《冲压成形概述》PPT课件.ppt

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1、模具设计课程,模具设计,主讲人 杨拓宇,安徽科技学院 工学院,电子教案 目录,第一章 冲压成型概述,第二章 冲裁工艺与冲裁模,第三章 弯曲工艺与弯曲模,第四章 拉深工艺与拉深模,第五章 其它成形工艺与模具设计,第六章 塑料与塑料成形工艺,第七章 塑料注塑模设计,绪 论,绪论,一、什么是模具：,模具是工业生产的重要工艺装备。它是以其自身的特殊形状，通过一定的方式使原材料成形的工艺装备。,二、模具的分类。按成形的对象和方式来分，模具大致可以分为三类：金属板料成形模具，如冷冲压模；金属体积成形模具，锻造模具、粉末冶金模具等；非金属材料成形模具，塑料模具、玻璃模具、陶瓷模具,绪论,三、模具工业的地位、

2、作用、现状：,地位：模具工业在我国已经成为国民经济发展的重要基础工业之一；是现代工业生产的重要工艺装备；是工业中的基础产业。现状：模具标准化，专业化，商品化水平低；大型，精密，复杂，长寿命模具少，自动化水平低。,绪论,四、模具技术发展的趋势：,1.全面推广应用CAD/CAM/CAE技术；计算机技术的普及已经具备普及CAD/CAM/CAE的条件。2不断提高模具标准化程度；能有效提高模具通用性和互换性，降低成本，缩短制造周期；3优质材料及先进表面处理技术的应用，提高模具使用寿命；,绪论,4模具制造技术的发展，高效、快速、精密化；快速原型制造技术为传统方法的1/3(时间)1/4（成本）,5逆向工程技

3、术：快速、正确地把复杂的实物复制出来，同时也可以通过实物制造模具进行复制，是今后我国重要发展方向。6模具研磨抛光的自动化，智能化。,第一章 冲压成形概述,内容简介：,本章讲述冲压模具设计的基础知识。涉及冲压和冲模概念、冲压工序和冲模分类；冲压成形基本原理和规律；冲压成形性能及常见冲压材料；种类、性能、选用原则及热处理方法；模具制造特点、模具零件加工方法及应用；常见冲压设备及工作原理、选用原则等。,第一节 冲压成形特点与分类,冲压成形：,一、冲压成形特点,第一章 冲压成形概述,1.基本概念,冲压生产场景,室温下，在压力机上通过模具对板料金属（非金属）加压，使其产生分离或塑性变形，从而得到具有一定

4、形状、尺寸和性能要求的零件的加工方法，又叫冷冲压或板料冲压。,第一章 冲压成形概述,加工对象：主要金属板材,加工依据：板材冲压成形性能（主要是塑性）,加工设备：主要是压力机,加工工艺装备：冲压模具,第一节 冲压成形特点与分类,一、冲压成形特点,冲压成形,冲压模具：,在冲压加工过程中，将材料加工成零件（或半成品）的成形装备，称为冲压模具（俗称冲模）。,2基本特点（与其它加工方法相比）,第一章 冲压成形概述,1)可以得到形状复杂，用其他方法不能或难以加工的工件；2）尺寸精度由模具来保证，所以质量稳定，一致性好；3）材料利用率高，属于少、无切削加工；4）可以利用金属材料的塑性变形提高工件的强度、刚度

5、；（刚度是指物体在外力作用下抵抗变形的能力，刚度越高，物体表现的越“硬”。对不同的东西来说，刚度的表示方法不同，比如静态刚度、动态刚度、环刚度等。一般来说，刚度的单位是牛顿/米，或者牛顿/毫米，表示产生单位长度形变所需要施加的力。）,第一节 冲压成形特点与分类,一、冲压成形特点,2基本特点,第一章 冲压成形概述,5)生产率高，操作简便；易于实现自动化；6）模具寿命长，生产成本低。7）冲压加工是制造业中最常用的一种材料成形加工方法。,第一节 冲压成形特点与分类,一、冲压成形特点,第一章 冲压冲压成形概述,冲压成形产品示例一日常用品,第一章 冲压成形概述,冲压成形产品示例二高科技产品,汽车覆盖件,

6、飞机蒙皮,二、冲压工序分类,第一章 冲压成形概述,根据材料的变形特点分：,第一节 冲压成形与模具技术概述,分离工序：,分离工序、成形工序,被加工材料在外力作用下，因剪切使材料发生断裂从而产生分离，形成一定形状和尺寸的零件。分离工序主要有剪裁、冲孔、落料、切边等。,第一章 冲压成形概述,成形工序：,被加工材料在外力作用下，发生塑性变形，从而得到具有一定形状和尺寸的零件。如弯曲、拉深、翻边等。,二、冲压工序分类,第一节 冲压成形与模具技术概述,第二节 冲压成形的基本理论,塑性：表示材料塑性变形能力。它是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力。,一、塑性、塑性变形与塑性条件,塑性指标

