改进结构和简化工艺

第3章　板料冲压

3.1　板料冲压的基本工序

3.1.1　板料冲压的特点与应用

冲压是利用冲模使板料产生分离或变形的方法。这种加工方法通常是在常温条件下进行，因而又称冷冲压。只有当板料厚度超过8 mm或材料塑性较差时才采用热冲压。

在金属制品的生产中广泛地采用板料冲压，特别是在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表及国防等工业中，板料冲压占有极其重要的地位。

板料冲压与其他加工方法相比，具有以下特点：

①可以制造其他加工方法难以加工或无法加工的形状复杂的薄壁零件，废料较少。

②冲压产品具有足够的精度和较低的表面粗糙度，互换性能好，一般不再进行机械加工即可装配使用。

③可以利用塑性变形的加工硬化提高零件的力学性能，在材料消耗小的情况下获得强度高、刚度大、质量小的零件。

④生产效率高、操作简单、成本低、工艺过程易实现机械化和自动化。

⑤冲压模具有结构较复杂，加工精度要求高，制造费用大。因此，板料冲压适用于大批量生产。

板料冲压所用原材料，特别是制造中空的杯状产品时，必须具有足够的塑性，常用的金属板料有低碳钢、高塑性的合金钢、不锈钢、铜、铝、镁及其合金等。非金属材料中的石棉板、硬橡胶、皮革、绝缘纸、纤维板等也广泛采用冲压成形。

3.1.2　板料冲压的基本工序

板料冲压的基本工序可分为两大类：分离工序和变形工序。分离工序是坯料一部分和另一部分分开的工序，如剪切、落料、冲孔、切边和剖切等。变形工序是使得坯料发生塑性变形的工序，如弯曲、拉深、成形等。

（1）冲裁

冲裁是使坯料按封闭轮廓分离的工序，包括落料和冲孔。落料和冲孔这两个工序中坯料变形过程和模具结构都是一样的，只是选用的不同：落料是冲下的部分为成品，剩余部分为废料，而冲孔是冲下的部分为废料，剩余部分为成品。

1）冲裁变形过程

冲裁过程大致可以分成3个阶段，如图3.3.1所示。

图3.3.1　冲裁变形过程

①弹性变形阶段　是冲头接触板料后向下运动的初始阶段，此时板料产生弹性压缩、拉伸与弯曲等变形，这时板料略挤入凹模口。随着冲头的继续压入，板料中的应力迅速增大，一直到弹性极限。此时，凸模（冲头）处的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘。凸、凹之间的间隙越大，弯曲和上翘越明显。

②塑性变形阶段　冲头继续压入，板料中的应力值超过屈服极限，产生了塑性变形。随着冲头挤入材料的深度逐渐增大，塑性变形的程度也逐渐增大，材料内部的拉应力和弯矩都增大，位于凸凹模刃口处的材料加工硬化加剧，出现微裂纹，塑性变形阶段结束。

③断裂分离阶段　冲头继续压入，已形成的上、下微裂纹逐渐扩大并向材料内部延伸，当上、下裂纹相遇重合时，材料被剪断分离，冲裁件被分离后，其断裂面有明显的区域特征。

冲裁件断面质量主要与凸凹模间隙、刃口锋利程度有关，同时也受模具结构、冲裁速度、材料性能及厚度等因素的影响。

2）凸凹模间隙

凸凹模间隙不仅严重影响冲裁件的断面质量，而且影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。

冲裁所得的落料件和板料孔的断面由圆角、光亮带和断裂带组成，如图3.3.2所示。光亮带为圆柱形，冲裁硬度高、塑性差的材料时，光亮带较窄；冲裁硬度低、塑性好的材料时，光亮带较宽。光亮带直径代表了落料件和冲孔的尺寸。从冲裁变形过程可以看出，落料尺寸等于凹模尺寸，孔的尺寸等于凸模尺寸。所以落料时，由落料件尺寸确定凹模尺寸，而凸模尺寸等于凹模尺寸减去双边间隙；冲孔时，由冲孔件孔的尺寸确定凸模尺寸，而凹模尺寸等于凸模尺寸加上双边间隙。制造冲裁模时，一般单边间隙取5%～10%板厚。冲裁软材料时间隙取小值，冲裁硬材料时间隙取大值。

