壁厚变厚，获得所需形状的工序。
3）胀形
•原理
胀形是利用压力将直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件，或者在板材上形成刚性的筋条的一种塑性成形工艺方法。
动画13 胀型
• 胀形工艺特点
① 局部塑性变形；材料不向变形区外转移, 也不从变形区外进入变形区内。 ② 零件变形区内的材料, 处于两相受拉的应力状态, 膨胀时零件一般要变薄。 ③ 胀形极限变形程度, 主要取决于材料塑性, 塑性越好, 极限变形程度越大。 ④ 胀形零件表面光洁, 质量较好；零件回弹现象小。 ＃应用
胀形工艺主要用于圆柱形空心毛坯的胀形，如水壶嘴。管类毛坯的胀形(如波纹管) 也常用于平板毛坯的局部胀形(如压制突起、凹坑、加强筋、花纹图案及标记等) 。
4. 典型冲压零件示意
叫水壶冲压是典型的冲压零件。请看动画
动画14叫水壶
动画15 壶盖冲压
动画16 壶身冲压
动画17 壶底冲压动画
18壶嘴冲压
3.4.2 冲压模具
冲模是实现坯料分离或变形必不可少的工艺装备，工作时必须保证冲出合格的制件，同时能适应生产规模的需要，还应使模具制造及维修方便，操作简单、安全可靠。
A 冲模的结构组成和作用
一副完整的冲模应由工作零件、定位零件、卸料零件、导向零件、基础零件及紧固零件六大部分组成。 B 冲模的种类
按照冲模完成的工序性质可分为冲孔模、落料模、弯曲模、拉深模等，按其工序的组合程度又可分为简单模、连续模和复合模三大类。
动画19 连续模工作示意图
动画20 复合模工作示意图
典型零件的冲压工艺过程： ① 黄铜弹壳的冲压过程
动画21 炮弹壳冲压过程
② 盘类零件的冲压过程。
图 汽车消音器零件冲压工部
3.4.3 精密冲裁 １．原理
精密冲裁是指通过一次冲压行程即可获得低表面粗糙度和高精度的冲裁零件的工艺方法。精密冲裁是利用小间隙的凸、凹模获得纯塑性剪切变形，避免出现撕裂现象的原理，从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件。动画22 精冲
① 一般冲裁：精度为IT10～IT11,Ra:12.5～3.2； ② 精密冲裁：IT8～IT9,Ra:3.2～0.20。 ２．特点
① 材料分离形式：纯塑性剪切变形。 ② 断面质量：全是光亮带。
③ 间隙及刀口形式：精冲凸、凹模间隙要比普通冲模小的多；凸、凹模的刃口也不一定做成很锋利，而有时须做成圆弧及圆角形式。
④ 毛刺：毛刺是在板料分离将要结束时形成的, 形成后不再变形(不再被拉长) 。 ⑤ 精冲的工件极限尺寸较小, 可冲裁宽度或孔径小于料厚的0.5～0.7mm 的工件。 ⑥ 对原材料要求须有良好的塑性。
⑦ 使用模具设备比普通冲裁复杂, 使用自动及精冲专用设备；或在普通冲床上使用精冲模。
⑧ 成本低。对同一精度冲裁件精冲提高了效率(普通冲裁需加整修工序) 、节约工时、降低成本。
3.4.4 冲压的机械化、自动化与柔性加工系统
随着冲压技术的发展和冲压件结构日趋复杂化，各种高速、精密和多工位的冲压设备越来越多地应用于实际生产，为保证产品质量、提高生产效率和确保操作者人身安全，冲压机械化自动化程度也越来越高，特别是近年来出现的由计算机控制的各种冲压机械手、机器人、自动冲模、自动冲床、自动生产线及柔性加工系统等，更是反映了冲压机械化自动化突飞猛进的发展水平。
一、常用的冲压机械化自动化装置
冲压机械化自动化包括冲压生产过程中从供料（件）、送料、出料（件）直至废料（工件）处理等各个环节的机械化与自动化。其常用的装置形式及用途见表3-18。 二、 冲压机械化自动化的实现方式
