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绪 论
内容简介：
本章讲述冲压及模具的概念；冲压的特点、发展及应用，冲压工序的分类及基本冲压工序。
学习目的与要求：
1、掌握冲压及模具的概念；
2、了解冲压冲压的特点、发展及应用；
3、掌握冲压工序的分类，认识基本冲压工序。
重点：
冲压及模具的概念、冲压的特点、发展及应用，冲压工序的分类。
难点：
冲压基本工序。
1.1 冲压的概念
1.1.1 冲压
冲压：
在室温下，利用安装在压力机上的模具对被冲材料施加一定的压力，使之产生分离和塑性变形，从而获得所需要形状和尺寸的零件（也称制件）的一种加工方法。
因为通常使用的材料为板料，故也常称为板料冲压。
冲压成形产品示例一——日常用品：
易拉罐、餐盘、垫圈等。
冲压成形产品示例二——兵器产品：
子弹壳等。
冲压成形产品示例三——高科技产品：
汽车覆盖件、飞机蒙皮等。
1.1.2 冲模
冲压模具：
将材料加工成所需冲压件的一种工艺装备，称为冲压模具（俗称冲模）
1.1.2 冲压生产的三要素：
冲压生产的三要素：
合理的冲压工艺、先进的模具、高效的冲压设备
1.2 冲压加工特点与应用
1.2.1 冲压加工的特点
（1）生产率高、操作简单。
高速冲床每分钟可生产数百件、上千件。
（2）一般无需进行切削加工，节约原料、节省能源。
（3）冲压件的尺寸公差由冲模来保证，产品尺寸稳定、互换性好。
“一模一样”
（4）冲压产品壁薄、量轻、刚度好，可以加工形状复杂的小到钟表、大到汽车纵梁、覆盖件等。
局限性：
由于冲模制造是单件小批量生产，精度高，是技术密集型产品，制造成本高。
因此，冲压生产只适应大批量生产。
1.2.2 冷冲压的应用
由于冷冲压在技术上和经济上的特别之处，因而在现代工业生产中占有重要的地位。
在汽车、拖拉机、电器、电子、仪表、国防、航空航天以及日用品中随处可见到冷冲压产品。
如不锈钢饭盒，搪瓷盆，高压锅，汽车覆盖件，冰箱门板，电子电器上的金属零件，枪炮弹壳等等。
据不完全统计，冲压件在汽车、拖拉机行业中约占60%，在电子工业中约占85%，而在日用五金产品中占到约90%。
如一辆新型轿车投产需配套2000副以上各类专用模具；一台冰箱投产需配套350副以上各类专用模具；一台洗衣机投产需配套200副以各类专用模具。
可以这么说，一个国家模具工业发展的水平能反映出这个国家现代化工业化发展的程度。
对于一个地区来说也是如此。
目前世界各主要工业国，其锻压机床的产量和拥有量都已超过机床总数的50%以上，美国、日本等国的模具产值也已超过机床工业的产值，在我国，近年来锻压机床的增长速度已超过了金属切削机床的增长速度，板带材的需求也逐年增长，据专家预测，今后各种机器零件中粗加工的75%，精加工有50%以上要采用压力加工，其中冷冲压占有相当的比例。
1.3 冲压技术的现状与发展趋势
1.3.1 我国冲压技术的历史与现状
据考古发现，早在2000多年前，我国已有冲压模具被用于制造铜器，证明我国古代冲压成型和冲压模具方面的成就已处于世界领先。
但是，由于众所周知的原因，近代工业水平一直处于落后状态。
1949年新中国成立后，在前苏联的帮助下，我国的近代工业才开始起步。
1953年，长春第一汽车制造厂首次建立了冲模车间，于1958年开始制造汽车覆盖件模具，60年代开始生产精冲模具。
在国家产业政策的正确引导下（退税），经过多年努力，现在我国冲压模具的设计与制造能力已达到较高水平，已形成了300多亿元各类冲压模具的生产能力。
大型冲压模具已能生产单套重量达50多吨的模具；为中档轿车配套的覆盖件模具内也能生产了；精度达到1~2μm，寿命2亿次左右的多工位级进模国内已有多家企业能够生产；