图3.3.2　冲裁件的断面

凹、凸模之间间隙过小，材料在变形过程中压应力增强，拉应力减小，裂纹的产生和扩展受到限制，冲裁力加大。而且，凸模产生的裂纹相对于凹模裂纹向外错开一些距离，导致毛刺增大；间隙过大，材料在变形过程中拉应力增强，压应力减小，有利于裂纹的产生和扩展。凸模产生的裂纹相对于凹模裂纹向里错开一些距离，也导致毛刺增大。只有将间隙控制在一定范围内，凹、凸模具截面上的裂纹延伸才能交于一点，冲压件表面质量高，毛刺最小。

冲裁过程中，凸模与被冲的孔之间、凹模与落料件之间均有摩擦，间隙越小，摩擦越严重。凹凸模间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的一个因素。过小的间隙对延长模具使用寿命极为不利。

凸凹模间隙对卸料力、推件力也有比较明显的影响。间隙越大，则卸料力和推件力越小。

在冲压的实际生产中，间隙的选用主要考虑冲裁件断面质量和模具寿命这两个重要的因素。一般说来，当对冲裁件断面的质量要求较高时，就选取较小的间隙值，而当对冲裁件质量要求不高时，则可加大间隙值，以利于提高冲模的寿命。

（2）拉深

拉深是利用模具使坯料变形成开口空心零件的变形工序，如图3.3.3所示。拉深用的凹、凸模和冲裁模不同，它们的工作部分没有锋利的刃口，而是做成较大半径的圆角，凹模圆角半径R=（5～10）t（式中t为板厚），凸模圆角半径r=（0.6～1）R，并且凸、凹模之间的间隙稍大于板料的厚度，即单边间隙为（1.1～1.2）t。

图3.3.3　拉深工序

拉深后零件的直径d与拉深前坯料直径D的比值称为拉深系数m，即

m= d／D

拉深系数是衡量变形程度的指标。拉深系数越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大。一般m= 0.5～0.8，m值过小，拉深过程中会出现底部拉裂现象。

如果拉深系数过小，不能一次拉深成形时，则采用多次拉深工艺，如图3.3.4、图3.3.5所示。多次拉深过程中，必然产生加工硬化现象。为保证坯料具有足够的塑性，生产中坯料经过一两次拉深后，就安排工序间的退火处理。其次，在多次拉深中，拉深系数应一次比一次略大些，确保拉深件质量，使生产顺利进行。总拉深系数等于每次拉深系数的乘积。

拉深过程中，坯料外缘在切向受压缩，容易产生起皱现象，相对厚度越小或拉深系数越小越容易起皱。严重起皱，容易使坯料拉断；轻微起皱，也影响拉深件表面质量。为了避免拉深件起皱，拉深时要用压边圈在一定的压力下将坯料压在凹模表面上。为了减少摩擦，减少压边圈和模具的磨损，拉伸时需在坯料两面涂上润滑剂。

图3.3.4　多次拉深

图3.3.5　多次拉深时圆直径的变化

（3）弯曲

弯曲是利用模具或其他工具将坯料的一部分相对另一部分弯曲成一定角度的变形工序。弯曲过程如图3.3.6所示。

坯料弯曲时，曲率发生变化的部分为变形区，变形区坯料内侧受压缩，外侧受拉伸，中间有一层材料既不被压缩也不被拉伸，这层材料称为中性层。如变形时外侧拉应力超过坯料的抗拉强度极限时，则会造成金属破裂，内侧金属也会因受压力过大而使弯曲内侧失稳起皱。

