第1章 冷冲压模具设计基础

2. 密席斯(Von Mises)屈服准则 ，又称弹性变形能量准则
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础 5.塑性变形时应力与应变的关系
• 弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，
与加载历史无关；
• 塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不 可逆的，与加载历史有关。 增量理论
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1.2 冲压板料塑性变形基础
一、金属塑性变形
• 在外力的作用下，金属产生的形状和尺寸变化称为变形，变 形分为弹性变形(elastic deformation)与塑性变形(plastic deformation )． • 弹性(elasticity)：卸载后变形可以恢复特性，可逆性。 • 塑性(plasticity)：物体产生永久变形的能力，不可逆性。
d 3 d 1 d 2 C 1 m 2 m 3 m
全量理论
3 1 2 C 1 m 2 m 3 m
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
6．最小阻力定律 在塑性变形中，破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，当 金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。 在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向 发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律。 金属的流动趋势决定了冲压成形的变形趋向性。 总的原则：弱区先变形，变形区为弱区
冲压变形的趋向
金属的流动趋势
应力状态
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
6．最小阻力定律 冲压成形趋向性的决定因素： （1）材料本身的特性 （2）板料的应力状态 模具结构参数（如凸模、凹模工作 部分的圆角半径，摩擦和间隙等。 冲压工序的性质、工艺参数
环形毛坯的变形趋向 （ａ）变形前的模具与毛坯（ｂ）拉深（ｃ）翻边（ｄ）胀形
第一篇 冷冲压模具设计
东北大学 现代设计与分析研究所
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模具的种类
2
第一讲 冲压模具设计基础
东北大学 现代设计与分析研究所
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1.1 冲压加工特点及基本工序
一、冲压与冲模概念 • 冲压是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材 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。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
五、冲压产品生产流程
（冲压）产品设计
相互关联
相互影响
冲压成形工艺设计
冲压模具设计
冲模制造
冲压产品生产
冲模设计与制造流程图
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1.1 冲压加工特点及基本工序
五、冲压产品生产流程
模具零件加工方法
（一）模具零件的毛坯选择
凸、凹模等工作零件： 锻件 模座、大型模具零件：铸件
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1.1 冲压加工特点及基本工序
三、冲压工序的分类
根据材料的变形特点分： 分离工序、成形工序
分离工序：冲压成形时，变形材料内部的应力超过强度
极限σ b，使材料发生断裂而产生分离，从而
成形零件。分离工序主要有剪裁和冲裁等。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
三、冲压工序的分类
成形工序： 冲压成形时，变形材料内部应力超过屈服极
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1.1 冲压加工特点及基本工序
五、冲压产品生产流程（续）
模具零件检测
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1.1 冲压加工特点及基本工序
六、冲压技术现状与发展方向
1.我国冲压技术现状 技术落后、经济效益低。 主要原因：①冲压基础理论与成形工艺落后； ②模具标准化程度低； ③模具设计方法和手段、模具制造工艺及设备 落后； ④模具专业化水平低。 所以，结果导致我国模具在寿命、效率、加工精度、生
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础 • 2.点的应变状态
• 与点的应力状态一样，当采用主轴坐标系时，单元体就只 有3个主应变分量而没有切应变分量。 • 应变的大小可以通过物体变形前后尺寸的变化量来表示： 相对应变 实际应变
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础 1 2 3 0 • 3.体积不变定律
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
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1.3 冲压设备及选用
三、曲柄压力机的技术参数
压力机的闭合高度：指滑块在下止点时，滑块底面到工作
台上平面（即垫板下平面）之间的距离。
压力机的装模高度： 指压力机的闭合高度减去垫板厚度的
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1.1 冲压加工特点及基本工序
一、冲压与冲模概念(续)
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1.1 冲压加工特点及基本工序
二、冲压加工的特点
冲压加工现场视频
