冲压工艺及冲模设计复习题

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冲压：利用安装在压力机上的冲模对材料施加压力，使其产生分离或塑性变形从而获得所需零件的一种压力加工方法。

冲压要素：①冲压材料②先进的冲压工具与模具③高效的冲压设备

冲压的特点：依靠冲模和冲压设备完成加工，便于实现自动化，生产率高，操作简便，节省能源、原材料，无（少）切削，产品尺寸稳定、互换性好，产品壁薄、质量轻、刚度好，可以加工成形状复杂的零件。一般是单件小批量生产，精度高，技术要求高，制造成本高。

冲压工序分类：分离工序和成型工序。分离工序：是使板料按一定的轮廓线断裂分离而获得一定的形状、尺寸和切断面质量的冲压件的工序。成型工序：指坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。两者不同之处在于是否破裂分离。

塑性：指金属在外力的作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其完整性的能力。

塑性变形：指金属形状和尺寸产生永久改变，这种改变不可恢复。

变形抗力：指引起塑性变形的单位变形力。

塑性变形体积不变定律：塑性变形的物体的体积保持不变，塑性变形前的体积与变形后的体积相等，即塑性变形时的三个主应变分量之和为零。

加工硬化：指材料的强度指标随变形程度的增加而增加，塑性随之降低。

硬化指数：是表明材料冷变形硬化性能的重要参数，硬化指数越大，表示在冷变形过程中材料的变形抗力随变形程度的增大而迅速增大。对板料的冲压性能及冲压的质量都有较大的影响。

冲压成形性能：指板料对冲压成形工艺的适应能力。

冲压成形极限：指在冲压成形过程中，材料的最大变形程度。

成形质量：包括尺寸精度、形状精度、厚度变化、便面质量以及成形后材料的物理力学性能等方面的内容。

冲裁变形过程：①弹性变形阶段②塑性变形阶段③断裂分离阶段

冲裁间隙对断面质量的影响：①间隙合适时，冲裁时上下刃口处所产生的剪切裂纹基本重合，这时光面约占板厚的1/2~1/3,切断面的塌角、毛刺和斜度均很小，完全可以满足一般冲裁件的要求②间隙过小时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向外错开一段距离。上下裂纹之间的材料，随冲裁的进行将被第二次剪切，然后被凸模挤入凹模洞口。在冲裁剪的切断面上形成第二个光面，在两个光面之间形成毛面，在端面出现挤长的毛刺。这种挤长毛刺虽比合理间隙时的毛刺高一些，但易去除，而且毛面的斜度和塌角小，冲裁件的翘曲小，所以只要中间撕裂不是很深，仍可使用。③间隙过大时，凸模刃口处的裂纹比合理间隙时向内错开梯段距离，材料的弯曲与拉伸增大，塑性变形阶段较早结束，致使断面光面减小，塌角与斜度增大，形成厚而大的拉长毛刺，且难以去除，同时冲裁件的翘曲现象严重，影响生产的正常进行。④若间隙分布不均匀，则在小间隙的一边形成双光面，大间隙的一边形成很大的塌

