2 冲压模具设计基础

00 900 450 2
大
各向异性严重，拉伸时会出 现凸耳现象
00、900、 450
与板料轧制纤维方向成0o、 90o 45o试样的厚向异性指数
2.3
冲压常用的材料
1.金属材料 • 伸长率大、屈强比小、弹性模量大、硬化指数高和厚向异 性指数大有利于各种冲压成形工序。 （1）板料应有良好的表面质量。 板料表面不能有划伤、缩孔、麻点或断面分层，否则在冲 压过程中会造成应力集中而产生破裂。 （2）板料的规格应符合有关标准。 板料厚度及公差确定拉深工艺，凸模和凹模的间隙主要 是板料厚度公差确定的。
n 硬化指数
与材料的种类和性能 有关，通过实验获得
材料在变形时硬化性能的重要指标，n越大，表示变形过程中，材 料的变形抗力随着变形程度的增加而迅速增长，同时不易出现局部 的集中变形和破坏，有利于增大伸长类零件成形时的变形极限，对 板料的成形性能有着重要的影响。
变形抗力的大小取决于 材料在一定变形温度、变形速度和变形程度下的真实应力； 塑性加工时的应力状态、接触摩擦及相对尺寸因素等。 （1）化学成分及组织对变形抗力的影响 各种纯金属的变形抗力也不同，纯度越高，变形抗力 越小。不同牌号的合金，因组织状态不同，变形抗力也 不同。 一般合金元素、杂质元素含量越高，变形抗力越大， 尤其是弥散分布对变形抗力的增大影响较大。 （2）变形温度对变形抗力的影响 温度升高，金属原子间结合力降低，变形抗力降低。在 某些温度区间出现脆性区的金属则例外。
分离工序
切断 落料 冲孔 切舌 切边 剖切 弯曲
冲压工序
成形工序
拉深
成形
起伏 翻边 胀形 缩口
见P3-4 表1.1
2.2 板料的冲压成形性能
2.2.1 金属材料的塑性与变形抗力
1.塑性定义与指标 定义： 塑性是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏 其完整性的能力。 塑性指标： 常用的塑性指标有伸长率δ与断面收缩率ψ。 金属材料的塑性与柔软性概念不同，柔软性只是物质变形 抗力的标志，与金属的塑性没有直接的联系。即软的材料 塑性不一定好，塑性好的材料不一定柔软。例如奧氏体不 锈钢在室温下具有良好的塑性，但其变形抗力却很大，需 在很大压力下成形。
2.2.2 冲压成形工艺的分类 （Classification of Stamping Technology）
从毛坯变形区的应力与应变特点，可以把冲压变形概括为两 大类：伸长类变形和压缩类变形。 当作用于毛坯变形区内的最大应力、应变为正值时，称这 种冲压变形为伸长类变形，如胀彤、翻边与弯曲外侧变形等。 这种成形主要是靠材料的伸长和厚度的减薄来实现，此时拉 应力的成分越多，数值越大，材料的伸长与厚度减薄越严重。 伸长类变形的极限变形参数主要决定于材料的塑性。 当作用于毛坯变形区内的最大应力、应变为负值时，称这种 冲压变形为压缩类变形，如拉深凸缘变形区和弯曲内侧变形 等。这种成形主要是靠材料的压缩与增厚来实现的，压应力 的成分越多，数值越大，板料的缩短与增厚就越严重。
Q235
08
310～380
260～360 440～560 600 600 430～550 105～150 260 300
380～470
330～450 550～700 750 750 540～700 150～215 300 380
240
200 360 400 200
21～25
32 16 12 10 40 12 35
弯曲变形
拉深变形
拉深时材料的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ移
拉伸曲线
