常用冲压工艺基本原理ppt课件.ppt

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1、常用冲压工艺基本原理,制作:工程部,版本:A/1,第一讲：冲裁,一、冲裁 1、冲裁变形过程： 根据实测到的冲裁力曲线，并经过对冲裁变形的观察与分析，冲裁变形全过程可以分为以下6个阶段 。 冲裁变形过程中，材料经受各个变形阶段的作用与特征及其对冲裁加工之实现诸方面的主要影响见下表。 冲裁变形过程各阶段的特征与影响,冲裁变形全过程的6个阶段，所反映的分别是模具工作的冲击压缩阶段、压入剪切阶段、裂缝生长阶段、突然分离阶段、一部分材料推出凹模阶段、另一部分材料卸离冲头阶段等6个阶段。 冲裁变形过程中各个变形阶段的变形情况及其位置关系如下图所示： a)、冲击压缩 b)、压入剪切 c)、裂缝生长 d)、突

2、然分离 e)、推出凹模 f)、卸离冲头,2、冲裁变形区与受力分析（1）、冲裁变形区是指材料被分离断开的那一部分区域，但具体的模型未有统一的认识。现公认的有纺锤形变形区(如下左图)和8字形变形区(如下中图)（2）、变形区及邻域的应力分析 （a）、冲裁力造成的应力：如下右图所示，冲裁变形时，于冲头平面下方、凹模平面上方的材料，由于分别受到模具直接传递的高压作用，成为压应力区。同时，材料的塌角处，既要支撑变形区又因摩擦力的作用而受到拉伸，成为拉应力区。 （b）、力偶引起的（弯曲）应力：讨论这种应力时，首先应分清冲裁时模具结构上加压料板和不加压料板有所不同，如右图所示。,3、冲裁变形过程中力的计算 在

3、纯剪切的场合，剪切变形的屈服应力为拉伸变形屈服应力的1/2。虽然可以推论出剪切抗力是抗拉强度的1/2，但因冲裁时变形范围较大，它并不是一种纯剪切，在其剪切变形中包含有拉伸、压缩、弯曲等作用，还有工具与材料间的摩擦影响等，因此，冲裁时的剪切抗力大于这种比值。实际上作为经验数值，常取抗剪强度为抗拉强度的0.8倍，即=0.8b 冲剪力 F剪切= * t * L式中： 材料抗剪强度（kg/mm2） t 材料厚度（mm） L 剪切形状的周长（mm） 卸料力 F卸料=6%冲剪力4、冲裁件的质量（1）、冲裁断面 如下图所示，冲裁件的断面是由4个部分组成的： a、塌角（一端圆角部分） b、剪切面（紧挨圆角的较

4、光洁面部分） c、断裂面（粗糙表面部分） d、毛刺（另一端高出板平面部分）,（2）、冲裁件的精度 关于冲裁件的精度问题，主要表现在以下三个方面： （a）、弯拱：从冲裁过程的受力与变形分析中得知，材料受到弯曲力偶的作用， 因而冲裁件会有弯拱出现，严重的会看到明显的挠度存在。 一般预防弯拱的错施是：对于冲孔件，在模具结构上增设压料扳；若是落料件，则在凹模孔中加顶料板。 弯拱的深度即弯拱挠度取决于材料的特性。容易弯曲变形的材料、加工硬化指数大的材料，其弯拱较大。另外，间隙愈大，弯拱也愈大。 （b）、尺寸精度：冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与公称尺寸之差，差值愈小，表明尺寸精度愈高。除了模具制造