图3.3.6　弯曲变形过程简图

坯料厚度越厚，内弯曲半径r越小，则压缩和拉伸应力越大，越容易弯裂。为防止破裂，弯曲半径应r min≥（0.25～1）t（式中t为板厚），材料塑性好，弯曲半径可选小值，材料塑性差，弯曲半径应选大值。

导致弯曲破裂还与材料的纤维方向有关。弯曲时应尽可能使弯曲中心线与坯料纤维方向垂直，若弯曲中心线与纤维方向一致，则容易产生破裂，此时可用增大最小弯曲半径来避免。

弯曲变形与任何方式的塑性变形一样，在总变形量中总存在一部分弹性变形。当外力去掉后，这部分弹性变形部分要恢复，使被弯曲的角度增大，这种现象称为回弹。一般回弹角为0°～10°。因此，在设计弯曲模时必须使模具的角度比成品件角度小一个回弹角，以补偿弹性变形的回弹角，使零件得到准确的弯曲角度。

（4）胀形

胀形是利用坯料局部厚度变薄形成零件的变形工序。胀形主要有平板坯料胀形（图3.3.7）、管坯胀形（图3.3.8）、球体胀形（图3.3.9）、拉形（图3.3.10）等几种方式。

具体胀形方法有刚模胀形和利用液体、气体或橡胶压力成型的软模胀形。胀形时钢材的塑性变形局限在一个固定的变形区范围内，板料不向变形区外转移，也不从外部进入。胀形变形区内的金属在变形时处于两向受拉的应力状态，表面积增大，板厚变薄。

图3.3.7　平板坯料胀形

图3.3.8　管坯胀形
1—凸模　2—凹模　3—坯料　4—橡胶　5—外套

图3.3.9　球体胀形

图3.3.10　拉形

胀形时在变形区板料截面上只有拉应力的作用，而且在厚度方向应力分布比较均匀，在受力状态下板材的几何形状易于固定，卸载后弹复现象较小；变形区板料不会产生失稳起皱现象，冲成的零件表面光滑，质量好；胀形容易得到尺寸精度较高的零件。在某些曲率不大的曲面零件冲压生产中常采用胀形方法或主要是胀形作用的拉深方法来加工。有时也采用胀形来对冲压零件进行矫形，提高其尺寸精度。

拉形也是一种胀形加工的方法。常用于板厚较小，曲率半径很大的弯曲面的加工。拉形变形与一般弯曲变形不同之处在于拉形内外部都受拉应力。当外力去除后，材料内外表面产生相同方向的回弹，而弯距回弹较小。因此，零件成型形状容易固定，成型精度较高。

（5）翻边

使带孔的平板料孔口获得凸缘的工序。翻边前板料孔的直径是d0，翻边变形区是内径为d0而外径为d1的环形部分，如图3.3.11所示。在翻边过程中，变形区在冲头的作用下其内径d不断地增大，直到翻边结束，内径d扩大到冲头的直径内径d p，形成了竖直的凸缘，翻边凸模圆角半径r n=（4～9）t。

在翻边工序里，如果翻边孔的直径超过容许值的大小，就会使孔的边缘造成破裂，其允许值可用翻边系数K来估计。当低碳钢板翻边时，如其d0／t（孔径／板厚）的值为10，则K的极限系数数值K0= 0.45，用钻孔的方法代替冲孔或者冲孔后进行整修，再进行翻边时的K0= 0.36，提高了翻边极限变形程度。

图3.3.11　翻边

当零件所需凸缘的高度较大，用一次翻边成型计算出的翻边系数值很小，直接成型无法进行时，则可采用先拉深、后冲孔（按K0计算得到的容许孔径）、再翻边的工艺来实现，如图3.3.12所示。