7、：衡量金属塑性高低的参数。常用的塑性指标为延伸率和断面收缩率。,第一章 冲压成形概述,1、定义变形：塑性变形、弹性变形。,第二节 冲压成形的基本理论,塑性变形：作用于物体的外力去除之后，物体并不能完全恢复到自己原来的形状和尺寸的现象。,一、塑性、塑性变形与塑性条件,变形抗力：金属塑性变形时，反作用在运动着的工具表面上的单位压力；也就是材料的抗变形能力。变形抗力设备功率模具负载 模具磨损模具寿命。,第一章 冲压成形概述,1、定义,第二节 冲压成形的基本理论,1)金属的成分和组织结构：金属的组织结构取决于它的化学成分。一般来说，组成金属的元素越少（如纯金属和固溶体）塑性越好；滑移系数量越多，力学性

8、能趋近一致，晶界强度越大，塑性越好。2）变形温度：温度升高塑性会提高。室温附近叫冷加工；再结晶温度以上的加工称为热加工；高于常温而低于再结晶温度的加工称为温热加工。,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素,第一章 冲压成形概述,主要有两方面：一是金属本身，包括晶格类型、化学成分和金相组织等。二外部条件，包括变形温度、变形速度和应力状态。,3)应力状态：,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素,第一章 冲压成形概述,第二节 冲压成形的基本理论,为了全面、完整地描述变形区内各点的受力和变形情况。,（应力正应力、剪应力）,通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即

9、所谓单元六面体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表示。已知该九个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可求得。,点的应力状态a）任意坐标系 b）主轴坐标系,第一章 冲压成形概述,第一章 冲压成形概述,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素3)应力状态：如果在图中只有正应力而无切应力，则此图称为主应力图；在塑性变形过程中可能出现九种主应力状态（如图1.3所示）。主应力图中压应力数越多，数值越大，则塑性越好。如下图所示的主应力状态中第1种塑性最好，第7种塑性最差。,第二节 冲压成形的基本理论,1,5,3,6,4,2,7,5a,3a,第一章 冲压成形概述,第二节 冲压成

10、形的基本理论,主应力图及对塑性的影响,第一章 冲压成形概述,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素 主应力中压应力成分越多，金属越不易破坏，塑性越好；相反，拉应力成分越多，金属越易破坏，塑性越差。静水压力：1=2=3；称为静水压力（球应力状态）静水压力越大，则越有利于塑性的发展，塑性越好。,第二节 冲压成形的基本理论,第一章 冲压成形概述,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素卡尔曼压缩实验（图1.4所示）1912年卡尔曼（Von.Karman）对大理石和红砂石的著名压缩实验，揭示了通常认为是脆性材料的石料在三向压应力下却能产生塑性变形的事实。除了进行轴向压

11、缩外，还对试样施加侧向压力（甘油压入试验腔内）使之受三向压应力。,第二节 冲压成形的基本理论,第一章 冲压成形概述,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素卡尔曼压缩实验 试验结果表明，在只有轴向压力作用下，大理石和红砂石显示完全脆性，而在轴向及侧向压力同时作用下，却表现出一定的塑性（大约8%）。侧压力越大时，变形所需要的轴向压力也越大，塑性也越高。,第二节 冲压成形的基本理论,第一章 冲压成形概述,卡尔曼实验装置,第一章 冲压成形概述,第二节 冲压成形的基本理论,一、塑性、塑性变形与塑性条件 2、影响塑性变形的主要因素前苏联人拉斯切拉耶夫在更大的侧压力下进行大理石压缩实验，得

12、到了78%的变形程度，并在很大侧压力下拉伸大理石，得到了25%的延伸率，出现了象在金属试样上出现的那样的细颈。这两个实验得出的结论就是：静水压力越大，材料塑性提高越多；这就是著名的静水压效应。,第二节 冲压成形的基本理论,一、塑性、塑性变形与塑性条件 3、塑性条件 材料（或某点）开始屈服时，各个应力分量之间的关系称为塑性条件或屈服准则。当物体中某点处于单向应力状态时，只要该点s材料就开始屈服，即该点进入塑性状态。可是对于复杂的三向应力状态，就不能仅根据一个应力分量来判断该点是否达到塑性状态，而要同时考虑其它应力分量的作用。,第一章 冲压成形概述,第二节 冲压变形理论基础,3、塑性条件两个著名屈