实现冲压机械化自动化的方式主要有以下四种： （1）在通用压力机上使用自动冲模 。
（2）通用自动冲压压力机 是在普通压力机上配备通用的机械化自动化装置，使用普通冲模实现冲压自动化的方式。
（3）专用自动冲压压力机 是为某一特定产品专门制造和配备专用机械化自动化装置的压力机，从而实现自动连续冲压的方式。
（4）冲压自动生产线 是用机械化自动化装置将多台普通冲压机床按产品生产的顺序要求串联成连续作业的流水线，实现自动连续冲压的方式。 三、 冲压柔性加工系统
冲压柔性加工系统（FMS ）是由一组数控冲床及其它自动化设备和工艺装备组成的自动冲压加工系统与物料自动储运系统和信息控制系统三者结合，并由中央计算机管理，实现自动运转的冲压加工系统。
冲压柔性加工系统的组成
冲压柔性加工系统主要包括以下三部分： （1）自动冲压加工系统 （2）物料自动储运系统 （3）信息控制系统 3.5 其他锻压工艺简介
随着工业生产的发展和科学技术的进步，古老的锻压加工方法也有了突破性的进展，涌现了许多新工艺、新技术，如精密模锻、精密冲裁、回转成形、零件挤压、超塑性成形、粉末锻造、液态模锻、高能率成形等。一方面极大地提高了制件的精度和复杂度，突破了传统锻压只能成形毛坯的局限，而直接锻压成形各种复杂形状的精密零件，实现了少、无切削加工；另一方面，又使过去难以锻压或不能锻压的材料以及新型复合材料的塑性成形
加工成为现实，从而为塑性成形提供了更为宽广的应用前景。以下皆为电视录象： 1. 轧制成形
1) 轧制是使金属坯料在回转轧辊的空隙中，靠摩擦力的作用得以连续进入轧辊而变形的一种加工方法。 2) 方法
① 纵轧② 横轧③ 斜轧 ① 纵轧
它是轧辊轴线与坯料轴线在空间互相垂直的轧制方法。两轧辊轴线平行，旋转方向相反，坯料作垂直于轧辊轴线方向的运动。
纵轧工件不旋转，仅作直线运动，在轧辊的作用下产生连续性的拔长变形和一些增宽变形。
纵轧包括各种型材和板材的轧制，辊锻轧制，辗环轧制等方法。
动画23 碾环轧制
辊锻 ② 横轧
它是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。横轧时工件作旋转运动，在轧辊作用下产生连续变形。
③ 斜轧(螺旋斜轧)
轧辊轴线与坯料轴线在空间交叉成一定角度的轧制方法。
动画24 穿孔斜轧原理
动画25 斜轧零件种类
3．特点及应用 1) 特点
① 生产率高。（轧辊生产率为锤上模锻的5～10倍) ② 质量好。(连续变形、变形均匀)
③ 节约金属材料。(比锤上模锻损耗降低6～10个百分点) ④ 劳动条件好, 易于实现“两化”。
⑤ 设备结构简单, 对厂房地基条件要求低。 2) 应用
① 型材轧制(一次塑性成形) ② 零件的轧制(二次塑性成形)
动画26 螺纹轧制
3. 拉拔成形
1 ) 原理
用拉拔机的钳子把金属料从一定形状和尺寸的拉拔模的模孔中拉出，可生产各种断面的型材、线材和管材。
2 ) 特点
① 应力状态：变形时金属处于一拉两压的应力状态。
② 变形抗力小；
③ 产生拔制应力(作用力在型材头部, 脱离变形区后仍有拉应力存在, 即拔制应力) ，塑性被降低。故变形量受限，中间需退火、润滑处理。
④ 拉拔成形常在冷态下进行。
3 ) 应用
主要用于生产各种断面的型材、线材和管材。如生产圆钢、扁钢、电线、电缆、无缝钢管等，特别适于加工各种规格的线材。
4. 挤压
１）原理
挤压是将金属坯料放在挤压筒内, 用强大的压力使坯料从模具中挤出成形的加工方法。
2) 特点
挤压与轧制、拉拔相比, 有如下优点：
① 塑性好、变形程度大，可一次挤压断面形状复杂的管材和型材。