图3.3.12　圆孔翻边举例

3.2　冲压模具

冲压模具（简称冲模）基本上可以分为简单冲模、连续冲模和复合冲模3种。

3.2.1　简单模

冲床的一次行程中，只完成一个工序的冲模称为简单模。图3.3.13为落料用简单冲模。凹模2用压板7固定在下模板4上，下模板用螺栓固定在工作台上。凸模1用压板6固定在上模板3上，上模板则通过模柄5与冲床的滑块连接，凸模可随滑块作上下运动。通常用导柱12和导套11定位机构使凸模向下运动能对准凹模孔，并在凸凹模之间保持均匀间隙。条料在凹模上沿两个导板9之间送进，并以定位销10定位。凸模向下冲压时冲下的零件进入凹模孔，而条料夹住凸模回程上行，碰到卸料板8后条料被推下，然后进行下一次冲裁。

3.2.2　连续模

冲床的一次行程中，在模具的不同位置上能同时完成几个工序的冲模称为连续模。图3.3.14为落料冲孔连续模。此类冲模就是把两个（或两个以上）简单冲模连在一块模板上形成。工作时上模下降，定位销2对准预先冲好的定位孔；上模继续下降时第一工位上凸模1进行落料，同时在第二工位上凸模4进行冲孔。一个行程的回程时，卸料板6从凸模上推下残料，然后进行下一次冲裁。

图3.3.13　简单冲模
1—冲头　2—凹模　3—上模板　4—下模板
5—轴头　6—压板　7—压板　8—卸料板
9—导板　10—定位销　11—套筒　12—导柱

图3.3.14　连续冲模
1—落料凸模　2—定位销　3—落料凹模
4—冲孔凸模　5—冲孔凹模　6—退料板
7—坯料　8—成品　9—废料

3.2.3　复合模

冲床的一次行程中，在一个位置上能完成多个冲压工序的冲模称为复合模。图3.3.15为落料及拉深的复合模。此类冲模就是把两个（或两个以上）简单冲模设计在一个冲模上，在冲模一次行程中同时进行各个工序的加工。工作时上模下降，条料首先在落料凸模和落料凹模中落料。落料件被下模中的拉深模顶住，滑块继续向下运动，拉深凸模与拉深凹模进行拉深。上模（滑块）回程时，顶出器和卸料器在弹簧的弹性作用下将拉深件顶出，然后进行下一次冲压加工。这样设备的工作压力要求小，也是模具设计常用的方法。

图3.3.15　落料及拉深组合冲模
1—落料凸模　2—挡料销　3—拉深凹模　4—条料　5—压板（卸料器）　6—落料凹模
7—拉深凸模　8—顶出器　9—坯料　10—开始拉深件　11—零件　12—切余材料

上述模具适用于冲裁、拉深、弯曲、成型、翻边等各种工序的联合和组合。简单冲模一般适用于零件相对形状位置精度要求不高，形状较简单的冲压零件加工。连续冲模生产率较高、零件相对形状位置精度要求不高，形状较复杂的冲压零件加工。复合冲模模具结构紧凑、制件精度高、生产率高，但模具结构复杂、不易制造、成本高，故适用于大批量生产。

3.3　板料冲压件结构工艺性

在设计冲压件时，应保证它具有良好的结构工艺性能，以减少材料的消耗、延长工模具寿命、提高生产效率、降低成本及保证冲压件质量等。影响冲压件结构工艺性的主要因素有冲压件的形状、尺寸以及精度等。

3.3.1　冲压件的形状与尺寸

（1）落料和冲孔件的要求

①落料件的外形和冲孔件的孔形应力求简单、对称，尽可能采用圆形、矩形等规则形状。同时应尽量避免长槽与细长悬臂结构，否则制造模具困难、模具寿命低，如图3.3.16所示。

图3.3.16　不合理的落料外形

图3.3.17　冲孔件尺寸与厚度关系

②冲圆孔时，孔径不得小于材料厚度S。方孔每边长不得小于0.9S，孔与孔之间、孔与工件边缘之间的距离不得小于S，外缘凸出或凹进的尺寸不得小于1.5S，如图3.3.17所示。