5、偏差外，这个差值主要是指冲裁件相对于模具尺寸的偏差。比如，冲裁时所得到的外径尺寸，如果与凹模孔径尺寸相同，则认为其尺寸精度好。但实际上工件的外径与凹模孔径尺寸往往有百分之几毫米的偏差。这是因冲裁后的弹性回复所致。冲裁件外径尺寸的最大处位于剪切面与断裂面的分界处，假如该分界线在材料中性面层以上时，弹复后则尺寸增大；反之，在中性面层以下时，则尺寸减小。 （c）、斜度：冲裁件由于弯曲变形的残留和弹复，其剪切面（带）上会存在有斜度或叫锥度。实际上即便没有弯拱发生的某些材料冲裁件断面也仍有某种程度的斜度存在。,5、间隙对冲裁加工的影响 （1）、间隙对冲裁件断面的影响：小间隙冲裁时，工件的剪切面较大，可超

6、过断面厚度的1/2以上甚至有二次剪切面（但普通冲裁很少采用接近于零的间隙值）；适中间隙的剪切面一般占断面的1/31/2；间隙太大，则剪切面变小，塌角增大，毛刺也增大。 （2）、间隙对冲件精度的影响：研究表明，间隙对冲裁件弯拱影响的一般规律为：小间隙时，弯拱较大；间隙为（5%15%）t时弯拱较小；往后，随着间隙的增大弯拱挠度又增大。冲裁件断面锥度是随着间隙的增大而不断增大的。 （3）、间隙对模具寿命的影响：一般地说，间隙愈小，模具作用的压应力愈大，磨损愈严重，寿命愈低。间隙过小造成模具因胀裂而报废的怀况也时有发生。而间隙太大时，模具因受到的拉应力作用增大会使模具磨损又变严重，故模具寿命反而又变短

7、。 模具寿命是一个受各种因素综合影响、相当复杂的问题，间隙只是其中一个因素，而不是唯一因素。 （4）、间隙对加工能量的影响：从节省加工能量的角度出发，采用中等间隙是最好的，可降低冲裁力、冲裁功，减小推料力、卸料力及模具的侧压力。,(表) 冲裁间隙分类,(表) 冲裁间隙的选取（惠州安特科技）,6、减小冲裁力的设计 （1）、斜刃模冲裁：斜刃口模具冲裁过程，如同斜刃口剪板机剪切板料一样，材料是逐渐地一部分一部分地剪断分离的，因此，它比平端面刃口冲裁减少很多。为了得到平整零件，落料时冲头应成平状，凹模加工成斜刃；冲孔时则相反，凹模成平状，冲头加工成斜刃。如下图a、b所示。 a）、斜刃落料 b）、斜刃冲

8、孔 c）、阶梯形布置冲头 （2）、阶梯形布置冲头冲裁：在多冲头模冲裁时，将各冲头加工成不同的高度，见上图c，可使各个冲裁力的峰值不至于同时出现，于是降低了总冲裁力。,在采用阶梯形布置冲头的设计时应当注意以下几个问题： a、阶梯形冲头的高度差H只要稍大于冲裁件断面之剪切面高度即可； b、先开始工作的冲头最好带有导正销； c、一般先冲大孔，再冲小孔，这样可以使小直径的冲头做得尽量短一些，增加其抗 压失稳的能力；但如果先冲小孔，再冲大孔，则有可能更符合压力机的力-行程曲线； d、在设计时还应注意模具的对称性，以减小压力中心和偏移。 （3）、加热冲裁：材料加热后，其抗剪强度和抗拉强度大为降低，从而能降

9、低冲裁力。这种方法在铁道机车工厂及一些小型机械修配厂有所采用。但加热冲裁操作麻烦且准备工作困难，故应用范围并不广泛。,第二讲：弯曲与翻边,一、弯曲1、种类：L形弯曲，V形弯曲， U形弯曲， Z形弯曲等；2、特征参数： t材料厚度； B弯曲高度； BL弯曲线长度； Ri 弯曲内圆角半径； Ro弯曲外圆角半径； 弯曲时，内角部位存在压缩应力，外角部位存在拉伸应力，在拉伸和压缩应力的共同作用下，角部材料变薄。因此在计算弯曲展开长度时我们就必须引入弯曲中性层系数k。 2.1：弯曲展开长度计算 弯曲展开长 L L1+L2+L3；其中L2/2（Ri + k*t） 2.2：弯曲力、压料力的计算 弯曲力F弯曲