13、服准则,一、塑性、塑性变形与塑性条件,第一章冲压成形概述,1864年法国工程师屈雷斯加（H.Tresca）提出：任意应力状态下只要最大剪切应力达到临界值，材料就开始屈服。可表示为：max=1-3/2=s/2或1-3=s,第二节 冲压变形理论基础,3、塑性条件,一、塑性、塑性变形与塑性条件,第一章冲压成形概述,1913年德国学者密席斯（Von Mises）提出另一塑性条件对此进行修正：当某点的等效应力i达到某临界值，材料就开始屈服。表达式如下：,第二节 冲压变形理论基础,式中：i-等效应力；1、2、3-三个主应力；s-屈服强度,一、塑性、塑性变形与塑性条件 3、塑性条件,第一章冲压成形概述,当1

14、=2时，即中间主应力等于最大主应力时 上式变为为1-3=s当2=3时，即中间主应力等于最小主应力时 上式变为为1-3=s当2=1/2(1+3)时，即中间主应力等于最大主应力与最小主应力的平均值时 上式变为为1-3=11.15s,第二节 冲压变形理论基础,综合上述三种情况，塑性条件可以简化为；1-3=s 式中为中间主应力2 对s的影响系数，=11.15.在应力分量未知的情况下，取近似平均值1.1。,一、塑性、塑性变形与塑性条件 3、塑性条件,第一章冲压成形概述,第二节 冲压变形理论基础,1、加工硬化,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,在冷塑性加工中，材料表现出的强度指标（HB，s，b）上

15、升和塑性指标(，)下降；以及进一步塑性变形时，抗力增加的现象；我们称其为称为加工硬化。这样就引出了真实应力-应变曲线,第二节 冲压变形理论基础,2、真实应力-应变,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,名义应力：用载荷F与试棒初始截面积A0的比值 来表示，即=F/A0。真实应力：真正的应力应该是瞬间载荷与瞬间试棒的 截面积之比来计算。同一载荷下，真实应力大于名义应力。,第二节 冲压变形理论基础,2、真实应力-应变：相对应变、真实应变,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,相对应变：用试棒的伸长量与试棒初始长度的比值 来表示，即,第二节 冲压变形理论基础,2、真实应力-应变：相对应变、真

16、实应变,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,如将长为l0的试棒拉长一倍，则其应变量为：,现将长为2l0的试棒又压缩到l0，则其应变量为：,第二节 冲压变形理论基础,2、真实应力-应变：相对应变、真实应变,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,真实应变：瞬间的长度增量与此时试棒的长度之比,由l0伸长至l 它的总应变量为：,第二节 冲压变形理论基础,2、真实应力-应变：相对应变、真实应变,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,现用真实应变计算上例，则有：,第二节 冲压变形理论基础,3、真实应力-应变曲线,二、真实应力应变曲线,第一章冲压成形概述,材料的变形抗力随变形程度变化的曲线称为

17、：加工硬化曲线。它可由普通的拉伸实验方法求得。但因实验曲线的变化规律很复杂，因此实验工作必须十分精细、且繁琐。板料成形中常用指数曲线来表示如下：C n 式中c-与材料有关的系数 n-硬化指数，表示硬化的程度。C和n的数值取决于材料的种类和性能。见表1.2所列 不同C和n值的硬化曲线如图1.5所示：硬化指数对板料成形性能有着重要的影响,第二节 冲压变形理论基础,三、板料力学性能与成形性能的关系,第一章冲压成形概述,定义：板料成形性能：就是板料对冲压成形工艺的适应能力。板料成形过程中可能出现两种失稳现象：拉伸失稳：板料在拉应力的作用下局部出现缩颈或断裂的现象。压缩失稳：板料在压应力的作用下出现的起

18、皱现象。成形极限：板料在失稳之前可以达到的最大变形程度。成形极限越高，表示板料的冲压成形性能越好。,第二节 冲压变形理论基础,三、板料力学性能与成形性能的关系,第一章冲压成形概述,板料的单向拉伸试验是确定其机械性能的简单而常用的实验方法。一般而言，它提供的机械性能指标，可以用来定性地评估材料的冲压成形性能。重要指标如下：1、强度指标屈服强度s和屈强比s/b：若 s 和s/b小，则表示允许的塑性变形区域大，成形过程稳定性好，断裂危险性小，有利于提高极限变形程度、减少工序数目，且回弹也小。,第二节 冲压变形理论基础,三、板料力学性能与成形性能的关系,第一章冲压成形概述,2、塑性指标伸长率：是在拉伸