② 可加工难于用其它塑性成形方法加工的脆性材料, 加工仅在几秒内完成, 因此对于变形温度范围窄的材料尤为有利。
③ 变形抗力大, 挤压设备需要吨位大, 故为了降低抗力型材和管材等常采用热挤压成形。
3) 分类
A 按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向的关系, 可分为:
① 正挤压 ② 反挤压
③ 复合挤压 ④ 径向挤压
B 按照挤压时坯料的温度状态分为:
① 热挤压:将毛坯加热到热模锻的温度范围内的挤压, 挤压力小, 但精度低。
② 冷挤压: 回复温度以下（通常是室温下）, 精度好, 但抗力大。
③ 温挤压:加热温度在回复温度与再结晶温度之间进行的挤压, 抗力较热挤压小, 氧化程度小, 尺寸精度较高。
4）应用
①型材和管材 (一次塑性成形) 多采用热挤压。
②各种零件 (二次塑性成形) 多采用冷挤压。
动画27挤出成形原理
5. 旋压成形
１）原理
旋压是将平板坯料和半成品零件利用旋压机或供旋压用的车床的旋转以芯模和手工工具(俗称赶棒) 使材料逐步变形到所要求的零件形状的一种加工方法。
２）特点
① 模具结构简单、费用低，机床简单。
②加工的范围比较广。即可制造旋转体筒形件, 又可进行螺纹加工、还可进行翻孔、缩口、卷边和切边等工序。
③生产率低, 操作技术要求高。 零件的通用性及互换性较差。
３）应用
旋压主要适用于单件及小批量生产，并只能加工厚度在３ｍｍ以下的金属板料。 动画28 旋压原理
6. 冷镦
7. 粉末冶金
8. 液态模锻
9. 超塑成形
10. 高速高能成形
在极短的时间（几毫秒）内，将化学能、电能、电磁能或机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成形的加工工艺。高速高能成形分为电磁成形、爆炸成形、放电成形和高速锤成形四种形式。
高速高能成形可加工难加工材料，加工精度高，加工时间短，设备费用较低。缺点是：
噪声大，单位时间内的产量低。
1) 电磁成形
当开头闭合时，贮存在电容器中的电能形成高速增长和衰减的脉冲电流，并在周围形成一个强大的变化磁场，处于磁场中的坯料内部会产生感应电流，与磁场相互作用的结果是使坯料高速贴模成形。
电磁成形工艺对管子和管接头的连接装配特别适合，已在生产中得到推广应用。
2) 爆炸成形
利用炸药爆炸的化学能使金属材料变形的加工方法。
3) 放电成形
闭合开头，使贮存在电容器中的电荷经液体中的电极放电，在放电回路中产生强大的冲击波（可达30000A ），电极附近的水被迅速气化，产生很高的冲击压力，使坯料成形。
4) 高速锤成形
利用高压气体（140个大气压的空气或氦气）的突然膨胀，推动锤头系统和框架系统作高速相对运动，使金属坯料在高速冲击下成形。
材料与成形技术
冲压成形及先进锻压技术
3.4 板料冲压
板料冲压是利用装在冲床上的设备(冲模) 使板料产生分离或变形的一种塑性成形方法。它主要用于加工板料(10mm以下，包括金属及非金属板料) 类零件, 故称为板料冲压。
冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率δ≥16%、屈强比σs /σb ≤70%，低合金高强度钢δ≥14%、δs /δb ≤80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。
1. 板料冲压分类
按照冲压时的温度情况有冷冲压和热冲压两种方式。这取决于材料的强度、塑性、厚度、变形程度以及设备能力等，同时应考虑材料的原始热处理状态和最终使用条件。 ① 冷冲压：