10、0.40 * BL* t * 压料力F压料0.13 * BL* t * 其中：材料的抗剪强度（kg/mm2）,2.3：影响特征效果的主要因素： （1）、材料的特性（如屈服强度、杨氏模量） （2）、材料的厚度公差 （3）、弯曲内径对材料厚度的比值 （4）、弯曲结构 （5）、弯曲线的方向 2.4：现有产品特征参数范围：3、根据材料厚度、尺寸及公差分类： 3.1：材料厚度小于1.5mm 3.1.1：具体参数范围,3.1.2：展开长度计算 根据实际的弯角形状，我们假定：Ro=Ri+1.3t 通常，展开长度按下列公式计算： ：L = A + B + 0.4t；（经验公式）或 ：L = L1 + L2 +

11、 L3； 其中L2/2（Ri + k*t） 一般Ri的取值为0.3t；对于SPCC材料， 当Ri=0.3t时，k约为0.33； 3.1.3：模具结构参数 右图是标准的90o弯曲设计，各参数按下表 来选取： 仅当弯曲高度公差小于或等于0.06时，才使用 高度限位块。,3. 2：材料厚度大于或等于1.5mm 3.2.1：具体参数范围 3.2.2：展开长度计算 展开长度计算公式为：L=L1+L3+ /2（Ri + k*t） 中性层系数k的取值见下表： 3.2.3：模具结构参数（见右图） （1）：弯头结构参数（见下图） 材质 ：DC53 外形尺寸应考虑其强度和刚度。,（2）：压肩镶块结构参数（见右图）

12、 材质：DC53 VCM产品弯曲时，在弯曲高度和弯曲 宽度上应同时限位。 3.3：弯曲高度小于1.5t 3.3.1：具体参数范围 3.3.2：该特征所面临的问题 原因在于弯曲直边短，弯曲根部堆积的材料未来的及被弯曲边所吸收时，弯曲过程结束。同时由于弯头在弯曲过程中对弯脚顶部材料产生挤压，端部厚度小于材料厚度t。见图：,弯曲后直边不满足要求,3.3.3：该特征设计改进方案 （1）：弯曲外侧打U型槽（见下图） A 、模具结构参数 该U型槽为半圆形，即COINING冲头半径为Hp。 B、模具结构参数可查表：,（2）：弯曲线内侧打V型槽（见下图） A 、模具结构参数 B、弯曲完成后外观比较好，但弯曲线

13、内侧有缝隙，油污清洗不尽，可能产生电 不良。,二、翻边 翻边是将金属平板坯或半成品工序的某一部分，沿其一定的轮廓线使其内法兰部分变大、成为有竖边边缘零件的冲压成形方法。也有不变成竖边，只把坯料中某一部分的孔加以扩大的。圆孔翻边是翻边的基本形式，亦有叫翻孔的。虽然还有一些翻边形式在变形特点与应力状态上较圆孔翻边要复杂些，但究其基础仍然是圆孔翻边。说翻边是拉伸类冲压成形的典型工序之一，也是基于这个道理。 下面简单介绍一下翻孔成形的一些基本概念及特征参数。1、翻孔的基本概念： 翻孔是沿内孔周围将材料翻成侧立凸缘的冲压工序。 翻孔一般用作小螺纹底孔、装配时的定位以及接合由薄料（0.6mm以下）制成的零

14、件。2、翻孔的基本形式： 常见的翻孔形式有如下三种：平面翻孔 拉深件翻孔 拉深后翻孔,3、锥形冲头翻孔特征参数： t材料厚度； Ds1预孔直径； Ds2板材直径； Dp冲头直径； rp冲头圆角半径； a冲头角度； C凸凹模间隙； rd凹模圆角半径；4、锥形冲头翻孔成形过程： 翻孔时，带圆孔的板材被压料板夹紧，变形区凹模圆角以内，并在凸模轮廓的约束下受到拉应力作用。随着凸模下降，板材上的圆孔不断胀大，凸模下面的材料向侧面转移，直到完全贴靠凹模侧壁，形成直立的竖边。 翻孔过程中，孔缘处只受切向拉应力作用，厚度变薄最为严重，因此，主要危险在孔缘拉裂处。由此也可以说明，翻孔属伸长类变形。,5、翻孔的成

