第1章综论 1.1冲压的定义 冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力),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。冲压加工的对象一般为金属板料(或带料)、 薄壁管、薄型材等,板厚方向的变形一般不侧重考虑,因此也称为板料冲压,且通常是在 室温状态下进行(不用加热,显然处于再结晶温度以下),故也称为冷冲压 锻造和冲压合称为锻压,锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料),必须考虑长、宽、 高3个方向的变形,且通常是在再结晶温度以上进行,故常称为热锻。基于通常要施加一 定的压力才能完成加工的共性,锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工; 金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形,既改变了尺寸、形状,又改善了性能,故还称 为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等 制品,但通常不制成零件,称为一次塑性加工:锻压加工则是在一次塑性加工的基础上, 将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件),可称为二次塑性加工, 20世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形 冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的3个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或 非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先 进的冲模,先进的冲压工艺就无法实现。 1.2冲压工序分类 为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同,冲压工序的种类有很多。冲压工 艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件 /半成品沿一定的轮廓相互分离:成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料 /工序件/半成品发生塑性变形,成为所需制件。各工序简介见表1.1及表1.2。 冲压生产除了基本工序外,还会涉及其他工序,如接合工序(如铆接等)、装配工序 修饰包装工序,等等,由于篇幅所限,本书不作展开 表1.1冲压工艺中的分离工序 分离轮廓为封闭曲线,轮廓内 落料 为制件,轮廓外为废料,用于 加工各种形状的平板型制件
第 1 章 综 论 1.1 冲压的定义 冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力)，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。冲压加工的对象一般为金属板料(或带料)、 薄壁管、薄型材等，板厚方向的变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，且通常是在 室温状态下进行(不用加热，显然处于再结晶温度以下)，故也称为冷冲压。 锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料)，必须考虑长、宽、 高 3 个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。基于通常要施加一 定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工； 金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称 为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等 制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上， 将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件)，可称为二次塑性加工。 20 世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。 冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的 3 个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或 非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先 进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。 1.2 冲压工序分类 为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同，冲压工序的种类有很多。冲压工 艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件 /半成品沿一定的轮廓相互分离；成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料 /工序件/半成品发生塑性变形，成为所需制件。各工序简介见表 1.1 及表 1.2。 冲压生产除了基本工序外，还会涉及其他工序，如接合工序(如铆接等)、装配工序、 修饰包装工序，等等，由于篇幅所限，本书不作展开。 表 1.1 冲压工艺中的分离工序 工序名称 示 意 图 说 明 落料 分离轮廓为封闭曲线，轮廓内 为制件，轮廓外为废料，用于 加工各种形状的平板型制件
中压工艺与模具设计 分离轮廓为封闭曲线,轮廓内为 冲孔 废料,轮廓外为制件,用于在制 件上加工各种形状的孔,落料与 冲孔合称为冲裁 分离轮廓为不封闭曲/直线,用于 切断(剪切) 将板料裁切成长条或加工成形状 单的平板型制件 在工序件岸半成品的曲/平面上沿 修边(切边) 内/外轮廓修切,以获得规则整齐 的棱边、光洁的剪切面和较高的 尺寸精度 将整体成形得到的工序件/半成 剖切 品切开成数个制件,多用于不对 称制件成组成形之后的分离 将制件沿不封闭的轮廓部分地分 离,并使部分板料产生弯曲变形 表1.2冲压工艺中的成形工序 工序名称 将坯料/型材/工序件/半成品沿直线 弯曲(压弯) 压弯成具有一定曲率和角度的制件 辊弯 沿直线用辊子(24个)实现板料的逐 步弯曲变形,一般用卷板机完成 卷弯 把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
2 冲压工艺与模具设计 续表 工序名称 示 意 图 说 明 冲孔 分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为 废料，轮廓外为制件，用于在制 件上加工各种形状的孔，落料与 冲孔合称为冲裁 切断(剪切) 分离轮廓为不封闭曲/直线，用于 将板料裁切成长条或加工成形状 简单的平板型制件 修边(切边) 在工序件/半成品的曲/平面上沿 内/外轮廓修切，以获得规则整齐 的棱边、光洁的剪切面和较高的 尺寸精度 剖切 将整体成形得到的工序件/半成 品切开成数个制件，多用于不对 称制件成组成形之后的分离 切口 将制件沿不封闭的轮廓部分地分 离，并使部分板料产生弯曲变形 表 1.2 冲压工艺中的成形工序 工序名称 示 意 图 说 明 弯曲(压弯) 将坯料/型材/工序件/半成品沿直线 压弯成具有一定曲率和角度的制件 辊弯 沿直线用辊子(2~4 个)实现板料的逐 步弯曲变形，一般用卷板机完成 卷弯 把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