表面粗糙度达到Ra≤1.5μm的精冲模，大尺寸（φ≥300mm）精冲模及中厚板精冲模国内也已达到相当高的水平。
但是，与发达国家相比，我国模具设计、制造能力仍有较大差距。
差距主要表现在：
① 在高档轿车和大中型汽车覆盖件模具及高精度冲模的模具结构与生产周期方面存在一定差距。
②在标志冲模技术先进水平的多工位级进模的制造精度、使用寿命、模具结构和功能上存在一定差距。
1.3.2 冲压技术的发展趋势
（1）冲压工艺方面
为了提高生产率和产品质量，降低成本和扩大冲压工艺的应用范围，研究和推广各种冲压新工艺是冲压技术发展的重要趋势。
目前，国内外涌现并迅速用于生产的冲压先进工艺有：
精密冲压、柔性模（软模）成形、超塑性成形、无模多点成形、爆炸和电磁等高能成形、高效精密冲压技术以及冷挤压技术等。
（2）冲模设计与制造方面
在冲模设计与制造上，有两种趋向应给予足够的重视。
①模具结构与精度正朝着两个方向发展
一方面为了适用高速、自动、精密、安全等大批量自动化生产的需要，冲模正向高效、精密、长寿命、多工位、多功能方向发展。
另一方面，为适用市场上产品更新换代迅速的要求、各种快速成形方法和简易经济冲模的设计与制造也得到迅速发展。
②模具设计与制造的现代化
计算机技术、信息技术等先进技术在模具技术中得到广泛的应用，使得模具设计与制造水平发生了深刻的革命性的变化。
目前，最为突出的是模具CAD/CAE/CAM。
在这个方面，国际上已有许多应用成熟的计算机软件。
我国不但能消化、应用国外的软件，不少单位还自行开发了模具CAD/CAE/CAM软件，如CAXA。
模具的加工方法迅速现代化。
各种加工中心、高速铣削、精密磨削、电火花铣削加工、慢走丝线切割、现代检测技术等已全面走向数控（NC）或计算机数控化（CNC）。
在模具材料及热处理、模具表面处理等方面，国内外都进行了不少研制工作，并取得了很好的实际效果。
冲模材料的发展方向是研制高强韧性冷作模具钢，如65Nb、LD1、LM1、LM2等就是我国研制的性能优良的冲模材料。
模具的标准化和专业化生产，已得到模具行业的广泛重视。
模具标准化是组织模具专业化生产的前提，模具专业化生产是提高模具质量、缩短模具制造周期、降低成本的关键（先进国家模具标准化已达到70~80%）。
（3）冲压设备及冲压自动化方面
性能良好的冲压设备是提高冲压生产技术水平的基本条件。
高效率、高精度、长寿命的冲模需要高精度、高自动化的冲压设备与之相匹配；为了满足新产品小批量生产的需要，冲压设备朝多功能、数控方向发展；为了提高生产效率和安全生产，应用各种自动化装置、机械手乃至机器人的冲压自动生产线和高速压力机纷纷投入使用。
（4）冲压基本原理的研究
冲压工艺、冲模设计与制造方面的发展，均与冲压变形基本原理的研究进展密不可分。
例如，板料冲压工艺性能的研究，冲压成形过程应力应变分析和计算机模拟，板料变形规律的研究，从坯料变形规律出发进行坯料与冲模之间相互作用的研究，在冲压变形条件下的摩擦、润滑机理方面的研究等，这都为逐步建立起紧密结合生产实际的先进冲压工艺及模具设计方法打下了基础。
1.4 冲压工序分类
冷冲压加工的零件，由于其形状、尺寸、精度要求、生产批量、原材料性能等各不相同，因此生产中所采用的冷冲压工艺方法也是多种多样，概括起来分为两大类，即分离工序和成形工序。
分离工序的目的，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，同时，冲压件分离断面的质量，也要满足一定的要求。