金属在常温下的加工，一般适用于厚度小于4mm 的坯料。优点为不需加热、无氧化皮，表面质量好，操作方便，费用较低，缺点是有加工硬化现象，严重时使金属失去进一步变形能力。冷冲压要求坯料的厚度均匀且波动范围小，表面光洁、无斑、无划伤等。 ② 热冲压：
将金属加热到一定的温度范围的冲压加工方法。优点为可消除内应力，避免加工硬化，增加材料的塑性，降低变形抗力，减少设备的动力消耗。
2. 板料冲压特点
① 生产率高(靠模具设备成形，操作简便，易实现“两化”)。
② 可成形复杂形状的制件, 而且废料少，材料利用率高。
③ 制件尺寸精度高、表面质量好、互换性好, 不需机加工
④ 制件强度高、刚性好、重量轻。
⑤ 加工成本低
⑥ 采用冲压与焊接、胶接等复合工艺，使零件结构更趋合理，加工更为方便，可以用较简单的工艺制造出更复杂的结构件，可方便进行CAD/CAPP/CAM。
3. 应用
冲压既能够制造尺寸很小的仪表零件，又能够制造诸如汽车大梁、压力容器封头一类的大型零件，又能够制造精密(公差在微米级) 和复杂形状的零件。占全世界钢产60%～70%以上的板材、管材及其他型材，其中大部分经过冲压制成成品。冲压在汽车、机械、家用电器、日常用品、电机、仪表、航空航天、兵器等制造中，都有广泛的应用。
4. 冲压设备
冲压常用的设备有剪床和冲床等。剪床的主要用途是把板料切成一定宽度的条料，为后续的冲压备料。冲床主要用来完成冲压的各道工序，生产出合格的产品。
动画1 剪床
3.4.1 冲压基本工序及工艺过程
一、 分离工序：
将冲压件与板料按要求的轮廓线分离的工序，如剪切、落料、冲孔。落料和冲孔总称为冲裁。
动画2 分离工序分类
动画3冲裁变形和断裂
动画4 冲裁区应力和应变情况
1. 冲裁工序工艺分析
1） 冲裁变形的特点及应力分析
① 弹性变形阶段 ② 塑性变形阶段 ③ 断裂阶段
2) 冲裁件的质量：
① 蹋角带
② 光亮带：表面光滑, 断面质量最好。
③ 剪裂带：表面粗糙, 略带斜度。
④ 毛刺：微裂纹出现时产生, 冲头继续下行时被拉长。
3）影响因素：
① 被冲材料；② 凸、凹模间隙ｚ
此外，还与材料厚度、刃口锋利程度、模具结构等因素有关，其中ｚ的影响尤为严重。
4）模具间隙
模具间隙大小直接影响冲裁件的质量、冲裁力的大小和模具寿命。间隙合适时，上下裂纹自然汇合，冲裁件断口表面平整、毛刺小，光亮带约为厚度的1/3左右，且冲裁力小；间隙过大时，材料的弯曲拉伸变形增大导致制件拱弯，上下裂纹不重合，致使断口光亮带变窄，圆角和剪裂带斜度增大，毛刺大而厚，很难去除；间隙过小时，上下裂纹也不重合，因产生二次剪切而形成两个光亮带，断口较光洁，但端面出现挤长的薄毛刺，而且模具刃口极易磨损钝化，降低模具寿命。所以，合理选取模具间隙是致关重要的。
通常，在冲裁软钢、铝合金、铜合金等材料时，模具间隙取板厚的6％～8％左右；
冲裁硬钢等材料时，间隙取板厚的8％～12％左右；厚板或精度较低的冲裁件间隙还可适当增大。
动画5 模具间隙过小
动画6 模具间隙过大
动画7 模具间隙适中
5）凸模、凹模刃口尺寸确定
由冲裁过程可知，落料件的尺寸是由凹模刃口尺寸决定的，冲孔件的尺寸则是由冲孔凸模尺寸决定的。
考虑到模具磨损后将使凹模尺寸变大、凸模尺寸变小，因此，凸模、凹模尺寸确定的原则为：落料时，以落料凹模为设计基准，凹模刃口的基本尺寸接近于落料件的最小极限尺寸，凸模比凹模缩小一个最小间隙值；冲孔时，以冲孔凸模为设计基准，凸模刃口的基本尺寸接近于冲孔件的最大极限尺寸，凹模比凸模放大一个最小间隙值。
具体计算公式如下：
+δ 凹 0 = (D min - x ∆ ) 凹落料时: D
0 = - D 凸 ( D 凹 Z min ) - δ 凸
