2.3.1 冲压成形基本工序
2.3.1.1 分离工序
分离工序（cutting process）是利用冲模或剪力使坯料分离的工序，主要包括切断、冲裁、整修等。
1.切断
切断（cut-off）是将板料沿不封闭曲线分离的一种冲压方法。它是一种备料工序，主要是将板料切成具有一定宽度的坯料，或用以制取形状简单、精度要求不高的零件。
2.冲裁
冲裁（blanking）是利用冲模将板料以封闭的轮廓与坯料分离的冲压方法。利用冲裁取得一定外形的制件或坯料称为落料（blanking）。将冲压坯内的材料以封闭的轮廓分离开来，得到带孔制件的方法称为冲孔（punching）。落料与冲孔的板料变形过程和模具结构是相同的，只是作用不同。落料时，冲下来的部分为制件，带孔的周边为废料；冲孔时，冲落的部分是废料，留下的带孔部分为制件。
（1）落料与冲孔的变形分离过程 落料与冲孔的变形分离过程如图2-47所示。凸模（冲头）与凹模均具有锋利的刃口，两者间有间隙，凸模与坯料接触后，板料的变形过程可分为三个阶段：
1）弹性变形（elastic deformation）阶段 凸模接触板料后，继续向下运动的初始阶段，使板料产生弹性压缩、拉伸、弯曲变形。此时，凸模下的坯料的一部分相对于另一部分发生错移，但无明显裂纹（见图2-47a）。
图2-47 金属板料的分离过程
a）弹性变形 b）塑性变形 c）分离 d）落下部分的放大图
1—凸模 2—板料 3—凹模 4—毛刺 5—断裂带 6—光亮带 7—塌角
2）塑性变形（plastic deformation）阶段 当凸模继续压入、材料中的应力值达到屈服点时，则产生塑性变形。随着变形增大，冷变形硬化加剧，出现微裂纹（见图2-47b）。
3）断裂分离（fracture separation）阶段 当凸模继续压入，由于应力集中，已形成的微裂纹迅速扩大，直至上下裂纹会合，坯料被切断分离（见图2-47c）。
冲裁件的断口有塌角、光亮带、断裂带和毛刺四个区域（见图2-47d）。塌角是由于坯料被弯曲拉伸断裂时形成的，软材料比硬材料的塌角大。光亮带是塑性切应变过程中，材料的一部分相对于另一部分的移动时，凸模、凹模的侧压力将坯料压挤而形成的光亮垂直断面，占坯料厚度的1/2～1/3。断裂带是由刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，它使得冲裁件的断面粗糙且带有斜度。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、材料性能及厚度等因素的影响。
（2）模具间隙 模具间隙（die celerance）是凸模与凹模工作部分水平投影尺寸之间的间隙，用z表示。
1）模具间隙是影响落料或冲孔质量的主要因素 必须正确选择模具间隙，凸模和凹模有锋利的刃口，才能顺利完成板料的分离过程并保证落料与冲孔件有良好的质量。间隙过大，则材料中的拉应力增大，塑性变形阶段较早结束，凸模刃口附近的剪裂纹比正常间隙造成的裂纹要向里错开一段距离，导致光亮带变小，剪裂带和毛刺较大，断口粗糙；而间隙过小，则材料中的拉应力减小，压应力增大，裂纹产生时受到压制，凸模刃口附近的剪裂纹比正常间隙时造成的裂纹要向外错开一段距离，上、下裂纹不能很好重合，还会出现二次断裂带，断口质量差。
2）模具间隙是模具寿命的主要影响因素 冲裁过程中，凸模与被冲孔之间、凹模与落料间均有摩擦，模具间隙越小，则摩擦越严重。实际生产中，由于制造误差和装配精度的限制，凸模和凹模平面不会绝对垂直，间隙也会分布不均。因此过小的模具间隙会加快模具的磨损，降低模具使用寿命。模具间隙过小还将增大冲裁力、卸料力和推件力。一般情况下，这些力随间隙的增大而降低，所以，在断口质量要求不高时，应适当放大模具间隙。模具间隙z可按有关表格查取，也可由以下经验公式计算：