第1章综论 续表 辊形 用多对成形辊,沿纵向使带料逐渐 (纵向辊弯) 弯曲变形 拉弯 在施加拉力的条件下实现弯曲变形 扭曲 将工序件/半成品的一部分相对于另 一部分在某个面上扭转一定角度 变形区在一拉一压的应力作用下 使板料饯浅的空心坯成形为空心件/ 拉深 深的空心件,而壁厚基本不变。用 于将板料外缘全部部分转移到制件 侧壁,使板料成形为皿状制件 翻边 沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的 平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘 缩口 将空心管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸减小 胀形 使板料倥空心工序件/半成品的局部 变薄,从而使其表面积增大 将空心管状工序件或半成品的某个 扩口 端部的径向尺寸扩大 对坯料序件伴半成品的局部/整体 整形 施加法向接触压力,以提高制件尺 寸精度得清晰的过渡形状 在坯料旋转的同时,用一定形状的 辊轮施加压力使坯料的局部变形逐 旋压 步扩展到整体,达到使坯料全部成 形的目的。多用于回转体制件的 成形
第 1 章 综论 3 续表 工序名称 示 意 图 说 明 辊形 (纵向辊弯) 用多对成形辊，沿纵向使带料逐渐 弯曲变形 拉弯 在施加拉力的条件下实现弯曲变形 扭曲 将工序件/半成品的一部分相对于另 一部分在某个面上扭转一定角度 拉深 变形区在一拉一压的应力作用下， 使板料/浅的空心坯成形为空心件/ 深的空心件，而壁厚基本不变。用 于将板料外缘全部/部分转移到制件 侧壁，使板料成形为皿状制件 翻边 沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的 平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘 缩口 将空心/管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸减小 胀形 使板料/空心工序件/半成品的局部 变薄，从而使其表面积增大 扩口 将空心/管状工序件或半成品的某个 端部的径向尺寸扩大 整形 对坯料/工序件/半成品的局部/整体 施加法向接触压力，以提高制件尺 寸精度/获得清晰的过渡形状 旋压 在坯料旋转的同时，用一定形状的 辊轮施加压力使坯料的局部变形逐 步扩展到整体，达到使坯料全部成 形的目的。多 用于回转体 制件的 成形
中压工艺与模具设计 1.3冲压工艺的特点及其应用 从技术先进性方面看,冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件 (如薄壳类件),且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形 制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证,互换性好,品质稳定。 从经济合理性方面看,通过合理设计、优化排样,冲压工艺可以获得很高的材料利用 率;既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量,也不像锻造那样需耗能对 坯料加热:冲压加工操作比较简单,从而对操作工要求低,有条件时易实现自动化。一般 的冲压工艺,生产效率为几件/分至几十件/分,自动化生产可达千件/分以上。 冲压工艺存在的不足之处有,对于批量较小的制件,模具费用使得成本明显增高,所 以一般要有经济批量:同时,模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为 恼人的噪音和振动,劳动保护措施不到位时,还存在安全隐患 总体上看,冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低,其他加工方法无法替代 的加工工艺,在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、 电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用,表1.3为部分产品中 冲压加工零件所占比例。图1.1所示为轿车车身部分冲压制件。 表1.3各类产品中冲压加工零件所占比例 汽车 仪器仪表 电机电器家用电器自行车、手表 60~-70 60~70 70-80≤90 “冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程,学习本课程 应注重理论与实践相结合,侧重培养工程实践能力。 图1.1轿车车身 散热器框架;2—前围板:3-前风窗下横梁:4—前风 上围率 5-顶盖:6一后风窗上横梁 边梁:8后风窗下横梁:9一后围板: 2—前纵梁:13—挡泥板 14—挡泥板加强撑:15—前座椅横梁;1 8前立柱:19一门槛 20中立柱:21—后地板:22—地板后横梁 2↓—后轮罩;25后翼子板:26—后立
4 冲压工艺与模具设计 1.3 冲压工艺的特点及其应用 从技术先进性方面看，冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件 (如薄壳类件)，且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形 制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证，互换性好，品质稳定。 从经济合理性方面看，通过合理设计、优化排样，冲压工艺可以获得很高的材料利用 率；既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量，也不像锻造那样需耗能对 坯料加热；冲压加工操作比较简单，从而对操作工要求低，有条件时易实现自动化。一般 的冲压工艺，生产效率为几件/分至几十件/分，自动化生产可达千件/分以上。 冲压工艺存在的不足之处有，对于批量较小的制件，模具费用使得成本明显增高，所 以一般要有经济批量；同时，模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为 恼人的噪音和振动，劳动保护措施不到位时，还存在安全隐患。 总体上看，冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其他加工方法无法替代 的加工工艺，在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、 电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用，表 1.3 为部分产品中 冲压加工零件所占比例。图 1.1 所示为轿车车身部分冲压制件。 表 1.3 各类产品中冲压加工零件所占比例 产品 汽车 仪器仪表 电子 电机电器 家用电器 自行车、手表 比例/% 60~70 60~70 ＞85 70~80 ≤90 ＞80 “冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程，学习本课程 应注重理论与实践相结合，侧重培养工程实践能力。 图 1.1 轿车车身 1—散热器框架；2—前围板；3—前风窗下横梁；4—前风窗上横梁；5—顶盖；6—后风窗上横梁； 7—上边梁；8—后风窗下横梁；9—后围板；10—前横梁；11—副车架；12—前纵梁；13—挡泥板； 14—挡泥板加强撑；15—前座椅横梁；16—地板通道；17—前地板；18—前立柱；19—门槛； 20—中立柱；21—后地板；22—地板后横梁；23—后纵梁；24—后轮罩；25—后翼子板；26—后立柱