0 -冲孔时: d 凸 凸 = (d max + x ∆ ) δ
xn +δ 凹 + Z min d 凹 = (d 凸 ) 0
式中：D 凹、D 凸——落料凹模、凸模基本尺寸；
d 凸、d 凹——冲孔凸模、凹模基本尺寸；
D max ——落料件的最大极限尺寸；
d min ——冲孔件的最小极限尺寸；
△ ——冲裁件的公差；
x ——磨损系数，与冲裁件的精度有关
6) 冲裁力的计算
冲裁时材料对凸模的最大抗力称为冲裁力，它是选用冲床吨位和校核模具强度的重要依据。平刃冲模的冲裁力按下式计算：
F= KLtτ
式中F －冲裁力（N ）；
L －冲裁轮廓线长度（mm ）；
t －板料厚度（mm ）；
τ－材料的抗剪强度（MPa ）；
K －系数，与模具间隙、刃口钝化、板料性能与厚度等有关，一般取K ＝1.3。
二、变形工序
1、弯曲
弯曲是利用弯曲模使工件轴线弯成一定角度和曲率的工序，见图3-41。
1) 变形特点及应力分析
弯曲时毛坯上曲率发生变化的部分是变形区，即在弯曲角α以内变形。
① 靠近曲率中心一侧(内层) ：切向受压应力，产生压缩变形；
② 远离曲率中心一侧(外层) ：切向受拉应力，产生伸长变形。
③ 中性层不变(切向应力为0) 。
2) 弯曲时容易出现的问题
① 裂纹:
σ拉>σb 时产生。故变形程度不能过大，γmin=(0.25～1)t t ——材料板厚
纤维性:
弯曲线与材料的纤维线垂直时, 允许的γmin 较小；若弯曲线与纤维线平行(重合) 时, 则易开裂。
② 回弹(弹复):
当外力去除后, 毛坯的塑性变形保留下来, 而弹性变形完全消失, 使其形状和尺寸都发生与加载时变形方向相反的变化。这种现象称为回弹。
回弹大小与弯曲半径R 、料厚t 、材料等因素有关。回弹角一般都在0～10℃。 克服: 反变形法, 模具角度设计应比所需制件角度小一点(小几度左右) 。
3）弯曲件的结构工艺性
① 弯曲半径
不宜过大或过小, ｒ≥ｒmin ；但r 也不易过大。
② 弯曲件形状与尺寸
弯曲件的形状及尺寸应尽可能对称, 左右弯曲半径应一致。应该使R 1=R2 , r1=r2。 ③ 弯曲件直边高度
不能过短, 弯曲边尽量对称, 应使弯曲边高度H>2t。
④ 弯曲精度
弯曲件的弯曲精度一般应在IT12以下, 其角度公差应大于15＇。
⑤ 弯曲件上的孔
弯曲带孔的工件时, 孔位应在弯曲半径以外, 以免孔在弯曲时变形。应使b ≥(1～1.5)t(料厚) 。
2. 拉深(拉延) 变形工序
拉深是将平板材料通过塑性变形而制成的中空筒形零件的冲压工艺。
动画8 拉深成形
1）拉深变形过程及应力分析
a) 拉深工艺特点：
凸模与凹模和冲裁时不同, 转角处为园角，且Z ≥t(料厚) 。一般Z=(1.1～1.2)t 。 b) 应力及变形分析
① 直壁部分（高度为Ｈ）：变形区；② 底部（直径为ｄ）：不变形区。③ 直壁部分应力状态：切向受压, 径向受拉。
c) 拉深时容易出现的问题
① 起皱、失稳
防止：加压边圈(控制变形程度) 。
② 拉裂
在直壁底部（凸模传力处，变形程度大）易拉裂。
防止：控制变形程度。计算拉深系数ｍ
m=dn /(dn-1) ≥m min , 否则采用多次拉深。
d n ——拉深后筒形直径
d n-1——拉深前筒形（毛坯）直径
动画9 拉深压边圈
动画10 拉深压边圈
2) 拉深件的结构工艺性
① 拉深件形状
形状尽量简单, 在使用条件允许的情况下, 拉深件应尽量采用轴对称回转体零件。对于非轴对称件，应尽量避免轮廓急剧变化。
② 拉深件的圆角半径
一般说来, 拉深件的圆角半径越大越好, 以免应力集中, 降低模具寿命。