z＝mδ
式中 δ——材料厚度；
m——与材料性能及厚度有关的系数。在生产中，对于低碳钢、铝合金、铜合金，取z＝（0.06～0.1）δ；对于高碳钢，取z＝（0.08～0.12）δ；当δ＞3mm时，z适当加大。
（3）模具刃口尺寸的确定 冲裁件尺寸和冲模间隙都决定于凸模和凹模刃口尺寸，因此，正确确定冲模刃口尺寸是保证落料、冲孔件质量至关重要的因素。
1）落料模刃口尺寸确定 落料模的刃口尺寸应先按落料件尺寸确定凹模刃口尺寸，即凹模刃口尺寸等于落料件尺寸，然后以凹模尺寸为设计基准，再根据模具间隙确定凸模尺寸，即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙量。
2）冲孔模刃口尺寸确定 冲孔模刃口尺寸先按冲孔件尺寸确定刃口尺寸，即凸模刃口尺寸等于冲孔尺寸，取凸模作设计基准，然后根据模具间隙确定凹模尺寸，即用扩大凹模刃口尺寸来保证间隙值。
由于冲模在工作中不可避免地磨损，为了保证零件的尺寸要求，并提高模具的使用寿命，落料时，应取凹模刃口的尺寸靠近落料件公差范围内的最小尺寸；冲孔时，应取凸模刃口尺寸靠近孔的公差范围内的最大值。
例 有一φ60mm、厚2mm的铝合金薄片，需在其上冲孔，孔径为φ（30±0.025）mm，试设计该零件的冲孔模。
解 第一步，确定凸模刃口尺寸。 冲孔凸模刃口尺寸等于冲孔尺寸，取孔在公差范围内的最大值。
凸模刃口尺寸＝30.025mm
第二步，计算模具间隙。 根据z＝mδ，对于铝合金而言，一般取z＝（0.06～0.1）δ，因不要求断面质量，则可取
z＝0.1δ＝0.1×2mm＝0.2mm
第三步，确定凹模刃口尺寸。
凹模刃口尺寸＝凸模刃口尺寸＋2z
＝（30.025＋2×0.2）mm＝30.425mm
（4）冲裁力的确定 冲裁力（blanking pressure）是选用压力机吨位、检验模具强度的主要依据。冲裁力的准确计算有利于充分发挥设备潜力，否则，有可能导致设备超载工作而损坏。平刃冲模的冲裁力F可按下式计算：
F＝KLδτ
式中 F——冲裁力（N）；
L——冲裁周边长度（mm）；
δ——坯料厚度（mm）；
τ——材料抗剪强度（MPa），为了便于估算，可取τ＝0.8σb；
K——系数，一般K＝1.3。
（5）冲裁件的排样 冲裁件在板料或带料上的布置方法称为排样（blank layout）。合理的排样可提高材料的生产率。
1）冲孔件的排样 冲孔件的合理排样应能充分利用冲孔落下的废料在其上冲制更小的落料件，从而减少废料，节省材料。因此，可先落料后冲孔或在连续模上同时落料与冲孔。
2）落料件的排样 落料件的排样有两种类型，即无搭边排样和有搭边排样，如图2-48所示。搭边是冲裁排样的零件与零件之间、零件与条料边缘之间的板料。无搭边排样是用落料件所形成的一个边作为另一个落料件的边缘，因此，用料最省。但落料的毛刺不在同一个平面上，且尺寸不容易准确，故质量较差。为得到较好质量的落料件，生产中常用搭边排样法，即在各个落料件之间均留有一定尺寸的搭边，此方法毛刺小，而且在同一个平面上，落料件尺寸准确，质量较高，但材料利用率较低。
图2-48 落料件的排样法
a）有搭边 b）无搭边
3.整修