1. 屈服强度σs 屈服强度σs 小材料容易变形，所需变形力也小。 2. 屈强比 σs /σb 屈强比小，允许的塑性变形区间大，易于产生塑性变形而 不易破裂。 3. 伸长率δ 表示材料产生均匀的或稳定的塑性变形的能力，它直接决 定材料在伸长类变形中的冲压成形性能。 4.硬化指数n和弹性模量E n值大，材料在变形中加工硬化，真实应力增大。在拉伸 类变形中，n值大，变形抗力增大，从而使变形趋于均匀， 板料厚度方向变薄量减小，厚度分布均匀，表面质量好， 成形极限增大，制件不易产生裂纹，冲压性能好。 弹性模量E越大，材料抗压失稳能力越强，卸载后回弹 越小，冲压件质量越高。
剪板机
电机 皮带轮 制动器
2.4.2 曲柄压力机 工作原理
大齿轮
滑块
工作台 可倾式床身 底座
一、曲柄压力机传动结构
9 10 11
1.电机 2.皮带轮 3.小齿轮 4.大齿轮 5.离合器 6.曲轴 7.连杆 8.滑块 9.制动器 10.床身 11.工作台
曲柄滑块机构.swf
曲柄压力机传动结构
滑块行程 滑块速度
材料塑性性能的影响条件 同一变形条件下不同的材料具有不同的塑性； 同一种材料在不同的变形条件下又会出现不同的塑性。 材料塑性性能受变形条件影响 影响金属材料塑性变形的因素有两个方面。 一是金属材料本身的性质，如化学成分、金相组织等； 二是外部条件，如变形温度、变形速度和应力状态等。 例如金属铅在一般情况下变形时，具有极好的塑性， 但在三向等拉应力的作用下却会像脆性材料一样被破 坏，而不产生任何塑性变形； 而大理石一般情况下毫无塑性性，却可以在三向压 应力的作用下产生一定的塑性变形。
2.4.1 冲压设备分类
摩擦压力机 机械压力机（以Jxx表示其型号） 曲柄压力机
油压机
液压机（以Yxx表示其型号） 水压机 数控冲床
摩擦压力机传动系统 1-电机 2-传送带 3、5-摩擦盘 4-轴 6-飞轮 7、10-连杆 8-螺母 9-螺杆 11-挡块 12-滑块 13-手柄
油 压 机
数控冲床
（3）变形速度对变形抗力的影响 变形速度的增大使热效应增大，从而使变形抗力降低； 另一方面，变形速度增大缩短了变形时间，位错运动 的发生与发展时间不足，又使变形抗力增加。
（4）变形程度对变形抗力的影响 变形过程中随着塑形变形程度的增加，其变形抗力（即 每一瞬间的屈服强度增加，硬度提高，而塑性降低， 这种现象称为加工硬化。 （5）应力状态对变形抗力的影响 物体受到的静水压力越大，其变形抗力越大。 如金属挤压时受三向压应力作用，拉拔时受两压一拉 的应力作用，虽然两者产生的变形状态是相同的，但 挤压时的变形抗力远大于拉拔时的变形抗力。
温度升高使塑性增加有如下原因：
发生了回复和再结晶； 临界切应力降低，滑移系增加； 金属的组织结构发生变化，可能由多相组织转变为单 相组织，也可能由对塑性不利的晶格转变为对塑性有 利的晶格等。 （3）应力状态对塑性的影响 六面体上只有正应力而没有切应力，则此应力状态图称主 应力图。根据主应力方向及组合不同，主应力图共有9种。
冲压加工特点： 生产复杂零件； 产品尺寸一致性好； 材料利用率高； 通过塑性变形提高工件强度； 生产效率高； 模具寿命长，生产成本低。
大批量生产
2.1.2 冲压工序分类
按照变形性质冲压工序分为： 分离工序： 板料在压力作用下，其压力超过材料的抗剪强度而沿 一定轮廓线断裂成制件的工序。通常分离工序又称冲 裁。 成形工序： 板在压力作用下，其应力超过屈服强度（未达到抗剪强 度）而产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸的制件 的工序。
2.变形抗力
