冲压成形原理.

冲压成形利用冲模在压力机上使板料分离或变形，从而获得冲压件的加工方法称为板料冲压。板料冲压的坯料厚度一般小于10mm，通常在常温下冲压，故又称为冷冲压。二、冲压成形利用模具使板料分离或变形的加工方法。生产效率高、质量好且稳定、重量轻，常用作结构件。1、基本工序A、冲裁成形过程：弹性、塑性、断裂。分为落料与冲孔。B、拉深板料在凸凹模的作用下变形成为开口空心件。基本过程受力状态破坏现象C、弯曲板料受压弯曲成所需（模具）形状。受力状态回弹D、翻边、胀形、收口、压筋2、冲压设备：剪床冲床3、常用方法A、简单：一个冲程完成一个工序。B、连续：一个冲程在模具不同位置完成多个工序。C、复合：一个冲程在模具同一位置上下完成多个工序。原材料：具有塑性的金属材料，如低碳钢、奥氏体不锈钢、铜或铝及其合金等，也可以是非金属材料，如胶木、云母、纤维板、皮革等。板料冲压的特点：（1）冲压生产操作简单，生产率高，易于实现机械化和自动化。（2）冲压件的尺寸精确，表面光洁，质量稳定，互换性好，一般不再进行机械加工，即可作为零件使用。（3）金属薄板经过冲压塑性变形获得一定几何形状，并产生冷变形强化，使冲压件具有质量轻、强度高和刚性好的优点。（4）冲模是冲压生产的主要工艺装备，其结构复杂，精度要求高，制造费用相对较高，故冲压适合在大批量生产条件下采用。板料冲压冲压设备主要有剪床和冲床两大类。剪床是完成剪切工序，为冲压生产准备原料的主要设备。冲床是进行冲压加工的主要设备，按其床身结构不同，有开式和闭式两类冲床。按其传动方式不同，有机械式冲床与液压压力机两大类。冲床的主要技术参数是以公称压力来表示的，公称压力（kN）是以冲床滑块在下止点前工作位置所能承受的最大工作压力来表示的。我国常用开式冲床的规格为63~2000kN，闭式冲床的规格为1000~5000kN。开式冲床1—脚踏板2—工作台3—滑块4—连杆5—偏心套6—制动器7—偏心轴8—离合器9—皮带轮10—电动机11—床身12—操作机构13—垫板冲压基本工序可分为落料、冲孔、切断等分离工序，和拉深、弯曲等变形工序两大类。（一）分离工序分离工序统称为冲裁，它是使板料的一部分与另一部分分离的加工工序。切断：使板料按不封闭轮廓线分离的工序叫切断；落料：是从板料上冲出一定外形的零件或坯料，冲下部分是成品。冲孔：是在板料上冲出孔，冲下部分是废料。冲孔和落料又统称为冲裁。冲压基本工序1．冲裁变形过程冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。普通冲裁的刃口必须锋利，凸模和凹模之间留有间隙，板料的冲裁过程可分为三个阶段。（1）弹性变形阶段（2）塑性变形阶段（3）剪裂分离阶段塌角是因冲模压入时,刃口附近的材料被拉入凹模发生弯曲与拉伸形成的;光亮带是凸凹模挤入材料产生剪切变形时形成的,有光滑的垂直面;剪裂带是由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展形成的撕裂带,表面粗糙,略带斜度.板料冲裁时的应力应变十分复杂，除剪切应力应变外，还有拉伸、弯曲和挤压等应力应变，如图所示。当模具间隙正常时，冲裁件的断面有圆角带、光亮带、剪裂带和毛刺四部分组成。冲裁变形区的应力应变1—圆角带2—光亮带3—剪裂带4—毛刺如果间隙过大，会使得圆角带和毛刺加大，板料的翘曲也会加大，如图a所示；如果冲裁间隙过小，会使冲裁力加大，不仅会降低模具寿命，还会使冲裁件的断面形成二次光亮带，在两个光面间夹有裂纹，如图b所示，这些都会影响冲裁件的断面质量。因此，选择合理的冲裁间隙对保证冲裁件质量，提高模具寿命，降低冲裁力都是十分重要的。间隙对断面质量的影响a）间隙过大b）间隙过小（1）冲裁间隙的选择设计冲裁模时，可以按相关设计手册选用冲裁间隙或利用下列经验公式选择合理的间隙值。Z=2Ct式中Z—凸模与凹模间的双面间隙，单位为mm；C—与材料厚度、性能有关的系数；t—板料厚度，单位为mm。