底部与直壁间内圆半径应满足R 凸≥t, 凸缘与壁间内圆角半径应满足R 凹≥2t ；否则应
增设整形工序, 最好取R 凸≥(3～5)t , R凹≥(4～8)t 。
矩形件, 则各部分的圆角半径应是:r1≈(3～5)t , r2≈(5～10)t , r3≥H 。
③ 拉深件的尺寸及精度
带凸缘圆筒形拉深件的凸缘直径D0应满足下式：D 0>d+12t
拉深件的尺寸只能标注在外形或内形, 不能内外形同时标注。
深件的精度: 一般圆形件可达IT8～IT10级, 异形拉深件一般低1～2级。
动画11 拉深模与冲裁模比较
3. 其他成形工序
1）翻边
翻边是将零件的孔边缘或外边缘在模具作用下，翻成竖立边缘的一种冲压工艺方法。
动画12 翻边
A 翻边工艺的特点
① 可加工形状复杂且具有良好刚度和合理空间形状的零件。
② 可代替无底拉深件和拉深后切底工序，减少工序和模具, 提高了生产率降低了成本、节省了原材料。
③ 可代替某些复杂零件形状的拉深工作。故翻边特别适用于小批量试制性生产。
B 应用
翻边工序广泛应用于汽车、拖拉机、车辆制造等部门的机器零件中。
2）收口
将中空零件口径缩小、壁厚变厚，获得所需形状的工序。
3）胀形
•原理
胀形是利用压力将直径较小的筒形零件或锥形零件由内向外膨胀成为直径较大的凸出曲面零件，或者在板材上形成刚性的筋条的一种塑性成形工艺方法。
动画13 胀型
• 胀形工艺特点
① 局部塑性变形；材料不向变形区外转移, 也不从变形区外进入变形区内。 ② 零件变形区内的材料, 处于两相受拉的应力状态, 膨胀时零件一般要变薄。 ③ 胀形极限变形程度, 主要取决于材料塑性, 塑性越好, 极限变形程度越大。 ④ 胀形零件表面光洁, 质量较好；零件回弹现象小。 ＃应用
胀形工艺主要用于圆柱形空心毛坯的胀形，如水壶嘴。管类毛坯的胀形(如波纹管) 也常用于平板毛坯的局部胀形(如压制突起、凹坑、加强筋、花纹图案及标记等) 。
4. 典型冲压零件示意
叫水壶冲压是典型的冲压零件。请看动画
动画14叫水壶
动画15 壶盖冲压
动画16 壶身冲压
动画17 壶底冲压动画
18壶嘴冲压
3.4.2 冲压模具
冲模是实现坯料分离或变形必不可少的工艺装备，工作时必须保证冲出合格的制件，同时能适应生产规模的需要，还应使模具制造及维修方便，操作简单、安全可靠。
A 冲模的结构组成和作用
一副完整的冲模应由工作零件、定位零件、卸料零件、导向零件、基础零件及紧固零件六大部分组成。 B 冲模的种类
按照冲模完成的工序性质可分为冲孔模、落料模、弯曲模、拉深模等，按其工序的组合程度又可分为简单模、连续模和复合模三大类。
动画19 连续模工作示意图
动画20 复合模工作示意图
典型零件的冲压工艺过程： ① 黄铜弹壳的冲压过程
动画21 炮弹壳冲压过程
② 盘类零件的冲压过程。
图 汽车消音器零件冲压工部
3.4.3 精密冲裁 １．原理
精密冲裁是指通过一次冲压行程即可获得低表面粗糙度和高精度的冲裁零件的工艺方法。精密冲裁是利用小间隙的凸、凹模获得纯塑性剪切变形，避免出现撕裂现象的原理，从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件。动画22 精冲
① 一般冲裁：精度为IT10～IT11,Ra:12.5～3.2； ② 精密冲裁：IT8～IT9,Ra:3.2～0.20。 ２．特点
① 材料分离形式：纯塑性剪切变形。 ② 断面质量：全是光亮带。
③ 间隙及刀口形式：精冲凸、凹模间隙要比普通冲模小的多；凸、凹模的刃口也不一定做成很锋利，而有时须做成圆弧及圆角形式。