角及斜度。

尺寸精度：指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值（差值越小，则精度越高）。

冲裁间隙对尺寸精度的影响：①当间隙较大时，材料所受拉伸作用增大，冲裁后材料

的弹性回复，使落料件尺寸小于凹模尺寸，冲孔件尺寸大于凸模尺寸②间隙较小时，由于材

料受凸、凹模侧向挤压力增大，冲裁后材料的弹性回复，使落料件尺寸大于凹模尺寸，冲孔

件尺寸小于凸模尺寸。

冲裁力计算：b τKLt F =，F —冲裁力（N)，L —冲裁周边长度（mm ），t —材料厚度（mm ），

b τ—材料抗剪强度（MPa ）

，K —系数。K 一般取1.3。 压力中心：冲压力合力的作用点成为模具的压力中心。

冲裁工艺性：指冲裁件的材料、形状、尺寸精度等方面是否适应冲裁加工的工艺要求。

精密冲裁的特点：冲裁间隙极小；精密冲裁是在尽可能提高材料塑性的情况下，使板料

几乎处于纯剪状态，所已精冲的切断面几乎全部是光面，即塑性剪切面几乎贯穿整个板厚。

而且很垂直，只是在材料分离的最后阶段可能出现很小的撕裂面和毛刺。

弯曲偏移：在弯曲过程中，坯料沿凹模边缘滑动时要受到摩擦阻力的作用，当坯料各边

所受到的摩擦力不等时，坯料会沿其长度方向产生滑移，从而使弯曲后的零件两直边长度不

符合图样要求，这种现象称为偏移。

控制弯曲偏移的措施：①采用压料装置，使坯料在压紧状态下逐渐弯曲成形，从而防止

坯料的滑动，而且还可得到平整的弯曲件②利用毛坯上的孔或弯曲前冲出工艺孔，用定位销

插人孔中定位，使坯料无法移动③根据偏移量大小，调节定位元件的位置来补偿偏移④对于

不对称的零件，先成对地弯曲，弯曲后再切断⑥尽量采用对称的凸、凹结构，使凹模两边的

圆角半径相等，凸、凹模间隙调整对称。

弯曲变形时的应力与应变：①窄版 弯曲时，主要表现是内外层纤维的压缩和伸长，切

向应变是最大的主应变，其外层应变为正，内层应变为负。根据材料塑性变形体积不变条件

0εεε321=++可知，板料宽度方向应变2ε和厚度方向应变3ε的符号一定与最大的切向应变

1ε的符号相反。在宽度方向上，外层应变为负，内层应变为正。这从窄板弯曲变形区断面

形状从矩形变成扇形也可以看出，外层材料宽度方向收缩，内层材料宽度方向扩张。在厚度

方向，外层应变为负，内层应变为正。 应力状态：在切向，外层纤维受拉，切向应力为

拉应力。内层纤维受压，切向应力为拉应力。在宽度方向，由于材料弯曲时可以不受拘束而

自由变形，则从矩形断面变成扇形断面，可以认为内外层的0σ2=。在厚度方向，由于弯曲

时板料纤维之间相互压缩，因此内外层的应变均为压应力。由此可见，窄版弯曲时，内外层

的应变式立体的，应力状态是平面的。②宽版 弯曲时，切向和厚度方向的应变与窄板相同。

在宽度方向，由于板料宽度宽，变形阻力较大，弯曲后板宽基本不变，因此内外层宽度方向

的应变接近于0（0ε2=）。 应力状态：切向和厚度方向与窄板相同。在宽度方向，由于

材料不能自由变形，外层材料在宽度方向为拉应力；同样内层材料在宽度方向为压应力。可

见，宽板弯曲时，内外层的应变状态是平面的，应力状态是立体的。

回弹：弯曲卸载后，由于中性层附近的弹性变形以及内外层总变形中弹性变形部分的恢

复，使弯曲件的弯曲中心角和弯曲半径变得和模具尺寸不一致的现象称为回弹。

回弹影响因素：①材料的力学性能。材料的屈极点s σ越高，弹性模量E 越小，弯曲变

形的回弹也越大②相对弯曲半径r/t 。相对弯曲半径越小，弯曲变形区的总切向变形程度增

大，塑性变形部分在总变形中所占的比例增大，而弹性变形部分所占的比例则相应减小，因

而回弹值减小。反之，当相对弯曲半径越大，回弹值越大（这就是曲率半径很大的零件不易弯曲成形的道理）③弯曲中心角α。弯曲中心角越大，表示弯曲变形的长度越长，回弹积累值也越大，故回弹角Δα越大，但对弯曲半径的回弹影响不大。④弯曲方式及矫正力大小。自由弯曲时的回弹角要比矫正弯曲大，这是因为矫正弯曲时，材料受到凸凹模的压缩作用，不仅使弯曲变形区毛坯外侧的拉应力有所减小，并且在外侧靠近中性层附近的切向也出现和毛坯内侧切向一样的压缩应力。随着矫正力的增加，切向压应力区向毛坯的外表面不断扩展，以致毛坯的全部或大部分断面均匀产生切向压缩应力。这样内外层材料回弹的方向取得一致，使其回弹量比自由弯曲时大为减少。因此校正力越大，回弹值越小。⑤工件形状。U形件的回弹小于V形件。复杂形状弯曲件，若以此弯曲成形，由于在弯曲时各部分材料互相牵制及弯曲件表面与模具表面之间摩擦力的影响，因而改变了弯曲件弯曲时各部分材料的应力状态，这样使回弹困难，回弹角减小。⑥模具间隙。在弯曲U形件时，模具凸凹模间隙对弯曲件的回弹有直接的影响。间隙小，回弹减小。相反，当间隙较大时，材料处于松动状态，工件的回弹就大。