利用整修（shaving）模沿冲裁件的外缘或内孔削去一层薄薄的材料，以提高冲裁件的加工精度和降低剪断面粗糙度的冲压方法称为整修。整修是在专用的整修模上进行的。整修冲裁件的外形称外缘整修。整修冲裁件的内孔称内缘整修，如图2-49所示。
图2-49 整修工序
a）外缘整修 b）内缘整修
1—凸模 2—凹模
整修后的冲裁件加工精度可达IT6～IT7，表面粗糙度Ra可达0.8～1.6μm。
2.3.1.2 变形工序
变形工序（deformation process）是使坯料产生塑性变形而不破裂的工序，主要包括弯曲、拉深、翻边、缩口、压肋、胀形等。
图2-50 弯曲示意图
1—凸模 2—凹模
1.弯曲
弯曲（bending）是将板料、型材或管材在弯矩作用下弯成具有一定曲率和角度制件的成形方法，如图2-50所示。弯曲时，材料的塑性变形集中在凸模尖角的狭窄区域内。变形时，材料外侧受拉应力的作用，产生拉伸变形；材料内侧受压应力作用，产生压缩变形。由于外表层应变量最大，故承受最大的拉应力，当此拉应力超过坯料的抗拉强度，则会出现裂纹。坯料越厚，内弯曲半径r越小，则压缩及拉伸应力越大，弯曲的可能性越大。为防止裂纹的产生，弯曲时应选用塑性好的材料，并限制最小弯曲半径rmin。一般rmin≥（0.1～1）δ（δ为坯料厚度），并尽可能使弯曲线与坯料锻造流线方向垂直，如图2-51所示。如果弯曲线与锻造流线方向平行，则容易产生裂纹，此时，可采用增大最小弯曲半径来避免，取rmin为正常值的两倍。
图2-51 弯曲线与锻造流线方向的关系
a）垂直 b）平行
1，3—锻造流线 2，4—弯曲线 5—裂纹
塑性弯曲时，材料产生的变形由塑性变形和弹性变形两部分组成。外载荷去除后，塑性变形保留下来，弹性变形消失。弹性变形的消失使弯曲件形状和尺寸发生与加载时变形方向相反的变化，从而抵消了一部分弯曲变形的效果。这种现象称为回弹现象（elastic recovery），它将导致弯曲件的弯曲角度增大，其增大值用回弹角Δα表示。因此，模具设计时，模具角度应比零件弯曲角度小一个回弹角值。回弹角Δα与材料的力学性能、零件角度α及弯曲半径与坯料厚度之比（r/δ）有关，并随着这些参数的增大而增大。
2.拉深（拉延）
拉深（拉延）（drawing）是变形区在一拉一压的应力状态作用下，使板料（或浅的空心坯）形成为空心件，但坯料的厚度基本保持不变的成形方法，如图2-52所示。
图2-52 拉深
a）拉深过程 b）圆板坯料制成筒形件时材料的转移
1—凸模 2—压边圈 3—板料 4—凹模 5—空心零件
（1）拉深过程分析 利用冲裁模落料得到直径为D的平板毛坯放在拉深模的凹模上（见图2-52a），在凸模作用下板料被拉入凸模和凹模的间隙中，形成空心零件。在拉深变形时，在凸模圆角附近材料变薄最严重的地方称为危险断面。拉深件底部一般不变薄，只起传递拉力的作用。零件直壁由坯料外径D减去内径d的环形区金属形成，图2-52b中三角形阴影部分b1，b2，…的金属产生塑性流动被转移到a1，a2，…的狭条部分，使所得的零件高度大于（D-d）/2。
（2）拉深件废品及形状不良 从拉深过程分析可以看出，在环形区金属中三角阴影部分向狭条部分塑性转移的过程中，当危险断面的应力超过σb时，会产生破裂（见图2-53a）；当拉深变形区的毛坯相对厚度较小时，在切应力作用下，会引起毛坯失稳而形成折皱，这一现象称为起皱（见图2-53b）；在板平面内具有各向异性的坯料，经拉深成形后，制件的边沿会凸凹不齐，其突出的部分称为凸耳（见图2-53c）。
图2-53 拉深件废品及形状不良
a）破裂 b）起皱 c）凸耳
