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什么是冲压工艺
什么是冲压工艺？
冲压工艺是一种金属加工方法，它是建立在金属塑性变形的基础上，利用模具和冲压设备对板料施加压力，使板料产生塑性变形或分离，从而获得具有一定形状、尺寸和性能的零件（冲压件）。
冲压成形工艺在汽车车身制造工艺中占有重要的地位，特别是汽车车身的大型覆盖件，因大多形状复杂，结构尺寸大，有的还是空间曲面，并且表面质量要求高，所以用冲压加工方法来制作这些零件是用其它加工方法所不能比拟的。
载重货车的驾驶室、车前钣金件、货厢板以及轿车的各种车身覆盖件和客车的各种骨架等，几乎全都是用冲压加工方法制作的。
其特点：
（1）冲压是一种高生产效率、低材料消耗的加工方法。
冲压工艺适用于较大批量零件制品的生产，便于实现机械化与自动化，有较高的生产效率，同时，冲压生产不仅能努力做到少废料和无废料生产，而且即使在某些情况下有边角余料，也可以充分利用。
（2）操作工艺方便，不需要操作者有较高水平的技艺。
（3）冲压出的零件一般不需要再进行机械加工，具有较高的尺寸精度。
（4）冲压件有较好的互换性。
冲压加工稳定性较好，同一批冲压件．可相互交换使用，不影响装配和产品性能。
（5）由于冲压件用板材作材料，它的表面质量较好，为后续表面处理工序（如电镀、喷漆）提供了方便条件。
（6）冲压加工能获得强度高、刚度大而重量轻的零件。
（7）用模具批量生产的冲压件成本低廉。
（8）冲压能制造出其它金属加工方法难加工出的形状复杂的零件。
冲压工序：
冲压工序可分为四个基本工序：
冲裁：
使板料实现分离的冲压工序（包括冲孔、落料、修边、剖切等）。
弯曲：
将板料沿弯曲线弯成一定的角度和形状的冲压工序。
拉深：
将平面板料变成各种开口空心零件，或把空心件的形状、尺寸作进一步改变的冲压工序。
局部成形：
用各种不同性质的局部变形来改变毛坯或冲压件形状的冲压工序（包括翻边、胀形、校平和整形工序等）。
生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量、原材料性能等方面的要求，采用多种多样的冲压加工方法。
概括起来冲压加工可以分为分离工序与成形工序两大类。
这里说的工艺参数就是在以下两个工序过程中的一些相关工艺数值。
1.分离工序：
是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离的工序。
工序名称工序特征应用范围
落料用模具沿封闭线冲切板料，冲下的部分为工件。
用于制造各种形状的平板零件
冲孔用模具沿封闭线冲切板料，冲下的部分为废料。
用于冲平板件或成形件上的孔
切断用剪刀或模具切断板料，切断线不是封闭的。
多用于加工形状简单的平板零件
切边用模具将工件边缘多余的材料冲切下来。
主要用于立体成形件
冲槽在板料上或成形件上冲切出窄而长的槽
剖切把冲压加工成的半成品切开成为两个或数个零件。
多用于不对称的成双或成组冲压之后
2.成形工序：
是毛坯在不被破坏的条件下产生塑性变形，形成所要求的形状和尺寸精度的制件。
工序名称工序特征
弯曲用模具将板料弯曲成一定角度的零件，或将已弯件再弯。
拉深用模具将板料压成任意形状的空心件，或将空心件作进一步变形
翻边用模具将板料上的孔或外缘翻成直壁
胀形用模具对空心件施加向外的径向力，使局部直径扩张。
缩口用模具对空心件口部施加由外向内的径向压力，使局部直径缩小。
挤压把毛坯放在模腔内，加压使其从模具空隙中挤出，以成形空心或实心零件。
卷圆把板料端部卷成接近封闭的圆头，用以加工类似铰链的零件。