成形工序的目的，是使冲压毛坯在不破坏的条件下发生塑性变形，成为所要求的成品形状，同时也达到尺寸精度方面的要求。
在实际生产中，当生产批量大时，往往采用组合工序，即把两个以上的单独工序组成一道工序，构成复合、级进、复合-级进的组合工序。
为了进一步提高劳动生产率，充分发挥冲压的优点，还可以利用冲压方法进行产品的某些装配工作。
如，微型电机定、转子铁芯的冲压与叠装。
常见的冷冲压基本工序见表1-1。
表1-1 常见冲压工序分类表
冲压类别
序号
工序名称
工序简图
定义
分
离
工
序
1
切断
将材料沿敞开的轮廓分离，被分离的材料成为零件或工序件
2
落料
将材料沿封闭的轮廓分离，封闭轮廓线以内的材料成为零件或工序件
3
冲孔
将材料沿封闭的轮廓分离，封闭廓线以外的材料成为零件或工序件
4
切边
切去成形制件不整齐的边缘材料的工序
5
切舌
将材料沿敞开轮廓局部而不是完全分离的一种冲压工序
6
剖切
将成形工序件一分为几的工序
7
整修
沿外形或内形轮廓切去少量材料,从而降低边缘粗糙度和垂直度的一种冲压工序,一般也能同时提高尺寸精度
8
精冲
是利用有带齿压料板的精冲模使冲件整个断面全部或基本全部光洁
成
形
工
序
9
弯曲
利用压力使材料产生塑性变形，从而获得一定曲率、一定角度的形状的制件
10
卷边
将工序件边缘卷成接近封闭圆形的工序
11
拉弯
是在拉力与弯矩共同作用下实现弯曲变形，使整个横断面全部受拉伸应力的一种冲压工序
12
扭弯
是将平直或局部平直工序件的一部分相对另一部分扭转一定角度的冲压工序
13
拉深
将平板毛坯或工序件变为空心件，或者把空心件进一步改变形状和尺寸的一种冲压工序
14
变薄拉深
将空心件进一步拉伸，使壁部变薄高度增加的冲压工序
15
翻孔
沿内孔周围将材料翻成侧立凸缘的冲压工序
16
翻边
沿曲线将材料翻成侧立短边的工序
17
卷缘
将空心件上口边缘卷成接近封闭圆形的一种冲压工序
18
胀形
将空心件或管状件沿径向向外扩张的工序
19
起伏
依靠材料的延伸使工序件形成局部凹陷或凸起
20
扩口
将空心件敞开处向外扩张的工序
21
缩口
将空心件敞口处加压使其缩小的工序
22
校形
校平是提高局部或整体平面型零件平直度的工序；
整形是依靠材料流动，少量改变工序件形状和尺寸，以保证工件精度的工序
23
旋压
用旋轮使旋转状态下的坯料逐步成形为各种旋转体空心件的工序
24
冷挤压
对模腔内的材料施加强大压力，使金属材料从凹模孔内或凸、凹模间隙挤出的工序
1.5 本课程的学习要求与学习方法
1.5.1 学习要求：
（1）掌握冲压成形的基本原理；
（2）掌握冲压工艺过程设计和冲模设计的基本方法；
（3）具有设计中等复杂程度冲压件的工艺过程和冲模的能力。
（4）能运用已学知识，分析和创造性地解决生产中常见的产品质量、工艺及模具方面的技术问题；
（5）能合理选择冲压设备和设计自动送料和自动出件装置
（6）了解冲压新工艺，新模具及其发展动向。
1.5.2 学习方法：
由于冲压工艺及模具设计是一门实践性和使用性很强的学科，而且又是以金属材料及热处理、金属塑性成型原理等工程技术基础学科为基础，与冲压设备、模具制造工艺学密切相关，因此在学习时注意理论联系实际，认真参加实验、实习、设计等重压教学环境，注意综合运用基础学科和相关学科的基本知识。
第2章 冷冲压变形基础知识
内容简介：
本章讲述冲压变形的基础知识。
涉及塑性变形、塑性、变形抗力、主应力状态、主应变状态等概念；冲压成形基本原理和规律；冲压成形性能及常见冲压材料及其在图纸上的表示等。
学习目的与要求：
1、掌握塑性变形、塑性、变形抗力、主应力状态、主应变状态等概念；