15、形极限： 翻孔的变形程度用翻孔系数 K 表示：K = do/Dm 式中 do：板材上的预孔直径； Dm：翻孔后竖边的中径； 翻孔的成形极限是根据孔缘是否发生破裂来确定。改善翻孔成形性的措施：（1）、提高材料的塑性。材料延伸率和应变硬化指数n大，K就小，有利于翻孔。（2）、翻孔孔缘无毛刺和硬化层时，K较小，成形极限较大。为此可在冲孔后进行修整，消除毛刺、撕裂带和硬化层或在冲孔后退火。为消除孔缘表面的硬化，可以用钻削代替冲孔。为了避免毛刺而降低成形极限，翻孔时须将预制孔有毛刺的一面朝向凸模放置。（3）、用球形、锥形和抛物线形凸模翻孔时，孔缘会被圆滑地张开，变形条件比平底凸模 优越。（4）、板材相对

16、厚度越大，在断裂前（5）、若翻孔过程中板材外径（法兰部分）可能产生的绝对伸长越大，K越小，成形极限越大。发生收缩，翻孔就无法进行，这时就要增加一些附加工序，如增大板材外径，防止外径收缩；增加翻孔后再修正外径的工序；或落料后先进行拉深，然后再冲孔、翻孔。（6）、翻孔高度（包括圆角半径在内）要满足h1.5r，否则得不到垂直的竖边，为此要增加翻孔高度，翻孔后再对高度进行修整。,6、翻孔成形的影响因素：（1）、模具几何形状和尺寸； a、翻孔冲头接触形状 翻孔冲头对翻孔结果的影响，归根到底，就是在翻孔成形的过程中，冲头与板材接触部分对翻孔的影响。 在翻孔成形的过程中，冲头与板材曾经接触的部分，称为冲头接

17、触形状。 对于一定厚度的板材，冲头接触形状由冲头圆角半径、冲头角度以及预孔半径共同决定。显而易见，就整个翻孔成形来说，同一个冲头接触形状，可以有多种不同的条件（冲头圆角半径、冲头角度和预孔半径）组合。 因此，冲头接触形状对翻孔结果的影响，就是这三个因素共同作用的结果。 b、翻孔内径大小 c、翻孔间隙（2）、冲压条件 a、预孔大小 b、预孔的加工方法 c、板材大小 d、摩擦系数 e、压料力,第三讲：胀形,一、胀形 胀形即凸张成形，是一种凸缘流变为零或极小，仅利用模孔内材料的厚度变薄和表面积增大，来获得部品几何形状的变形工艺。 凸张成形大多使用在宽广面积中局部需膨胀的情况。1、凸张成形的分类与特点

18、,2、凸张成形的力学特点 凸张成形的过程中，变形区限制在模孔以内的板材上，在凸模力作用下，与冲头面接触的板材处于两向受拉的应力状态（忽略板厚方向的应力），沿切向和径向产生拉伸变形，使板材厚度减薄、表面积增大，得到与凸模一致的凸包。由于凸张时板材处于双向拉应力状态，板材不会产生压缩失稳，主要应防止拉伸破裂。3、利用柔软模具的凸张成形加工 用作凸张成形加工的柔软模具，多为橡皮或液体。（1）、对向液压凸张法 对向液压凸张成形方法，是在薄板的反方向赋予预备凸张后压入刚体冲头的方法。使用刚体模具作凸张成形时，其平均伸长率有10左右，而使用此方法时可达到30以上，可大幅度提高凸张高度。（2）、复式液压凸张