扩口在空心毛坯或管状毛坯的某个部位上使其径向尺寸扩大的变形方法。
校形将工件不平的表面压平；将已弯曲或拉深的工件压成正确的形状
冲床的主要技术参数，应能反映出压力机的工作能力、所能加工工件的尺寸范围、有关生产率等指标。
主要技术参数有：
（1）标称压力Fg（kN）及标称压力行程sg（mm）
标称压力Fg：
指滑块距下死点某一特定距离（称标称压力行程sg）时滑块允许承受的最大作用力。
标称压力角αg：
与标称压力行程对应的曲柄转角定义为标称压力角。
注意：
只有在标称压力行程sg内，设备的工作能力才能达到Fg（或称额定压力）值。
标称压力系列：
主要取优先数系列，如63、100、160、250、315kN…。
（2）滑块行程s（mm）
指滑块从上死点至下死点所经过的距离，其值为曲柄半径的两倍。
通常滑块行程随设备标称压力值的增加而增大；部分压力机行程是可调的。
（3）滑块行程次数n（1/min）
指连续工作方式下滑块每分钟能往返的次数，与曲柄转速对应。
通用压力机设备越小，行程次数越大；高速压力机行程速度是可调的。
（4）最大装模高度H（mm）及装模高度调节量ΔH（mm）
最大装模高度H：
指装模调节装置将滑块调节至最上位置时，滑块在下死点时滑块下表面到工作台板（垫板）上表面的距离。
与装模高度并行的标准还有封闭高度，它指滑块在下死点时，滑块下表面与压力机工作台上表面的距离。
模具闭合高度是指模具在最低工作位置时，上模座上平面至下模座下平面之间的距离。
理论上介于最大装模高度和最小装模高度之间，但实际上需要扣除极限位置。
（5）工作台尺寸
包括工作台平面尺寸和工作台漏料孔尺寸。
6）模柄孔尺寸
主要针对开式压力机，用于固定上模。
怎样有效的选择冲压设备？
压力机应根据冲压工序的性质、生产批量的大小、冲压件的几何尺寸和精度要求、模具的外形尺寸以及现有设备等情况进行选择。
（1）压力机选择的先决条件
①所选压力机的公称压力必须大于冲压所需生产总冲压压力，即F压机>F总。
②压力机的行程大小应适当。
③所选压力机的闭合高度应与冲模的闭合高度相适应。
④压力机工作台面的尺寸必须大于模具的下模座鹼外形尺寸，并还要留有安装固定余地。
（2）压力机的选用
压力机的选用包括选择压力机类型和压力机规格两项内容。
①压力机类型的选择
a.对于中小型的冲裁件、弯曲件或拉深件的生产，主要应采用开式机械压力机。
b.大中型冲压件的生产，多选用双柱闭式机械压力机，其中有一般用途的通用压力机，也有台面较小而別度大的专用挤压压力机、精压机等。
c.导板模或要求导套不离开导柱的模具，选用偏心压力机。
d.形状复杂、大批量生产的冲压件，选用高速压力机或多工位自动压力机。
e.校平、整形和温热挤压工序，小批量生产选用摩擦压力机。
f.薄板冲裁、精密冲裁，选用刚度高的精密压力机。
g.大型、形状复杂的拉深件，选用双动或三动压力机。
h.批量生产中的大型厚板件的咸；形工序，多采用液压压力机。
②压力机规格的选择
a.公称压力；
b.滑块行程长度；
c.行程次数；
d.作台面尺寸；
e.滑块模柄孔尺寸；
f.闭合高度；
g.电动机功率的选择。
冲压工艺用材料
一、冲压对板料的基本要求
冲压对板料的要求中，首先要满足对产品的技术要求，如强度、刚度等力学性能指标要求，还有一些物理化学等方面的特殊要求，如电磁性、防腐性等。
其次还必须满足冲压工艺的要求，即应具有良好的冲压成形性能。
为满足上述两方面的要求，冲压工艺对板料的基本要求如下：
（一）对力学性能的要求
板料力学性能对冲压成形性能有着密切的关系，力学性能的指标很多，其中尤以伸长率（δ）、屈强比（σs/σb）、弹性模数（E）、硬化指数（n）和厚向异性系数（r）影响较大。