塑性变形时，使金属产生塑性变形的外力称为变形力； 金属抵抗变形的力称为变形抗力； 变形抗力反映了使材料产生塑性变形的难易程度； 变形抗力与变形力大小相等，方向相反。 在冲压生产中常用真实应力—应变曲线来表示材料变形 抗力与变形程度的关系，
C n
C 与材料有关的系数，MPa
滑块下滑到距下极点某一特定的距离Sp或曲柄旋转到距下极点某 一特定角度α时，所产生的冲击力称为压力机的公称压力。 压力机许用压力曲线： 实际冲压力曲线与与压力机许 用压力曲线不同步。
冲裁、弯曲时压力机的吨位应 比计算的冲压力大30%左右。
拉深时压力机吨位应比计算出 的拉深力大60%～100%。
压力机的许用压力曲线 1─压力机许用压力曲线 2─冲裁工艺冲裁力实际 变化曲线 3─拉深工艺拉深力实际变化曲线
点的应力状态 a）任意坐标系 b）主轴坐标系
1
2
3
4
5
6
7
8
9
9种主应力状态图
• 应力状态对塑性的影响很大，主应力图中压应力个数越多、 数值越大，则塑性越好。 • 应力图中第1种塑性最好，第4种塑性最差。
1 2 3
称为球应力状态
• 习惯上将三向等压应力称为静水压力。在静水压力作用下 的金属，其塑性将提高，静水压越大，塑性提高越多，这 种现象称为静水压效应。静水压力效应对塑性加工很有利， 应尽量加以利用。
优质碳素钢
45 65Mn T7～T12 1Cr18Ni9Ti 2A12 H62
已退火
碳素工具钢 不锈钢 铝合金 黄铜
已退火 软态 已退火 软态 半硬态
200
20
2.非金属材料
布胶板 金属箔纸胶板 有机玻璃 聚氯乙烯 氯乙烯 赛璐珞 橡胶板 硬钢纸板 柔软皮革 绝缘纸板
抗剪强度较低
2.4 冲压设备（Stamping Machine）
5. 厚向异性指数 γ 板料的塑性会因变形方向不同而出现差异，这种现象称 为板料的塑性各向异性。

厚向异性指数
b t
b 试样宽度方向应变 t 试样厚度方向应变
6. 板平面各向异性指数Δ γ 板料轧制后，在板平面内也出现各向异性，因此沿各不同方 向，其力学性能和物理性能均不同。
第二章 冲压模具设计基础
• • • • 冲压成形的特点与分类 板料的冲压成形性能 冲压常用的材料 冲压设备
2.1 冲压成形的特点与分类
2.1.1 冲压成形
冲压成形是指在压力机上通过模具对板料（金属或非金属） 加压，使其产生分离或发生塑性变形，从而得到一定形状、 尺寸和性能要求的零件的加工方法。 属于塑性加工方法之一，这种方法又称为冷冲压或板料冲压。 冲压模具设计是实现冷冲压工艺的核心。
（1）化学成分及组织的影响 一般来说，组成金属的元素越少（如纯金属和固溶体）塑性 越好； 滑移系统数量越多，力学性能越一致，晶界强度越大，塑性 越好。 （2）变形温度对塑性的影响 对于大多数金属和合金而言，随着温度的升高会使塑性增加。 但一些金属在升温过程中的某些温度区间内，塑性会降低， 出现脆性区。如碳钢，随着温度增加塑性会增加，但在200250℃、800-900℃及超过1250℃的三个温度区间，出现塑性 下降，分别称为蓝脆区、热脆区和高温脆区。
材料名称 电工纯铁
材料牌号 DT1、DT2
热处理 状态
抗剪强度 τ/MPa 180
抗拉强度 σb/MPa 230 230 340～420
屈服强度 σs/MPa
伸长率 δ10（%） 26 26
退火
D11、D21 电工用硅钢 Q215 普通碳素钢 270～340 未退火 220 26～31 退火 190
s 2R
sin 2 v R sin 2 2 sin
R/L
R 曲柄半径 L 连杆长度
二、压力机规格的选择
1.公称压力：单位吨t 2.滑块行程长度：S mm 3.行程次数：次/每分钟 4.工作台面尺寸：长宽尺寸 5.滑块模柄孔尺寸：mm 6.闭合高度：可装模具高度尺寸 7.电动机功率的选择：主电机能力，kw