第1章综论 14冲压变形的理论基础 1.41金属塑性变形的概念 在外力作用下,固体材料发生形状和尺寸变化的现象称为变形,使物体产生变形的外 力称为变形力。变形力去除后,能恢复原状的变形称为弹性变形;变形力去除后,不能恢 复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下,既能产生弹性变形,又能从弹 性变形发展到塑性变形,是一种具有弹塑性的工程材料。从微观结构上看,弹性变形阶段, 金属体受力较小,金属体内部原子的间距有微小的改变,从而引起了尺寸和形状的变化, 变形力去除后,原子回到原来的稳定平衡位置,该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸 当金属体受力较大,迫使原子偏离原来的稳定平衡位置,而达到邻近的稳定平衡位置,变 形力去除后,原子就不再回到其原来位置,而是停留在邻近的稳定平衡位置上,因而变形 就成为不可恢复的永久变形,这就是金属的塑性变形 金属学研究成果表明,所有的固态金属都是晶体,各种固态金属的晶体结构并不完全 相同。工业应用的金属中,除少数具有复杂的晶体结构外,最常见的金属晶体结构有面心 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的原子间距是不同的。 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行,最常见的方式为滑移,即晶体 部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移,这一晶面和晶向称为滑移面和滑移 方向。一般来说,滑移面总是原子排列最密的面,滑移方向总是原子排列最密的方向。因 为沿着原子分布最密的面和方向,滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组 成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相 同时,金属晶体的滑移系愈多,则滑移时可能出现的滑移位向愈多,塑性就愈好。一般说 来,面心立方和体心立方金属的滑移系较多,因此比密排六方金属的塑性好 就理想的晶体结构而言,全部原子都是规则地排列在晶体的格点上,然而实际晶体总 是存在着各种缺陷,引起晶格的畸变以及原子排列的不规则,最明显的是多晶体。这些缺 陷包括位错、晶界、空位、间隙原子和异质原子等。硏究表明,有些缺陷对金属塑性变形 有很大的影响,如晶体的滑移变形就是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的 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。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的 金属试样上观察到。 工业上用于塑性成形的金属都是多晶体,组成多晶体的各晶粒类似于单晶体,它们的 大小、形状、位向不同,晶粒之间又有晶界相连,因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。 多晶体的变形,就其中每个晶粒的变形来讲,不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式 但就总体而言,多晶体内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,所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果
第 1 章 综论 5 1.4 冲压变形的理论基础 1.4.1 金属塑性变形的概念 在外力作用下，固体材料发生形状和尺寸变化的现象称为变形，使物体产生变形的外 力称为变形力。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；变形力去除后，不能恢 复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下，既能产生弹性变形，又能从弹 性变形发展到塑性变形，是一种具有弹塑性的工程材料。从微观结构上看，弹性变形阶段， 金属体受力较小，金属体内部原子的间距有微小的改变，从而引起了尺寸和形状的变化， 变形力去除后，原子回到原来的稳定平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸。 当金属体受力较大，迫使原子偏离原来的稳定平衡位置，而达到邻近的稳定平衡位置，变 形力去除后，原子就不再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而变形 就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形。 金属学研究成果表明，所有的固态金属都是晶体，各种固态金属的晶体结构并不完全 相同。工业应用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的金属晶体结构有面心 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的原子间距是不同的。 单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行，最常见的方式为滑移，即晶体 一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移 方向。一般来说，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。因 为沿着原子分布最密的面和方向，滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组 成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相 同时，金属晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一般说 来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。 就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶体的格点上，然而实际晶体总 是存在着各种缺陷，引起晶格的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺 陷包括位错﹑晶界﹑空位﹑间隙原子和异质原子等。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形 有很大的影响，如晶体的滑移变形就是在剪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。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的 金属试样上观察到。 工业上用于塑性成形的金属都是多晶体，组成多晶体的各晶粒类似于单晶体，它们的 大小﹑形状﹑位向不同，晶粒之间又有晶界相连，因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。 多晶体的变形，就其中每个晶粒的变形来讲，不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式。 但就总体而言，多晶体内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，所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果