④ 毛刺：毛刺是在板料分离将要结束时形成的, 形成后不再变形(不再被拉长) 。 ⑤ 精冲的工件极限尺寸较小, 可冲裁宽度或孔径小于料厚的0.5～0.7mm 的工件。 ⑥ 对原材料要求须有良好的塑性。
⑦ 使用模具设备比普通冲裁复杂, 使用自动及精冲专用设备；或在普通冲床上使用精冲模。
⑧ 成本低。对同一精度冲裁件精冲提高了效率(普通冲裁需加整修工序) 、节约工时、降低成本。
3.4.4 冲压的机械化、自动化与柔性加工系统
随着冲压技术的发展和冲压件结构日趋复杂化，各种高速、精密和多工位的冲压设备越来越多地应用于实际生产，为保证产品质量、提高生产效率和确保操作者人身安全，冲压机械化自动化程度也越来越高，特别是近年来出现的由计算机控制的各种冲压机械手、机器人、自动冲模、自动冲床、自动生产线及柔性加工系统等，更是反映了冲压机械化自动化突飞猛进的发展水平。
一、常用的冲压机械化自动化装置
冲压机械化自动化包括冲压生产过程中从供料（件）、送料、出料（件）直至废料（工件）处理等各个环节的机械化与自动化。其常用的装置形式及用途见表3-18。 二、 冲压机械化自动化的实现方式
实现冲压机械化自动化的方式主要有以下四种： （1）在通用压力机上使用自动冲模 。
（2）通用自动冲压压力机 是在普通压力机上配备通用的机械化自动化装置，使用普通冲模实现冲压自动化的方式。
（3）专用自动冲压压力机 是为某一特定产品专门制造和配备专用机械化自动化装置的压力机，从而实现自动连续冲压的方式。
（4）冲压自动生产线 是用机械化自动化装置将多台普通冲压机床按产品生产的顺序要求串联成连续作业的流水线，实现自动连续冲压的方式。 三、 冲压柔性加工系统
冲压柔性加工系统（FMS ）是由一组数控冲床及其它自动化设备和工艺装备组成的自动冲压加工系统与物料自动储运系统和信息控制系统三者结合，并由中央计算机管理，实现自动运转的冲压加工系统。
冲压柔性加工系统的组成
冲压柔性加工系统主要包括以下三部分： （1）自动冲压加工系统 （2）物料自动储运系统 （3）信息控制系统 3.5 其他锻压工艺简介
随着工业生产的发展和科学技术的进步，古老的锻压加工方法也有了突破性的进展，涌现了许多新工艺、新技术，如精密模锻、精密冲裁、回转成形、零件挤压、超塑性成形、粉末锻造、液态模锻、高能率成形等。一方面极大地提高了制件的精度和复杂度，突破了传统锻压只能成形毛坯的局限，而直接锻压成形各种复杂形状的精密零件，实现了少、无切削加工；另一方面，又使过去难以锻压或不能锻压的材料以及新型复合材料的塑性成形
加工成为现实，从而为塑性成形提供了更为宽广的应用前景。以下皆为电视录象： 1. 轧制成形
1) 轧制是使金属坯料在回转轧辊的空隙中，靠摩擦力的作用得以连续进入轧辊而变形的一种加工方法。 2) 方法
① 纵轧② 横轧③ 斜轧 ① 纵轧
它是轧辊轴线与坯料轴线在空间互相垂直的轧制方法。两轧辊轴线平行，旋转方向相反，坯料作垂直于轧辊轴线方向的运动。
纵轧工件不旋转，仅作直线运动，在轧辊的作用下产生连续性的拔长变形和一些增宽变形。
纵轧包括各种型材和板材的轧制，辊锻轧制，辗环轧制等方法。
动画23 碾环轧制
辊锻 ② 横轧
它是轧辊轴线与坯料轴线互相平行的轧制方法。横轧时工件作旋转运动，在轧辊作用下产生连续变形。
③ 斜轧(螺旋斜轧)
轧辊轴线与坯料轴线在空间交叉成一定角度的轧制方法。
动画24 穿孔斜轧原理
动画25 斜轧零件种类
3．特点及应用 1) 特点
① 生产率高。（轧辊生产率为锤上模锻的5～10倍) ② 质量好。(连续变形、变形均匀)
③ 节约金属材料。(比锤上模锻损耗降低6～10个百分点) ④ 劳动条件好, 易于实现“两化”。