2、掌握屈服准则、塑性变形时应力应变关系、体积不变条件、硬化规律、卸载弹性恢复规律和反载软化现象、最小阻力定律等冲压成形基本规律；
3、了解冲压成形性能指标，认识常见冲压材料；
重点：
塑性变形、塑性、变形抗力、主应力状态、主应变状态等概念、冲压成形基本规律及应用、冲压成形性能指标、常见冲压材料及其在图纸上的表示；
难点：
冲压成形基本规律、冲压成形性能。
冷冲压成形是金属塑性加工的主要方法之一，冷冲压成形的理论是建立在金属塑性变形理论的基础之上。
因此，要掌握冷冲压成形的加工技术，就必须对金属的塑性变形性质、规律及材料的冲压成形性能等有充分的认识。
2.1 塑性变形理论基础
2.1.1 影响金属塑性和变形抗力的因素
1、塑性变形、塑性与变形抗力的概念
塑性变形：
物体在外力作用下会产生变形，若外力去除以后，物体并不能完全恢复自己的原有形状和尺寸；
塑性：
物体具有塑性变形的能力称为塑性，塑性的好坏用塑性指标来评定。
塑性指标是以材料开始破坏时的变形量表示，它可借助于各种试验方法测定。
变形抗力：
在一定的变形条件（加载状况、变形温度及速度）下，引起物体塑性变形的单位变形力。
变形抗力反映了物体在外力作用下抵抗塑性变形的能力。
塑性和变形抗力是两个不同的概念。
通常说某种材料的塑性好坏是指受力后临近破坏时的变形程度的大小，而变形抗力是从力的角度反映塑性变形的难易程度。
如奥氏体不锈钢允许的塑性变形程度大，说明它的塑性好，但其变形抗力也大，说明它需要较大的外力才能产生塑性变形。
2、塑性变形对金属组织和性能的影响
金属受外力作用产生塑性变形后，不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部组织和性能也将发生变化，这些变化可以归纳为以下四个方面：
（1） 形成了纤维组织
（2） 形成了亚组织
（3） 产生了内应力
（4） 产生了加工硬化
3、影响金属塑性及变形抗力的因素
金属的塑性不是固定不变的，影响因素很多，主要有以下几个方面：
（1） 金属的成分和组织结构 一般来说，组成金属的元素越少（如纯金属和固熔体）、晶粒愈细小、组织分布愈均匀，则金属的塑性愈好。
（2） 变形时的应力状态 金属变形时，压应力的成分愈多，金属愈不易破坏，其可塑性也就愈好。
与此相反，拉应力则易于扩展材料的裂纹与缺陷，所以拉应力的成分愈大，愈不利于金属可塑性的发挥。
（3） 变形温度 变形温度对金属的塑性有重大影响。
就大多数金属而言，其总的趋势是：
随着温度的升高，塑性增加，变形抗力降低（金属的软化）。
（4） 变形速度 变形速度是指单位时间内应变的变化量，但在冲压生产中不便控制和计量，故以压力机滑块的移动速度来近似反映金属的变形速度。
一般情况下：
对于小型件的冲压，一般可以不考虑速度因素，只需考虑设备的类型、标称压力和功率等；对于大型复杂件，宜采用低速成形（如采用液压机或低速压力机冲压）。
另外，对于加热成形工序，变形速度比较敏感的材料（如不锈钢、耐热合金、钛合金等），也宜低速成形。
（5） 尺寸因素 同一种材料，在其他条件相同的情况下，尺寸越大，塑性越差。
这是因为材料尺寸越大，组织和化学成分越不一致，杂质分布越不均匀，应力分布也不均匀。
例如厚板冲裁时，产生剪裂纹时凸模挤入板料的深度与板料厚度的比值（称为相对挤入深度）比薄板冲裁时小。
2.1.2 塑性变形时的体积不变定律
在冲压过程中，材料的塑性变形都是模具对材料施加的外力所引起的内力或内力直接作用的结果。
一定的力的作用方式和大小都对应着一定的变形，所以为了研究和分析金属材料的变形性质和变形规律，控制变形的发展，就必须了解材料内各点的应力与应变状态以及它们之间的相互关系。