19、法 复式液压凸张成形法，是以液压凸张作为预备成形，并以刚体冲模压向已经凸张的状态，藉凸张用液压与金属模获得最终形状的方法，使用于平底形状的成形。,（3）、强制润滑凸张法 强制润滑凸张成形法，利用液体进行强制润滑，改善凸模的润滑环境，降低摩擦系数，从而增加凸张成形的高度。4、凸张成形性的支配因子 凸张成形性主要受以下两大因子所支配：（1）、应变的均匀性；（2）、材料的延性（成形极限）；4.1、应变的均匀性 应变的均匀性如图所示，A与B不同。当凸张至相同深度时，应变均匀的A材料由于各部分普遍均匀伸长，其最大应变部的应变量较低，至成形极限尚有盈余，还可以进行更深的成形。而另一方面，B材料应变局部集中

20、，变形已达成形极限，无法再作更深的成形。由此可知，应变均匀，即可进行深度成形。4.2、材料的延性 材料的延性如图所示。延性的大小意味着成形极限应变的高低，成形极限应变较大者，当然成形深度也较大。 因此，我们研讨凸张成形性，也就是要阐明影响应变均匀性和延性的因素及其影响结果。,5、影响变形均匀性的主要因素5.1、材料性质的影响 a、加工硬化指数n n值一般与材料的抗拉强度与屈服点的比值（ b/ c）约成正比。 加工硬化指数n值对应变均匀性的影响很大。n值大，材料的硬化效应大，变形抗力增大，从而使应变分布趋于均匀化。 b、厚向异性系数r r值表示板面方向与板厚方向的变形容易程度的差异，又称垂直异方

21、性系数。 依条件的不同，r值的增加对应变均匀性有好与坏两种效果。5.2、模具结构及尺寸的影响 a、冲头形状 采用平底冲头进行凸张时，应变基本集中于冲头角部弯曲半径附近。当冲头头部材料往侧壁流入时，由于受到冲头肩部摩擦力的阻碍而没有什么伸长，在冲头肩部稍往侧壁处的材料产生很大的变形而造成很大的伸长和板厚的减小，自冲头肩部至冲模肩部侧的材料则变形极小。 利用球形冲头凸张时，其应变的分布变得缓和，且应变最高点的位置也易受摩擦的影响而变动。 b、模具几何尺寸 冲头直径、圆角及凹模圆角等模具几何尺寸对变形的均匀性具有很大的影响。5.3、冲压条件的影响 a、润滑效果 对于凸张成形，润滑效果常有正面作用。润

22、滑效果可以全面提升破断部以外的应变水准，改善应变的不均匀性，同时对破断位置也有影响。,平底冲头凸张成形的破断位置局限在冲头肩部，而球头冲头凸张则因润滑性能的不同，破断位置会有很大的变化。降低润滑性能使摩擦系数较大的情况下，破断位置会大大远离中心，反之则会靠近中心。 b、冲压速度 提高变形速度，则可降低摩擦系数，从而降低金属流动的阻力，改变变形的不均匀性。6、影响延性的主要因素 材料的延性之一为母材的延性，决定于均匀分散的介在物及晶粒度等平均的性质，另一个影响因素为受到表面附近大型介在物的直接影响。 在薄板中会造成问题的一般是属于前者形态的延性，而在凸张同时另附加有弯曲要素的中厚板，其成形则受后

23、者形态所支配。6.1、延伸率 延伸率由均匀延伸率和局部延伸率所构成。延伸率大，破裂前允许的变形程度大，成形极限也就大。6.2、材料厚度t 在凸张成形中，基本存在板厚效应。（1）、随着板厚的增加，破断极限应变会增加；（2）、板厚较大时，若将成形极限以破断极限来看，破断附近的领域（应变非常大的领域）占整体的比例会变大而增加成形极限深度。此种现象也意味着较厚的板件在颈缩开始至破裂的时间较长。 料厚与制件尺寸的比值较小时，板厚效应不显著。 薄板的凸张成形性由应变的均匀性与延性决定，但当制件尺寸较小时，最大应变领域占整体的比例较大，因此延性的效果较大。反之，在大尺寸的凸张成形中，应变均匀性的效果较大。,