⑤ 设备结构简单, 对厂房地基条件要求低。 2) 应用
① 型材轧制(一次塑性成形) ② 零件的轧制(二次塑性成形)
动画26 螺纹轧制
3. 拉拔成形
1 ) 原理
用拉拔机的钳子把金属料从一定形状和尺寸的拉拔模的模孔中拉出，可生产各种断面的型材、线材和管材。
2 ) 特点
① 应力状态：变形时金属处于一拉两压的应力状态。
② 变形抗力小；
③ 产生拔制应力(作用力在型材头部, 脱离变形区后仍有拉应力存在, 即拔制应力) ，塑性被降低。故变形量受限，中间需退火、润滑处理。
④ 拉拔成形常在冷态下进行。
3 ) 应用
主要用于生产各种断面的型材、线材和管材。如生产圆钢、扁钢、电线、电缆、无缝钢管等，特别适于加工各种规格的线材。
4. 挤压
１）原理
挤压是将金属坯料放在挤压筒内, 用强大的压力使坯料从模具中挤出成形的加工方法。
2) 特点
挤压与轧制、拉拔相比, 有如下优点：
① 塑性好、变形程度大，可一次挤压断面形状复杂的管材和型材。
② 可加工难于用其它塑性成形方法加工的脆性材料, 加工仅在几秒内完成, 因此对于变形温度范围窄的材料尤为有利。
③ 变形抗力大, 挤压设备需要吨位大, 故为了降低抗力型材和管材等常采用热挤压成形。
3) 分类
A 按照挤压时金属流动方向和凸模运动方向的关系, 可分为:
① 正挤压 ② 反挤压
③ 复合挤压 ④ 径向挤压
B 按照挤压时坯料的温度状态分为:
① 热挤压:将毛坯加热到热模锻的温度范围内的挤压, 挤压力小, 但精度低。
② 冷挤压: 回复温度以下（通常是室温下）, 精度好, 但抗力大。
③ 温挤压:加热温度在回复温度与再结晶温度之间进行的挤压, 抗力较热挤压小, 氧化程度小, 尺寸精度较高。
4）应用
①型材和管材 (一次塑性成形) 多采用热挤压。
②各种零件 (二次塑性成形) 多采用冷挤压。
动画27挤出成形原理
5. 旋压成形
１）原理
旋压是将平板坯料和半成品零件利用旋压机或供旋压用的车床的旋转以芯模和手工工具(俗称赶棒) 使材料逐步变形到所要求的零件形状的一种加工方法。
２）特点
① 模具结构简单、费用低，机床简单。
②加工的范围比较广。即可制造旋转体筒形件, 又可进行螺纹加工、还可进行翻孔、缩口、卷边和切边等工序。
③生产率低, 操作技术要求高。 零件的通用性及互换性较差。
３）应用
旋压主要适用于单件及小批量生产，并只能加工厚度在３ｍｍ以下的金属板料。 动画28 旋压原理
6. 冷镦
7. 粉末冶金
8. 液态模锻
9. 超塑成形
10. 高速高能成形
在极短的时间（几毫秒）内，将化学能、电能、电磁能或机械能传递给被加工的金属材料，使之迅速成形的加工工艺。高速高能成形分为电磁成形、爆炸成形、放电成形和高速锤成形四种形式。
高速高能成形可加工难加工材料，加工精度高，加工时间短，设备费用较低。缺点是：
噪声大，单位时间内的产量低。
1) 电磁成形
当开头闭合时，贮存在电容器中的电能形成高速增长和衰减的脉冲电流，并在周围形成一个强大的变化磁场，处于磁场中的坯料内部会产生感应电流，与磁场相互作用的结果是使坯料高速贴模成形。
电磁成形工艺对管子和管接头的连接装配特别适合，已在生产中得到推广应用。
2) 爆炸成形
利用炸药爆炸的化学能使金属材料变形的加工方法。
3) 放电成形
闭合开头，使贮存在电容器中的电荷经液体中的电极放电，在放电回路中产生强大的冲击波（可达30000A ），电极附近的水被迅速气化，产生很高的冲击压力，使坯料成形。
4) 高速锤成形
利用高压气体（140个大气压的空气或氦气）的突然膨胀，推动锤头系统和框架系统作高速相对运动，使金属坯料在高速冲击下成形。