校正弯曲：为了减少回弹变形，提高制件精度，在自由弯曲阶段结束，凸、凹模与制件完全贴合后，再使凸模继续下压。虽然此时凸模下行量不会很大，但会对制件施加巨大的压力，使之校正定形。这个阶段的变形一般称之为校正弯曲（此时，弯曲件受到凸凹模的挤压，弯曲力急剧增大）。

弯曲件的工序安排：①简单形状精度不高的弯曲件，如V形、U形、Z形件等，可以一次弯曲成形②复杂形状弯曲件，一般需采用两次或多次弯曲成形。一般先弯外角，后弯内角。前次弯曲要给后次弯曲留出可靠地定位，并保证后次弯曲不破坏前次已弯的形状。③批量大、尺寸较小的弯曲件，为了提高生产率，可采用多工序的冲裁、弯曲、切断等连续工艺成形。

④单面不对称几何形状的弯曲件，若单个弯曲时毛坯容易发生偏移，可采用成对弯曲成形，弯曲后再切开。

中性层：指金属在塑性变形过程中既没有伸长，亦没有缩短，其变形量为零的层面。

应变中性层：指在变形前后金属纤维的长度没有发生改变的那一层金属纤维。

应力中性层：板料截面上的应力由外层的拉应力过渡到内层的压应力，其间金属的切向应力为零的金属层。

变形程度较小时，应力中性层和应变中性层相重合，均位于板料截面中心的轨迹上。变形程度比较大时，由于径向压应力的作用，应力中性层和应变中性层都从板厚的中央向内侧移动，应力中性层的位移量大于应变中性层的位移量。

弯裂：弯曲时板料的外侧受拉伸，当外侧的拉伸应力超过材料的抗拉强度以后，在板料的外侧将产生裂纹，此种现象称为弯裂。（实践证明，板料是否会产生弯裂，在材料性质一定的情况下，主要与弯曲半径r与板料厚度t的比值r／t(称为相对弯曲半径)有关，r／t 越小，其变形程度就越大，越容易产生裂纹。）

最小弯曲半径：在板料不发生破坏的条件下，所能弯成零件内表面的最小圆角半径。

影响最小弯曲半径的因素：①材料的力学性能。影响材料最小弯曲半径的力学性能主要是塑性，材料塑性指标越高，其弯曲时塑性变形的稳定性越好，可以采用的最小弯曲半径越小②弯曲中心角。弯曲时，直边部分纤维将牵制弯曲区受拉状态。当弯曲中心角＜90°时：弯曲角愈小，对减小rmin愈有利；当弯曲中心角＞90°时：对减小rmin作用不大。③板料的轧制方向与弯曲线夹角的关系。弯曲件的弯曲线与板料轧制方向垂直时，最小弯曲半径值最小；弯曲件的弯曲线与板料轧制方向平行时，最小弯曲半径最大④板料表面及冲裁断面的质量。质量越好，最小弯曲半径越小⑤板料的相对宽度⑥板料的厚度

拉深毛坯尺寸计算原则：①以工件最后一次拉深后的尺寸为计算基础②按体积不变条件，对于不变薄拉深，拉深件与毛坯表面积相等③当板料厚度t≥1mm时，按工件中线尺寸计算；当t≤1mm时可按内形或外形尺寸计算④计算毛坯尺寸时要加上修边余量。