一般来说，伸长率大、屈强比小、弹性模数大、硬化指数高和厚向异性系数大有利于各种冲压成形工序。
（二）对化学成分的要求
板材的化学成分对冲压成形性能影响很大，如在钢中的碳、硅、锰、磷、硫等元素的含量增加，就会使材料的塑性降低、脆性增加，导致材料冲压成形性能变坏。
一般低碳沸腾钢容易产生时效现象，拉深成形时出现滑移线，这对汽车覆盖件是不允许的。
为了消除滑移线，可在拉深之前增加一道辊压工序，或采用加入铝和钒等脱氧的镇静钢，拉深时就不会出现时效现象。
铝镇静钢08Al按其拉深质量分为3级：
ZF（最复杂）用于拉深最复杂零件，HF（很复杂）用于拉深很复杂零件，F（复杂）用于拉深复杂零件。
其它深拉深薄钢板按冲压性能分：
Z（最深拉深）、S（深拉深）、P（普通拉深）3级。
（三）对金相组织的要求
由于对产品的强度要求与对材料成形性能的要求，材料可处于退火状态（或软态）（M）也可处于淬火状态（C）或硬态（Y）。
使用时可根据产品对强度要求及对材料成形性能的要求进行选择。
有些钢板对其晶粒大小也有一定的规定，晶粒大小合适、均匀的金相组织拉深性能好,晶粒大小不均易引起裂纹，深拉深用冷轧薄钢板的晶粒为6至8级。
过大的晶粒在拉深时产生粗糙的表面。
此外，在钢板中的带状组织与游离碳化物和非金属夹杂物，也会降低材料的冲压成形性能。
（四）对表面质量的要求
材料表面应光滑，无氧化皮、裂纹、划伤等缺陷。
表面质量高的材料，成形时不易破裂不易擦伤模具，零件表面质量好。
优质钢板表面质量分3组：
I组（高质量表面），II组（较高质量表面）、III组（一般质量表面）。
（五）对材料厚度公差的要求
在一些成形工序中，凸、凹模之间的间隙是根据材料厚度来确定的，尤其在校正弯曲和整形工序中，板料厚度公差对零件的精度与模具寿命会有很大的影响。
厚度公差分：
A（高级）、B（较高级）、和C（普通级）3种。
二、板料力学性能与冲压成形性能的关系
板料对冲压成形工艺的适应能力称为板料的冲压成形性能。
板料在成形过程中可能出现两种失稳现象,一种称为拉伸失稳，即板料在拉应力作用下局部出现缩颈或断裂；另外一种称为压缩失稳，即板料在压应力作用下出现起皱。
板料在失稳之前可以达到的最大变形程度叫做成形极限。
成形极限分为总体成形极限和局部成形极限。
总体成形极限反映板料失稳前总体尺寸可以达到的最大变形程度，如极限拉深系数、极限胀形高度和极限翻孔系数等。
这些极限系数通常作为规则形状板料零件工艺设计的重要依据。
而局部成形极限反映板料失稳前局部尺寸可以达到的最大变形程度，如复杂零件成形时，局部极限应变即属于局部成形极限。
成形极限越高，说明板料的冲压成形性能越好。
板料的冲压成形性能，应包括抗破裂性、贴模性和定形性等几个方面。
其中板料的贴模性是指板料在冲压过程中取得与模具形状一致性的能力，成形过程中发生的起皱、塌陷等缺陷，均会降低零件的贴模性。
而定形性是指零件脱模后保持其在模内既得形状的能力。
影响定形性的主要因素是回弹，零件脱模后，回弹会造成零件形状与尺寸的误差。
板料的贴模性和定形性是决定零件形状和尺寸精度的重要因素。
但由于材料抗破裂性差，会导致零件严重破坏，且难于修复，因此在目前冲压生产中，主要用抗破裂性作为评定板料冲压成形性能的指标。
板料力学性能指标与板料冲压性能有密切关系。
一般来说，板料的强度指标越高，产生相同变形量所需的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚性指标越高，成形时抗失稳起皱的能力就越大。
对板料冲压成形性能影响较大的力学性能指标有以下几项：