③冲孔或落料件上直线与直线、曲线与直线的交接处，均应用圆弧连接。以避免尖角处产生应力集中。

④冲压件排样应以节约材料、降低成本和保证质量为本。排样是指落料件在条料、带料或板料上进行合理布置的方法。排样合理不仅可保证质量，还可使废料最少，材料利用率大为提高。图3.3.18给出了同一个冲裁件采用4种不同的排样方式时材料消耗对比。落料件的排样有两种类型：无搭边排样和有搭边排样。

图3.3.18　不同排样方式材料消耗对比

无搭边排样是用落料件形状的一个边作为另一个落料件的边缘，如图3.3.18（d）所示。这种排样的材料利用率很高，但毛刺不在一个平面上，而且尺寸不准确，只有对冲裁件质量要求不高时才采用。有搭边排样是在各个落料件之间均留有一定尺寸的搭边，如图3.3.18（a），（b），（c）所示。其优点是毛刺小，而且在同一个平面上；冲裁件尺寸质量较高，但材料消耗多。

（2）弯曲件的要求

①弯曲件形状应尽量对称，弯曲半径不能小于材料允许的最小弯曲半径，并应考虑材料纤维方向，以免成形过程中弯裂。

②弯曲边的平直部分H＞2S，如图3.3.19所示。弯曲边过短，不易弯曲成形，如果要求H很短，则需先留出适当的余量，以增大H，弯好后再切去多余材料。

③弯曲带孔件时，为避免孔的变形，孔的位置应如图3.3.20所示，其中L＞（1.5～2）S。

图3.3.19　弯曲边高

图3.3.20　带孔弯曲件

（3）拉深件的要求

①拉深件外形应简单、对称，且高度不宜太大，以便减少拉深次数。

②拉深件的最小许可半径如图3.3.21所示，否则将增加拉深次数和整形工序、增加模具数量、容易产生废品和提高成本。

图3.3.21　拉深件最小允许半径

3.3.2　改进结构和简化工艺

①采用冲焊结构。对于形状复杂的冲压件，可先分别冲制若干个简单件，然后焊成整体件，如图3.3.22所示。

②采用冲口工艺，以减少组合件数量。如图3.3.23所示，原设计用3个件铆接或焊接组合，现采用冲口工艺（冲口、弯曲）制成整体零件，可以节省材料，简化工艺过程。

③在使用性能不变的情况下，简化拉深件结构，以便减少工序、节省材料、降低成本。如消音器后盖零件，原设计如图3.3.24（a）所示，经过改进后如图3.3.24（b）所示。改进后的加工工序由8道降为两道，材料消耗减少50%。

图3.3.22　冲压焊接结构零件

图3.3.23　冲口工艺的应用

图3.3.24　消音器后盖零件结构

3.3.3　冲压件的厚度

在强度、刚度允许的条件下，应尽可能采用较薄的材料来制作零件，以减少金属的消耗。对局部刚度不够的地方，可采用加强筋措施，以实现薄材代替厚材。

复习思考题

1.多晶体的塑性变形由哪两个部分组成？其中哪一个是主要的？为什么？

2.什么叫作加工硬化？加工硬化是怎么产生的？

3.金属塑性变形后，组织和性能发生什么变化？

4.何为金属的锻造性能？影响锻造性能的因素是什么？

5.锻件与铸件各有何特点？

6.自由锻造的基本工序有哪些？各起什么作用？

7.什么叫作模锻？模锻与自由锻造相比有什么优点？

8.锤上模锻用模膛分哪几类？各类模膛又包括哪几种？它们各起什么作用？

9.板料冲压的基本工序有哪些？

10.冲孔模与落料模的凹、凸模尺寸如何计算？

11.拉深模与冲裁模有何区别？

12.冲压模具基本上可以分为哪几种？各有何特点？