即 ε1+ε2+ε3=0 （2-1）
这就是塑性变形时的体积不变定律，它反映了三个主应变之间的数值关系。
根据体积不变定律，可以得出如下结论：
① 塑性变形时，物体只有形状和尺寸发生变化，而体积保持不变。
② 不论应变状态如何，其中必有一个主应变的符号与其他两个主应变的符号相反，这个主应变的绝对值最大，称为最大主应变。
③ 当已知两个主应变数值时，便可算出第三个主应变。
④ 任何一种物体的塑性变形方式只有三种，与此相应的主应变状态图也只有三种，如图1-1所示。
图2-1 三种主应变图
2.1.3 塑性条件（屈服条件）
决定受力物体内质点由弹性状态向塑性状态过渡的条件，称为塑性条件或屈服条件。
金属由弹性变形过渡到塑性变形，主要取决于在一定变形条件（变形温度与变形速度）下金属的物理力学性质和所处的应力状态。
一般来说，在材料性质和变形条件一定的情况下，塑性条件主要决定于物体的应力状态。
当物体内某点处于单向应力状态时，只要该向应力σ1达到材料的屈服点σs，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态，即此时的塑性条件是σ1≥σs。
但是对复杂应力状态，就不能仅仅根据一个应力分量来判断该点是否已经屈服，而要同时考虑其他应力分量的作用。
只有当各个应力分量之间符合一定关系时，该点才开始屈服。
法国工程师屈雷斯加（H·Tresca）通过对金属挤压的研究，于1864年提出：
在一定的变形条件下，当材料中的最大切应力达到某一定值时，材料就开始屈服。
并通过单向拉压等简单的试验，该定值就是材料屈服点应力值σs的一半，即σs /2。
设σ1≥σ2≥σ3，则屈雷斯加屈服条件可表达为：
τmax=
或 σ1 - σ3 = σs （2-2）
屈雷斯加屈服条件又称最大切应力理论。
该条件公式简单，在事先知道主应力大小的情况下使用很方便。
但该条件显然忽略了中间主应力σ2的影响，实际上在一般三向应力状态下，σ2对于材料的屈服也是有影响的。
德国力学家密席斯（VonMises）于1913年在对屈雷斯加条件加以修正的基础上提出：
在一定的变形条件下，无论变形物体所处的应力状态如何，只要其三个主应力的组合满足一定条件，材料便开始屈服。
该条件为：
（σ1 - σ2）2+（σ2 - σ3）2+（σ3 - σ1）2 =2σs2 （2-3）
密席斯屈服条件又称常量形变能量理论。
因密席斯条件考虑了中间主应力σ2的影响，实践证明，对于大多数金属材料（特别是韧性材料）来说，应用密席斯屈服条件更符合实际情况。
密席斯屈服条件虽然在数学表达方法上比较完善，但在方程中同时包含了全部应力分量，实际运算比较繁锁。
为了使用上的方便，可将密席斯屈服条件改写成如下简单形式：
σ1 - σ3 =βσs （2-4）
式中，β为反映中间主应力σ2影响的系数，其范围为1～1.155，具体取值见表1-1。
表2-1 β值
中间应力
β
应力状态
应用举例
σ2=σ1或σ2=σ3
1.0
单向应力叠加三向等应力
软凸模胀形、外缘翻边
σ2=（σ1+σ3）/2
1.155
平面应变状态
宽板弯曲
σ1不属于上面两种情况
≈1.1
其他应力状态（如平面应力状态等）
缩口、拉深
由表1-1可知，在单向应力叠加三向等应力状态下，β=1，密席斯屈服条件与屈雷斯加屈服条件是一致的；在平面应变状态下，两个屈服条件相差最大，为15.5%。
2.1.4 塑性变形时应力与应变的关系
物体弹性变形时，应力和应变之间的关系可以通过广义虎克定律来表示。
但物体进入塑性变形以后，其应力与应变的关系就不同了。