19、试验中试样开始产生局部集中变形（缩颈）的延伸率，称均匀伸长率。它表示板料产生均匀变形或稳定的塑性变形的能力。而一般冲压成形都是在板料的均匀变形范围内进行的，故直接影响板料伸长类变形的冲压性能。3、刚性指标硬化指数n和弹性模量E：当n值大时，表示加工硬化严重，变形大的地方材料强度提高得多，从而防止此处过早破坏，有利于工件变形厚度均匀、提高极限变形程度。弹性模量越大，材料抗压失稳能力越强，回弹愈小。,第二节 冲压变形理论基础,三、板料力学性能与成形性能的关系,第一章冲压成形概述,4、厚向异性指数r：rb/t，宽度和厚度方向的应变；r表示了材料在厚度方向上的变形能力。越大，表示材料越不易在厚度方向上

20、产生变形，即不易出现变薄或增厚，有利于提高极限变形程度。5、板平面各向异性指数r：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，这种现象称为板料的塑性各向异性。r(r0+r90-2r45)/2。,第二节 冲压变形理论基础,三、板料力学性能与成形性能的关系,第一章冲压成形概述,由于材料在不同方位上各向异性系数不同，在板平面内各向变形差异较大。r越大，表示板平面内各向异性越严重，变形不易均匀。如拉深时易在零件口部出现不平整的凸耳现象，既浪费材料又要增加一道修边工序。,第三节 冲压常用材料,一、冲压常用材料的基本要求,第一章冲压成形概述,冲压用材料的基本要求主要有两方面：1、

21、冲压件的功能要求：强度、刚度、冲击韧性；特殊要求：电磁性、防腐性、传热性、耐热性。2、冲压工艺要求：冲压用材料必须具有良好的冲压工艺性能；伸长率大、屈强比小、弹性模量大硬化指数高、厚向异性系数大有利于冲压成形 同时化学成分、表面质量、均匀的金相组织、较小的厚度公差，都对冲压成型有一定的影响。,第三节 冲压常用材料,二、冲压常用材料及其力学性能,第一章冲压成形概述,1、常用冲压材料种类：金属和非金属材料；金属材料：有色金属和黑色金属材料 有色金属：铜及铜合金；铝及铝合金。黑色金属：低合金结构钢、普通碳素钢 优质碳素结构钢 电工硅钢 不锈钢 非金属：胶木板、橡胶、塑料板,第三节 冲压常用材料,二、

22、冲压常用材料及其力学性能,第一章冲压成形概述,2、常用材料规格：710mm*1420mm和1000mm*2000mm；表面质量：高质量表面、较高质量表面、一般质量表面 材料拉伸性能：铝镇静钢分为：ZF最复杂、HF很复杂、F复杂 低碳薄板分为：ZS最深拉深、S深拉深、P普通拉深 供货状态分：M退火、C淬火、Y硬态、Y2半硬态3、力学性能 见表1.3,第三节 模具材料选用,不同冲压方法，其模具类型不同，模具工作条件有差异，对模具材料的要求也有所不同。冲模工作零件主要长期承受冲击和摩擦等。,一、冲压对模具材料的要求,第一章冲压成形概述,第三节 模具材料选用,二、冲模材料的选用原则,第一章冲压成形概述

23、,1.根据模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用要求，应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击、耐疲劳性等；2.根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料；3.满足加工要求，应具有良好的加工工艺性能，便于切削加工，淬透性好、热处理变形小；4.满足经济性要求。,第三节 模具材料选用,冲压模具所用材料主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、钢结硬质合金以及锌基合金、低熔点合金、环氧树脂、聚氨酯橡胶等。冲压模具中凸、凹模等工作零件所用的材料主要是模具钢，常用的模具钢包括碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金和钢结硬质合金等（可参见GB/T6991999、GB/T12981986、G

24、B/T12992000、JB/T58261991、JB/T58251981、JB/T58271991等）。,三、冲模常见材料及热处理要求,第一章冲压成形概述,第三节 模具材料选用,模具零件加工常见热处理方法有退火、调质、淬火、回火、渗碳、氮化等。根据零件及要求不同，热处理工序安排 也不同。,三、冲模常见材料及热处理要求,第一章冲压成形概述,第四节 冲压设备及选用,机械压力机（以Jxx表示其型号）,一、常见冲压设备,第一章冲压成形概述,液压机（以Yxx表示其型号）,摩擦压力机,曲柄压力机,数控冲床,油压机,水压机,工作原理与特点：,如表1.2.1所示,第四节 冲压设备及选用,一）曲柄压力机（以J