材料板厚t/mmt≤3t≥3软钢、纯铁0.06~0.09当断面质量无特别要求时，将t≤3的相应C值放大1.5倍铜、铝合金0.06~0.10硬钢0.08~0.12冲裁间隙系数C值（2）刃口尺寸计算刃口尺寸的计算原则如下：1)落料时，落料尺寸由凹模决定，应以凹模为设计基准，凸模尺寸与凹模配制；冲孔尺寸由凸模决定，应以凸模为设计基准，凹模尺寸与凸模配制。凸、凹模配制时应保证冲裁的合理间隙。2）凸、凹模应考虑模具的磨损规律，凹模磨损后会增大落料件的尺寸，因而凹模的刃口基本尺寸应接近落料件的最小极限尺寸；凸模刃口基本尺寸应趋向于孔的最大极限尺寸。3）当凸、凹模采用配制加工时，刃口尺寸的制造公差一般为冲裁件公差的1/3~1/4。如果凸、凹模分别加工时，其制造公差之和应小于或等于最大与最小间隙之差的绝对值，即：（δ凹+δ凸）≤│Zmax－Zmin│。4）刃口尺寸计算要根据模具制造特点，冲裁件的形状简单时，其模具采用分别加工法计算，冲裁件形状复杂时，其模具用配制法计算。（3）冲裁力计算冲裁力是板料冲裁时作用在凸模上的最大抗力.冲裁力计算公式为：F=KLtτ或F=Ltσb式中F——冲裁力，单位为N；L——冲切刃口周长，单位为mm；t——板料厚度，单位为mm；τ——板料的抗剪强度，单位为MPa；σb——板料的抗拉强度，单位为MPaK——安全系数，常取1.3。（4）排样设计冲裁件在条料上的布置方法称为排样。排样设计包括选择排样方法、确定搭边值、计算送料步距和条料宽度，画排样图等。1）排样方法可分为以下三种，如图2-44所示。①有废料排样法，如图a所示，沿冲裁件周边都有工艺余料（称为搭边），冲裁沿冲裁件轮廓进行，冲裁件质量和模具寿命较高，但材料利用率较低；②少废料排样法，如图b所示，沿冲裁件部分周边有工艺余料。这样的排样法，冲裁沿工件部分轮廓进行，材料的利用率较有废料排样法高，但冲裁件精度有所降低；③无废料排样法，如图c所示，沿冲裁件周边没有工艺余料，采用这种排样法时，冲裁件实际是由切断条料获得，材料的利用率高，但冲裁件精度低，模具寿命不高。排样方法a）有废料排样法b）少废料排样法c）无废料排样法2）搭边是指冲裁件与冲裁件之间，冲裁件与条料两侧边之间留下的工艺余料，其作用是保证冲裁时刃口受力均匀和条料正常送进。搭边值通常由经验确定，一般在0.5~5mm之间，材料越厚、越软以及冲裁件的尺寸越大，形状越复杂，搭边值应越大。3）画排样图排样图是排样设计的最终表达形式，是编制冲压工艺与设计模具的主要依据。一般在模具装配图的右上角画出冲裁件图与排样图。在排样图上应标注条料宽度B及其公差、表明冲压加工工序内容、冲压模具的压力中心位置、送料步距A、搭边值a等，如图所示。排样图冲裁件结构工艺性指冲裁件结构、形状、尺寸对冲裁工艺的适应性。主要包括以下几方面：（1）冲裁件的形状应力求简单、对称，有利于排样时合理利用材料，尽可能提高材料的利用率。（2）冲裁件转角处应尽量避免尖角，以圆角过渡。一般在转角处应有最小半径的圆角的要求,如图所示，以减小角部模具的磨损。（3）冲裁件应避免长槽和细长悬臂结构，对孔的最小尺寸及孔距间的最小距离等，也都有一定限制。对冲裁件的有关尺寸要求如图所示。（4）冲裁件的尺寸精度要求应与冲压工艺相适应，其合理经济精度为IT9~IT12，较高精度冲裁件可达到IT8~IT10。采用整修或精密冲裁等工艺，可使冲裁件精度达到IT6~IT7，但成本也相应提高。冲裁件的有关尺寸整修与精密冲裁整修是在模具上利用切削的方法，将冲裁件的边缘或内孔切去一小层金属，从而提高冲裁件断面质量与精度的加工方法，如图所示。整修可去除普通冲裁时在断面上留下的圆角、毛刺与剪裂带等。整修余量约为0.1~0.4mm，工件尺寸精度可达IT7~IT6。精密冲裁又称为无间隙或负间隙冲裁，如图所示。a）外缘整修b）内孔整修1—凸模2—凹模精密冲裁与普通冲裁a）带齿圈压板精冲b）普通冲裁1—凸模2—齿圈压板3—坯料4—凹模5—顶板（二）弯曲工序将金属材料弯曲成一定角度和形状的工艺方法称为弯曲，弯曲方法可分为：压弯、拉弯、折弯、滚弯等。