（一）屈服极限σs
屈服极限σs小，材料容易屈服,则变形抗力小，产生相同变形所需变形力就小，并且屈服极限小、当压缩变形时，因易于变形而不易出现起皱，对弯曲变形则回弹小，即贴模性与定形性均好。
（二）屈强比σs／σb
屈强比小说明σs值小而σb值大，即容易产生塑性变形而不易产生拉裂，也就是说，从产生屈服至拉裂有较大的塑性变形区间。
尤其是对压缩类变形中的拉深变形而言，具有重大影响，当变形抗力小而强度高时，变形区的材料易于变形不易出现起皱，而传力区的材料又有较高强度而不易出现拉裂，有利于提高拉深变形的变形程度。
（三）伸长率
拉伸实验中，试样拉断时的伸长率称总伸长率或简称伸长率δ。
而试样开始产生局部集中变形（缩颈时）的伸长率称均匀伸长率δu。
δu表示板料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决定板料在伸长类变形中的冲压成形性能，从实验中得到验证，大多数材料的翻孔变形程度都与均匀伸长率成正比。
可以得出结论：
即伸长率或均匀伸长率是影响翻孔或扩孔成形性能的最主要参数。
（四）硬化指数n
单向拉伸硬化曲线可写成σ=cεn，其中指数n即为硬化指数，表示在塑性变形中材料的硬化程度。
n大时，说明在变形中材料加工硬化严重，真实应力增加大。
板料拉伸时，整个变形过程是不均匀的，先是产生均匀变形，然后出现集中变形，形成缩颈，最后被拉断。
在拉伸过程中，一方面材料断面尺寸不断减小使承载能力降低，另一方面由于加工硬化使变形抗力提高，又提高了材料的承载能力。
在变形的初始阶段，硬化的作用是主要的，因此材料上某处的承载能力，在变形中得到加强。
变形总是遵循阻力最小定律，即“弱区先变形”的原则，变形总是在最弱面处进行，这样变形区就不断转移。
因而，变形不是集中在某一个局部断面上进行，在宏观上就表现为均匀变形，承载能力不断提高。
但是根据材料的特性，板料的硬化是随变形程度的增加而逐渐减弱，当变形进行到一定时刻，硬化与断面减小对承载能力的影响，两者恰好相等，此时最弱断面的承载能力不再得到提高，于是变形开始集中在这一局部区域进行，不能转移出去、发展成为缩颈，直至拉断。
可以看出，当n值大时，材料加工硬化严重，硬化使材料强度的提高得到加强，于是增大了均匀变形的范围。
对伸长类变形如胀形，n值大的材料使变形均匀，变薄减小，厚度分布均匀，表面质量好，增大了极限变形程度，零件不易产生裂纹。
（五）厚向异性系数Y
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，这种现象称塑性各向异性。
厚向异性系数是指单向拉伸试样宽度应变和厚度应变的比值,即：
Y=εb/εt（1-1）
式中Y—厚向异性系数；
εb、εt——宽度、厚度方向的应变。
厚向异性系数表示板料在厚度方向上的变形能力，Y值越大，表示板料越不易在厚度方向上产生变形，即不易出现变薄或增厚,Y值对压缩类变形的拉深影响较大，当Y值增大，板料易于在宽度方向变形，可减小起皱的可能性，而板料受拉处厚度不易变薄，又使拉深不易出现裂纹，因此Y值大时，有助于提高拉深变形程度。
板料在轧制时形成纤维组织，各向力学性能不均匀，所以Y值在不同方位也不一样。
因此常取板料方向（板料轧制方向）、横向和45︒方向的试件所得数据的平均值作为厚向异性指标，用Y表示：
Y（Y0+Y90＋2Y45）/４（1-2）
式中Y0、Y90、Y45——纵向试样、横向试样、与轧制方向成45°的试样的厚向异性系数；
（六）板平面各向异性指数∆Y
板料在不同方位上厚向异性指数不同，造成板平面内各向异性。
用∆Y表示：
∆Y=（Y0+Y90-2Y45）/2（1-3）