拉深系数：指用于表示拉深变形程度的工艺指数。其值为拉深后制件直径与拉深前毛坯直径之比值。

极限拉深系数［m］：指当拉深系数减小至使拉深件起皱、断裂或严重变薄超差时的临界拉深系数。

影响极限拉深系数因素：①材料的组织与力学性能。材料组织均匀，晶粒大小适当，屈强比小、塑性好、板平面方向性小、板厚方向系数大、硬化指数大的板料，筒壁传力区不容易产生局部严重变薄和拉裂，拉深性能好，极限拉深系数小②板料的相对厚度。板料相对厚度较小时，抵抗失稳起皱的能力小，容易起皱，极限拉深系数大③拉伸次数。板料经过第一次拉伸后，产生冷作硬化，使塑性降低，再变形难度增大，危险断面处变薄，变形阻力增加，拉裂倾向增大。因此，从第二次开始以后的各次拉伸所允许的拉伸相对变形量要比首次拉伸小得多，所允许的相应的拉伸系数要比首次拉伸大得多，而且拉伸次数越多，后一次的极限拉伸系数都将越变越④压边。有压边圈的拉伸模，减小了板料起皱的可能性，拉伸系数可以相应地减小。压边力选取原则：在保证凸缘不起皱的前提下，压边力越小越好⑤模具的几何参数。凸模圆角半径小，增大了板料绕凸模弯曲的拉应力，降低了危险断面的抗拉强度，会降低极限变形程度。凹模圆角半径小，增大了筒壁的拉应力，极限变形程度会降低⑥摩擦与润滑。凹模和压料圈与板料接触的表面应当光滑，润滑条件要好，以减少摩擦阻力和筒壁传力区的拉应力。

拉深次数的确定方法：①根据拉深系数和毛坯直径确定。根据极限拉深系数和毛坯直径，从第一道拉深工序开始逐步向后推算各工序的直径，一直算到得出的直径小于或等于工件直径，即可确定所需的拉深次数②根据零件的相对高度h/d确定。查表5-4查出拉深次数。

拉深过程中坯料内的应力与应变状态：①平面凸缘部分（主要变形区）。材料在径向拉应力σ1和切向压应力σ3的共同作用下产生切向压缩与径向伸长变形而被逐渐拉入凹模。厚度方向，压料圈的作用，产生σ2 ，但通常σ1和σ3的绝对值比大σ2得多。厚度方向变形决定于径向拉应力σ1和切向压应力σ3之间的比例关系，一般板料厚度有所增厚，越接近外缘，增厚越多。如果不压料(σ2＝0)，或压料力较小(σ2小)，这时板料增厚比较大。当拉深变形程度较大，板料又比较薄时，则在坯料的凸缘部分，特别是外缘部分，在切向压应力σ3作用下可能失稳而拱起，形成所谓起皱。②凸缘圆角部分（过渡区）。径向受拉应力σ1而伸长，切向受压应力σ3而压缩，厚度方向受到凹模圆角的压力和弯曲作用产生压应力σ2。由于这里切向压应力值σ3不大，而径向拉应力σ1最大，且凹模圆角越小，由弯曲引起的拉应力越大，板料厚度有所减薄，所以有可能出现破裂。③筒壁部分（传力区）。这部分材料已经形成筒形，材料不再发生大的变形。但是，在拉深过程中，凸模的拉深力要经由筒壁传递到凸缘区，因此它承受单向拉应力σ1的作用，发生少量的纵向伸长变形和厚度减薄④底部圆角部分（过渡区）。这是与凸模圆角接触的部分，它从拉深开始一直承受径向拉应力σ1和切向拉应力σ3的作用，并且受到凸模圆角的压力和弯曲作用，因而这部分材料变薄最严重，尤其与侧壁相切的部位，所以此处最容易出现拉裂，是拉深的“危险断面”⑤筒底部分（小变形区）。筒底区在拉深开始时即被拉入凹模，并在拉深的整个过程中保持其平面形状。它受切向和径向的双向拉应力作用，变形是双向拉伸变形，厚度弱有减薄。但这个区域的材