25、xx表示其型号）1、工作原理：（如图1.8所示）：电动机1通过皮带、齿轮带动曲轴7旋转，曲轴通过连杆带动滑块10沿导轨作上下往复运动。,一、常见冲压设备,第一章冲压成形概述,结构组成：工作、传动、操作、支撑和辅助机构1）工作机构：由曲柄7、连杆9和滑块10组成；将电机主轴的旋转运动变为滑块的往复直线运动。,第四节 冲压设备及选用,一）曲柄压力机（以Jxx表示其型号）,一、常见冲压设备,第一章冲压成形概述,结构组成：工作、传动、操作、支撑和辅助机构2）传动机构：由电机、皮带、飞轮和齿轮组成；将电机主轴的运动和能量按照一定的要求传给曲柄滑块机构。3）操作系统：包括空气分配系统、离合器、制动器、电器

26、控制箱。4）支撑部件：机身、工作台、拉紧螺栓等。5）辅助机构：气路、润滑系统、安全保护等,第四节 冲压设备及选用,一）曲柄压力机 2、曲柄压力机的型号：J B 23-63 第一个字母J 表示机械压力机 第二个字母B 表示第二种变形产品 2表示开式双柱压力机、3代表可倾机身 63表示公称压力（吨）或（630KN）,一、常见冲压设备,第一章冲压成形概述,第四节 冲压设备及选用,一、常见冲压设备一）曲柄压力机 3、曲柄压力机的技术参数：设计模具时的主要依据,第一章冲压成形概述,1.公称压力：滑块或曲柄到下死点时，最大的工作压力,2.滑块行程：滑块从上死点到下死点所走的距离。,3.滑块行程次数：空载时

27、，滑块每分钟上下往复运动的次数。,5.工作台面尺寸和滑块底面尺寸：与模具尺寸及安装有关。,6.模柄孔尺寸：应与模柄尺寸相互协调。,4.装模高度（闭合高度）：下死点时滑块下表面到工作垫板上表面的距离；封闭高度：下死点时，滑块下表面到工作台上表面的距离。,第四节 冲压设备及选用,二）液压机：特点，工作平稳、压力大、操作空间大，设备结构简单 1、工作原理：（如图1.9所示）：主缸3带动活动横梁4对模具加压；工作结束主缸3回复，打开模具。顶出缸7可将工件顶出。,一、常见冲压设备,第一章冲压成形概述,2、液压机型号：Y A 32-315 Y表示压力机 A表示产品的变形顺序号 32表示四柱液压机 315表

28、示公称压力（吨）,第四节 冲压设备及选用,一、冲压设备的选用,第一章冲压成形概述,1.公称压力：名义上液压机最大的工作压力,2.最大净空距：活动横梁在上线位置时，工作台上表面到活动横梁 下表面的距离。,3.最大行程：活动横梁能移动的最大距离。4.工作台尺寸：工作台上可以利用的有效尺寸,5.回程力：由回程缸或活塞下腔工作面来实现。,6.活动横梁运动速度（滑块速度）：分为工作行程速度、空行程速度；回程速度,一）液压机 3、液压机的技术参数：,第四节 冲压设备及选用,一、冲压设备的选用,第一章冲压成形概述,8.顶出器公称压力及行程：按照工艺要求设定。,7.允许最大偏心距：工件变形阻力接近公称压力是允

29、许的最大偏心值。,一）液压机 3、液压机的技术参数：,第四节 冲压设备及选用,（一）压力机类型的选择,二、冲压设备的选用,第一章冲压成形概述,（二）压力机规格的选择,1.公称压力,2.滑块行程长度,3.行程次数,4.工作台面尺寸,5.滑块模柄孔尺寸,6.闭合高度,7.电动机功率的选择,根据工序性质、生产批量、冲件质量等要求进行选择。,第一章冲压成形概述,曲柄压力机,第一章冲压成形概述,数控冲床,第一章冲压成形概述,摩擦压力机传动系统1-电机 2-传送带 3、5-摩擦盘 4-轴 6-飞轮 7、10-连杆 8-螺母 9-螺杆 11-挡块 12-滑块 13-手柄,第一章冲压成形概述,偏心压力机传动系统1-滑块 2-连杆 3-制动装置 4-偏心轴 5-离合器6-皮带轮 7-电机 8-操纵机构,第一章冲压成形概述,曲轴压力机传动系统1-电机 2-皮带轮 3、4-齿轮 5-离合器 6-连杆 7-滑块,第一章冲压成形概述,油压机,第一章冲压成形概述,表1.2.1 常用冷冲压设备的工作原理和特点,第一章冲压成形概述,第一章冲压成形概述,第一章冲压成形概述,第一章冲压成形概述,