在单向受拉或受压时，应力与应变关系可用硬化曲线来表示，然而在受到双向或三向应力作用时，变形区的应力与应变关系相当复杂。
经研究，当采用简单加载（加载过程中只加载不卸载，且应力分量之间按一定比例递增）时，塑性变形的每一瞬间，主应力与主应变之间存在下列关系：
（2-4）
式中，C为非负数的比例常数。
在一定的条件下，C只与材料性质及变形程度有关，而与物体所处的应力状态无关，故C值可用单向拉伸试验求出。
式（1-12）也可表示为：
（2-5）
上述物理方程又称为塑性变形时的全量理论，它是在简单加载条件下获得的，通常用于研究小变形问题。
但对于冲压成形中非简单加载的大变形问题，只要变形过程中是加载，主轴方向变化不大，主轴次序基本不变，实践表明，应用全量理论也不会引起太大的误差。
全量理论是冲压成形中各种工艺参数计算的基础，而且利用全量理论还可以对有些变形过程中坯料的变形和应力的性质作出定性的分析和判断，例如：
① 由式（1-13）可知，判断某方向的主应变是伸长还是缩短，并不是看该方向是受拉应力还是受压应力，而是要看该方向应力值与平均应力σm的差值。
差值为正时是拉应变，为负时是压应变。
② 若σ1=σ2=σ3=σm,由式（1-13）可知，ε1=ε2=ε3=0，这说明在三向等拉或等压的球应力状态下，坯料不产生任何塑性变形（但有微小的体积弹性变化）。
③ 由式（1-12）可知，三个主应力分量和三个主应变分量代数值的大小、次序互相对应，即若σ1≥σ2≥σ3，则有ε1≥ε2≥ε3。
④ 当坯料单向受拉时，即σ1＞0、σ2=σ3=0时，因为σ1-σm=σ1-σ1/3＞0，由式（1-13）可知ε1＞0，ε2=ε3=-ε1/2。
这说明在单向受拉时，拉应力作用方向为伸长变形，另外两个方向则为等量的压缩变形，且伸长变形为每一个压缩变形的2倍。
如翻孔时，坯料孔边缘的变形就属于这种情况。
同样，当坯料单向受压时，压应力作用方向上为压缩变形，另外两方向为等量的伸长变形，且压缩变形为每一个伸长变形的2倍。
如缩口、拉深时，坯料边缘的变形即属于此种情况。
⑤ 坯料受双向等拉的平面应力作用，即σ1=σ2＞0、σ3=0时，由式（1-13）可知，ε1=ε2=-ε3/2。
这说明当坯料受双向等拉的平面应力作用时，在两个拉应力作用的方向为等量的伸长变形，而在另一个没有主应力作用的方向为压缩变形，其值为每个伸长变形的2倍。
平板坯料胀形时的中心部位就属于这种情况。
⑥ 由式（1-13）可知，当σ2 - σm=0时，必有ε2 =0，根据体积不变定律，则有ε1=-ε3。
这说明在主应力等于平均应力的方向上不产生塑性变形，而另外两个方向上的塑性变形数值相等、方向相反。
这种变形称为平面变形，且平面变形时必有σ2=σm=（σ1+σ2+σ3）/3，即σ2=（σ1+σ3）/2。
如宽板弯曲时，板料宽度方向变形为0，该方向上的主应力即为其余两个方向主应力之和的一半。
⑦ 当坯料三向受拉，且σ1＞σ2＞σ3＞0时，在最大拉应力σ1方向上的变形一定是伸长变形，在最小拉应力σ3方向上的变形一定是压缩变形。
同样，当坯料三向受压，且0＞σ1＞σ2＞σ3时，在最小压应力σ3（绝对值最大）方向上的变形一定是压缩变形，而在最大压应力σ1（绝对值最小）方向上的变形一定是伸长变形。
2.1.5 加工硬化与硬化曲线
1. 硬化现象与硬化曲线
加工硬化：
一般常用的金属材料，随着塑性变形程度的增加，其强度、硬度和变形抗力逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低。
材料的硬化规律可以用硬化曲线来表示
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