料由于受到与凸模接触面的摩擦阻力约束，基本上不产生塑性变形或者只产生不大的塑性变形。

起皱：指在拉深过程中，毛坯凸缘在切向压应力作用下，可能产生塑性失稳而拱起的现象。

拉裂：指在拉深过程中，当筒壁拉应力超过了材料的抗拉弹变时，会出现筒壁处破裂的现象。

拉裂防止措施：①通过改善材料的力学性能，提高筒壁抗拉强度②通过正确制定拉深工艺和设计模具，降低筒壁所受拉应力。

拉伸件公差：包括直径方向的尺寸精度和高度方向的尺寸精度。

胀形：利用模具迫使板料厚度减薄和表面积增大，以获取零件几何形状和尺寸的冲压成型方法。

翻边：在成形毛坯的平面部分或曲面部分上使板料沿一定的曲线翻成竖立边缘的冲击方法。

翻孔：在毛坯上预先加工好预制孔，再沿孔边将材料翻成竖立凸缘的冲压工序。

影响极限翻孔系数的主要因素：①材料的性能：塑性越好，K值越小。②预制孔的相对直径d0/t ：d0/t愈小，K值也愈大。③预制孔的加工方法如钻出的孔比冲出的孔有更小的K值；翻孔的方向与冲孔的方相反时，有利于减小孔口开裂。④翻孔的凸模结构形式⑤低碳钢在各种情况下的极限翻孔系数及各种材料的翻孔系数可查表确定。

伸长类成形：如胀形、翻边和伸长类（内缘）翻边，受拉应力而产生伸长变形，易被拉裂而破坏；

压缩类成形：如缩口、压缩类（外缘）翻边，受压应力而产生压缩变形，易起皱而破坏。

冲压工艺规程编制的主要内容和步骤：冲压工艺规程是指导冲压件生产过程的工艺技术文件。冲压工艺文件一般指冲压工艺过程卡片，是模具设计以及指导冲压生产工艺过程的依据。

一、分析冲压件的工艺性。冲压件的工艺性是指冲压件对冲压工艺的适应性，即设计的冲压件在结构、形状、尺寸及公差以及尺寸基准等各方面是否符合冲压加工的工艺要求。产品零件图是编制和分析冲压工艺方案的重要依据。二、确定冲压件的成形工艺方案。确定冲压件的工艺方案时需要考虑冲压工序的性质、数量、顺序、组合方式以及其它辅助工序的安排。1.工序性质的确定。工序性质是指冲压件所需的工序种类。如分离工序中的冲孔、落料、切边；成形工序中的弯曲、翻边、拉深等。工序性质的确定主要取决于冲压件的结构形状、尺寸精度，同时需考虑工件的变形性质和具体的生产技术条件。2.工序数量的确定。工序数量是指冲压件加工整个过程中所需要的工序数目（包括辅助工序数目）的总和。工序数量的确定，应遵循以下原则：（1）形状简单的工件，采用单工序模。冲裁形状复杂的工件，内外轮廓应分成几部分冲裁，采用多道冲压工序。平面度要求较高的工件，增加一道校平工

序。（2）弯曲件的工序数量主要根据弯曲角的数目、相对位置和弯曲方向而定。弯曲件的弯曲半径小于允许值时，则在弯曲后应增加一道整形工序。（3）拉深件的工序数量需经拉深工艺计算才能确定。当拉深件圆角半径较小或尺寸精度要求较高时，则需在拉深后增加一道整形工序。（4）当工件的断面质量和尺寸精度要求较高时，可以考虑在冲裁工序后再增加整修工序或者直接采用精密冲裁工序。3.工序顺序的安排。工序顺序是指冲压加工过程中各道工序进行的先后次序。4.冲压工序间半成品形状与尺寸的确定。三、确定冲压模具的结构形式。如果冲压件的生产批量很小，可以考虑单工序的简单模具，按冲压工序逐步来完成，以降低冲压件生产成本。若生产批量很大。应尽量考虑将几道工序组合在一起的工序集中的方案，采用一副模具可以完成多道冲压工序的复合模或级进模结构。四、选择冲压设备（1）公称压力（2）滑块行程（3）闭合高度（4）其它参数

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