（3）拉深件质量影响因素 从拉深过程中可以看出，拉深件主要受拉力作用，当拉应力值超过材料抗拉强度时，拉深件将被拉裂，形成废品。影响拉深件质量的主要因素有：
1）凸凹模的圆角半径 拉深模的工作部分不能是锋利的刃口，必须有一定的圆角，这是为了减少流动阻力和弯曲处的应力集中。凸凹模圆角半径（punch radius）过小，则容易拉裂产品。一般取r凹＝（5～15）δ，r凸＝（0.6～1）r凹。
2）凸凹模间隙 拉深模的凸凹模间隙（clearance）比冲裁模间隙要大，一般取（1.1～1.2）δ。间隙太小，将增大模具与拉深件间的摩擦力，容易拉裂工件，擦伤工件表面，降低模具寿命；而间隙过大，则容易使拉深件起皱，影响拉深件精度。
3）拉深系数 拉深变形后制件的直径与其毛坯直径之比称为拉深系数（drawing coefficient），用m表示，即m＝d/D，如图2-54所示。保证危险断面不被拉裂的拉深系数的最小值又称为极限拉深系数，用mmin表示，mmin与材料性质、材料相对厚度t/D、拉深次数等有关。一般mmin＝0.5～0.8。拉深系数越小，表明拉深件直径越小，变形程度越大，坯料被拉入凹模越困难，因此，越容易产生拉深废品。确定拉深工艺参数时，必须使实际拉深系数不小于极限拉深系数mmin。如果拉深件的拉深系数必须小于极限拉深系数，则需采取如图2-54所示的多次拉深工序。在多次拉深过程中，有时应安排工序间的退火处理，以消除不可避免的冷变形强化（加工硬化），保证足够的塑性。同时，拉深系数应一次比一次略大一些，以确保拉深件质量。每次拉深系数的乘积即总拉深系数。
4）压边力 为了防止变形区起皱，可用如图2-52所示的压边圈压住板料。压边圈作用于法兰部分的压力称为压边力（blank holder force）。压边力不要过大，以不产生折皱为宜。
3.翻边
翻边（flanging）是用扩孔的方法使带孔坯料在孔口周围获得凸缘的工序，如图2-55所示。进行翻边工序时，翻边孔的直径不能超过某一容许值，否则将导致孔的边缘破裂。其容许值可用翻边系数K0/来衡量，即
图2-54 多次拉深时圆筒直径和高度的变化
K0/＝d0/d
式中 d0——翻边前的孔径尺寸；
d——翻边后的孔径尺寸。
图2-55 翻边
1—平坯料 2—凸模 3—凹模 4—成品
图2-56 缩口
1—凸模 2—工件 3—凹模
当零件的凸缘高度大，计算出的K0/值很小，直接成形无法实现，这时可采用先拉深、后冲孔（按K0/计算得到的容许孔径）、再翻边的工艺来实现。
4.缩口
缩口（necking）是减小拉深制品孔口边缘直径的工序，如图2-56所示。
5.压肋
压肋（layering）是拉深坯料某一局部，以改变坯料形状的工序，如图2-57a所示。压肋工序中拉深部分处坯料厚度减小，可在坯料上获得凸起（如刚性肋条、压花、压字等），加工中常用硬橡胶代替金属凸模或凹模。
图2-57 压肋与胀形
a）压肋 b）胀形
1—硬橡胶 2—工件 3—凹模
6.胀形
胀形（bulging）是用硬橡胶芯或液体来增大空心坯料中间部分尺寸的工艺，如图2-57b所示。
2.3.1.3 典型零件冲压工艺示例
利用板料制造各种产品零件时，各种工序的选择、工序的安排以及各种工序应用次数的确定，都以产品零件的形状和尺寸、每道工序中材料所允许的变形程度为依据。图2-58所示为汽车消声器零件的冲压工序示例。
图2-58 汽车消声器零件的冲压工序
a）坯料 b）一次拉深 c）二次拉深 d）三次拉深e）冲孔 f）一次翻边 g）二次翻边 h）切槽
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