24、第四讲：拉深成形,一、材料特性与拉深性能,（续表）,二、模具结构参数注：多步拉深时，相应变量附以角标，如第二步的Punch直径为Dp2。,三、拉深成形的基本概念1、工艺特点 拉深与凸张成形的区别就是凸张成形靠减少板厚来增加表面积，而拉深并非以减少板厚为目的。从理论上来讲，拉深可以成形任何深度的零件。 从成形极限深度考虑拉深与凸张成形的区别（见右图）2、拉深加工的力学特性 根据受力及变形性质，可将其分为五个区，参见下图：（1）、底部 平面应力状态，厚向应变很小；（2）、Punch圆角部 拉深与凸张成形的区别 受两向拉伸作用，厚向受压，拉深断裂常在此处产生；（3）、侧壁 传力区，平面应变状态；（4

25、）、Die圆角部 凸缘与侧壁之过渡部分，受拉压作用；（5）、凸缘部 凸缘径向受拉，切向受压，此即为产生皱纹的内在原因。 拉深的区域说明,3、拉深加工的现象（1）、材料流动状况（见下图一）（2）、等效应力分布（见下图二） （图一） （图二）（3）、拉深过程中冲头力的变化 拉深过程初期至中期，加工硬化的程度超过凸缘面积减少的程度，因此冲头力随之增大。在行程中期，冲头力达到稳定值，这是因为两者处于均衡状态。如若继续成形，则凸缘面积减少的速度会超过加工硬化的增加速度，而使冲头力减小。随着拉深比k的增大，最大冲头力也随之增大，当超过强度极限时，便会造成破断。,四、Die及Punch的圆角对最小厚度的影响

26、 若圆角过小，材料流动阻力增大，容易破断；若圆角过大，Holder对凸缘的抑制面积减少，易产生皱纹。 相对圆角半径值r/Dp对最小厚度tmin有如下影响： 、同一最小厚度tmin，拉深比k增大，相对圆角半径r/Dp亦应增大； 、增大相对圆角半径r/Dp只在一定范围内可以增加最小厚度tmin，过此范围后，再增大相对圆角半径r/Dp，最小厚度tmin并不会增加甚至会减小； 、因为最小厚度并不总是随着相对圆角半径r/Dp增大而增大，因此，拉深比k有一定限度。 、随着拉深比k的增大，r/Dp的有效区域相应的减小。五、压料力的优化取值 压料力的放置要兼顾两点：第一，放置必要的压料力以抑制皱纹；第二，放置

27、适当的压料力以避免因此而造成的阻力过大。 压料力对拉深的影响：主要考虑三方面：a：对最小厚度tmin的影响； b：对压料板移动的影响； c：对凸缘材料增厚量tmax-t0的影响；,六、再拉深 ( 简介 ) 带凸缘零件的再拉深工程是将筒形部分拉成小直径的筒形，即依靠零件内部材料的转移来增大凸缘的宽度。（如下图所示） Dn第n步拉深直径，以平均直径为准，可近 似以第n步Punch的直径Dpn或第n步Die的 直径Ddn代替； Df凸缘直径； hn第n步拉深高度； 以后的再拉深工程应进行到这样的深度，即第一步中所得到的凸缘不被拉动，也即是应保持凸缘直径为一恒定值。 以后的再拉深工程，是将第一步中拉入的多余金属转移至凸缘，增大凸缘的宽度。 有凸缘的拉深加工，其再拉深有两种方法（如下图所示）：一是开始进行直径大的浅拉深，再逐渐减小直径并加大深度（Df保持不变）；二是先取较大的拉深半径拉深至目标深度或略大于目标深度，接着保持凸缘外径不变及拉深深度一定，以后工程逐渐减小直径。 前者适用于厚板或深度大于直径的情况，应用广泛。,再拉深的常用形式,2、硬化对再拉深的影响,共同打造共赢品质,