最常见的是在压力机上压弯。1．弯曲变形过程与特点弯曲变形过程如图所示。弯曲过程弯曲变形的主要特点为：（1）弯曲变形区弯曲变形主要发生在弯曲中心角φ对应的范围内，中心角以外区域基本不发生变形。变形前aa段与bb段长度相等，弯曲变形后，aa弧长小于bb弧长，在ab以外两侧的直边段没有变形，如图所示。弯曲变形区（2）最小弯曲半径对于一定厚度的板料，弯曲半径越小，外层材料的伸长率就越大，当外层材料的伸长率达到或超过材料的许用伸长率时，会产生弯裂，因此存在一个不会产生弯裂的最小相对弯曲半径rmin/t（t为板厚）。弯曲件的实际相对弯曲半径r/t应大于最小相对弯曲半径。最小相对弯曲半径rmin/t通常在（0.1~2）之间选取，其影响因素有：1）材料的塑性越好，其最小相对弯曲半径rmin/t越小。2）经过退火的板料塑性好，最小相对弯曲半径rmin/t可小；有加工硬化的板料，塑性降低，使rmin/t增大。3）冷轧板料有各向异性，沿纤维方向弯曲的最小相对弯曲半径rmin/t应加大。沿垂直纤维方向弯曲时，最小相对弯曲半径rmin/t可小。4）板料表面及边缘粗糙时，易产生应力集中，需增大rmin/t。弯曲件的尺寸公差等级一般不高于IT13，角度公差最好大于15′，否则应增加整形工序。（3）中性层在变形区的厚度方向，缩短和伸长的两个变形区之间，有一层金属在变形前后没有变化，这层金属称为中性层。中性层是计算弯曲件展开长度的依据。（4）回弹由于材料的弹性恢复，会使弯曲件的角度和弯曲半径较凸模大，这种现象称为回弹。回弹会影响弯曲件的精度，通常在设计弯曲模时，应使模具的弯曲角α减小一个回弹量△α。弯曲工艺设计包括：弯曲件的结构工艺性分析、弯曲件的毛坯展开尺寸计算、弯曲力的计算和弯曲件的工序安排等。（1）毛坯尺寸计算实际上是计算中性层的尺寸，公式为：L=∑l直+∑l0式中L——弯曲件毛坯尺寸，单位为mm；∑l直——直线部分各段长度，单位为mm；∑l0——圆弧部分各段中性层长度，单位为mm。对于每一个圆弧的中性层长度为：式中l0——弯曲部分园弧长度，单位为mm；φ——弯曲区中心角，单位为“度”；r——弯曲半径，单位为mm；x——中性层系数，其值可查表2-11。中性层系数x值R/t0~0.50.5~0.80.8~22~33~44~55x0.16~0.250.25~0.300.30~0.350.35~0.400.40~0.450.45~0.500.5（2）弯曲力的计算公式如下：F校=Sp式中F校——校正弯曲时的弯曲力，单位为N；S——校正部分的投影面积，单位为mm2；p——单位面积上的校正力，单位为MPa，其值见表2-12。板厚材料t≤3mmt＞3~10mm板厚材料t≤3mmt＞3~10mm铝30~4050~6025~35钢100~120120~150黄铜60~8050~100钛合金BT1160~180180~21010~20钢80~100100~120钛合金BT3160~200200~260单位面积上的校正力（MPa）（3）弯曲件的工序安排形状简单的弯曲件，如V形、U形、Z形等，只需一次弯曲就可以成形。形状复杂的弯曲件，要两次或多次弯曲成形，多次弯曲成形时，一般先弯两端的形状，后弯中间部分的形状，如图所示。对于精度较高或特别小的弯曲件，尽可能在一付模具上完成多次弯曲成形。多次弯曲成形弯曲件的结构工艺性设计时应考虑以下方面：（1）弯曲件的弯曲半径不应小于最小弯曲半径，如果弯曲半径r小于rmin时，可采用减薄弯曲区厚度的方法，以加大rmin/t，；但弯曲半径不应、也不宜过大,否则会造成回弹量过大,使弯曲件精度不易保证。（2）弯曲件应尽量对称，以防止在弯曲时发生工件偏移。直边过短不易弯曲成形，应使弯曲件的直边高H＞2t；弯曲已冲孔的工件时，孔的位置应在变形区以外，孔与弯曲变形区的距离L≥(1~2)t。（3）应尽可能沿材料纤维方向弯曲，多向弯曲时，为避免角部畸变，应先冲工艺孔或切槽。弯曲件结构工艺性（三）拉深拉深是使平面板料成形为中空形状零件的冲压工序。拉深工艺可分为