∆Y越大，表示板平面内各向异性越严重，拉深时在零件端部出现不平整的凸耳现象，就是材料的各向异性造成的，它既浪费材料又要增加一道修边工序。
三、常用冲压材料及其力学性能
冲压最常用的材料是金属板料，有时也用非金属板料，金属板料分黑色金属和有色金属两种。
表1-4列出了部分常用金属板料的力学性能。
表1-4部分常用冲压材料的力学性能
材料名称
牌号
材料状态
抗剪强度τ/Mpa
抗拉强度σb/MPa
伸长率δ10/%
屈服强度σs/MPa
电工用纯铁C<0.025
DT1、DT2、DT3
已退火
180
230
26
—
普通碳素钢
Q195
未退火
260～320
320～400
28～33
200
Q235
310～380
380～470
21～25
240
Q275
400～500
500～620
15～19
280
优质碳素结构钢
08F
已退火
220～310
280～390
32
180
08
260～360
330～450
32
200
10
260～340
300～440
29
210
20
280～400
360～510
25
250
45
440～560
550～700
16
360
65Mn
已退火
600
750
12
400
不锈钢
1Cr13
已退火
320～380
400～470
21
—
1Cr18Ni9Ti
热处理退软
430～550
540～700
40
200
铝
L2、L3、L5
已退火
80
75～110
25
50～80
冷作硬化
100
120～150
4
—
铝锰合金
LF21
已退火
70～110
110～145
19
50
硬铝
LY12
已退火
105～150
150～215
12
—
淬硬后冷作硬化
280～320
400～600
10
340
纯铜
T1、T2、T3
软态
160
200
30
7
硬态
240
300
3
黄铜
H62
软态
260
300
35
—
半硬态
300
380
20
200
H68
软态
240
300
40
100
半硬态
280
350
25
—
黑色金属板料按性质可分为：
1．普通碳素钢钢板如Q195、Q235等。
2．优质碳素结构钢钢板这类钢板的化学成分和力学性能都有保证。
其中碳钢以低碳钢使用较多，常用牌号有：
08、08F、10、20等，冲压性能和焊接性能均较好，用以制造受力不大的冲压件。
3．低合金结构钢板常用的如Q345（16Mn）、Q295（09Mn2）。
用以制造有强度要求的重要冲压件。
4．电工硅钢板如DT1、DT2。
5．不锈钢板如1Crl8N19Ti，1Cr13等，用以制造有防腐蚀防锈要求的零件。
常用的有色金属有铜及铜合金如黄铜等，牌号有T1、T2、H62、H68等，其塑性、导电性与导热性均很好。
还有铝及铝合金，常用的牌号有L2、L3、LF21、LY12等，有较好塑性，变形抗力小且轻。
非金属材料有胶木板、橡胶、塑料板等。
冲压用材料最常用的是板料，常见规格如7101420和10002000等。
对大量生产可采用专门规格的带料（卷料）。
特殊情况可采用块料，它适用于单件小批生产和价值昂贵的有色金属的冲压。
板料按厚度公差可分为A、B、C种；按表面质量可分为I、II、III三种。
用于拉深复杂零件的铝镇静钢板，其拉深性能可分为ZF、HF、F三种。
一般深拉深低碳薄钢板可分为Z、S、P三种。
板料供应状态可为：
退火状态M、淬火状态C、硬态Y、半硬（1／2硬）Y2等。
板料有冷轧和热轧两种轧制状态。
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