• 冲模与冲压件有“一模一样”的关系，冲模没有通用性。 • 优点： • （1）在压力机的简单冲击下，能获得壁薄、重量轻、刚性 好、形状复杂的零件；（产品） • （2）所加工的零件精度较高、尺寸稳定具有良好的互换性； （产品） • （3）冲压加工是无屑加工板料利用率高；（料） • （4）生产率高，生产过程容易实现机械自动化；（操作） • （5）操作简单，便于组织生产。 （操作） • 缺点：模具的设计制造周期长，费用高，因此只适宜于大批 量的生产，在小批量生产中受到一定限制。
断面收缩率
A0 AK 100 % A0
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1.2 冲压板料塑性变形基础
一、金属塑性变形
2.变形抗力 金属抵抗变形的力称为变形抗力。 塑性与变形抗力是两个不同的概念： 塑性：反映变形的能力。 变形抗力：是塑性变形的难易程度。 3.影响金属的塑性与变形抗力的主要因素 1）化学成份和组织对塑性和变形抗力的影响 2）变形温度对塑性和变形抗力的影响 3）变形速度对塑性和变形抗力的影响 大型零件易用低速。
括：工作零件、定位零件、卸料与压料零件等；
②结构零件： 不直接参与完成工艺过程，也不和坯料有直接接
触，只对模具完成工艺过程起保证作用，或对模
具功能起完善作用，包括：导向零件、紧固零件、 标准件及其它零件等.ຫໍສະໝຸດ Baidu
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1.1 冲压加工特点及基本工序
四、冲压模具（续） 冲模的分类 （1）根据工艺性质分类： 冲裁模、弯曲模、拉深模、成形模等。 （2）根据工序组合程度分类： 单工序模、复合模、级进模
加工对象：主要金属板材 加工工艺装备：冲压模具 加工设备：主要是压力机 加工依据：板材冲压成形工艺
冲压模具： 在冲压加工中，将材料加工成零件（或半成品）
的一种特殊工艺装备，称为冲压模具（俗称冲 模）。 4
1.1 冲压加工特点及基本工序
一、冲压与冲模概念 • 冲压产品在电子、汽车、电机等机械工业和国防工 业以及日常生活用品方面有广泛的应用。
• 金属塑性变形前后，只有形状的变化，而无体积的变化。 • 三个推论： • 不论什么应变状态，其中一个主应变的符号与另外两个主 应变的符号相反； • 主应变状态图只可能有三种。 • 已知两个应变就可求第三个应变。
3种主应变状态图
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
• 4.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。 • 当物体内某点处于单向应力状态时，只要该向应力达到材料的 屈服点。但是对于复杂应力状态，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。 1.屈雷斯加(H· Tresca)屈服准则，又称最大剪应力准则
产周期等方面与先进工业发达国家的模具相比差距相当大。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
六、冲压技术现状与发展方向
2.冲压技术的发展 1）模具CAD/CAM/CAE 冲压模具设计与制造技术正由手工设计、依靠人工经验和常规机 械加工技术向以计算机辅助设计（CAD）、数控切削加工、数控 电加工为核心的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术转变。 2）工艺分析计算现代化 3）冲压生产自动化 4）经济模具、简易模具 加快模具的制造速度，降低模具生产成本，适应小批量生产要求， 常用的包括：低熔点合金制模、环氧树脂制模、喷涂成形制模等。 5）模具新技术、新工艺、新材料 加强理论研究，开发和应用冲压新工艺，研究新冲压材料。
限σ s，但未达到强度极限σ b，使材料产生 塑性变形，从而成形零件。成形工序主要有 弯曲、拉深、翻边等。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
四、冲压模具
冲压模具：通常由上、下模两部分（凸模和凹模）构成。
多工位精密级进模
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1.1 冲压加工特点及基本工序
四、冲压模具（续）
组成模具的零件主要有两类： ①工艺零件：直接参与工艺过程的完成并和坯料有直接接触，包
拉裂点
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1.2 冲压板料塑性变形基础
一、金属塑性变形 1.塑性及塑性指标 塑性：是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不 破坏其完整性能力。 原因：外力破坏原子间原有的平衡状态，造成原子排 列的畸变，引起金属形状和尺寸的变化。 塑性指标：常用的塑性指标有： 延伸率
LK L0 100 % L0
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
• 1.点的应力状态 • 通常是围绕该点取出一个微小（正）六面体（即所谓单元 体），用该单元体上三个相互垂直面上的九个应力分量来表 示。已知该九个应力分量，则过此点任意切面上的应力都可 求得。 • 对任何一种应力状态来说，总存在这样一组坐标系，使得单 元体各表面上只有正应力，而没有切应力，3个正应力称为主 应力。由此，可定义单向、平面、三向应力状态。
垫板、固定板等零件：型材上的切割件 （二）模具零件的机械加工 • 主要采用成型磨、仿形铣床、电火花加工及线切割加工等。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
五、冲压产品生产流程（续）
模具零件加工方法 • 电火花加工：在一定的介质中，通过工具电极和工件电极之间脉 冲放电的电腐蚀作用，对工件进行加工的一种工艺方法，它是不 断放电蚀除金属的过程。 • 线切割加工时，是用连续移动的电极丝作为工具电极代替电火花 加工中的成形电极。
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
9种主应力状态图
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础 • 任何一种应力状态都可以分解成两种应力状态：一 种是大小均等于平均应力的三向等应力状态(又称 球应力状态)；另一种是以各向主应力与平均应力 的差值为应力值构成的偏应力状态。 • 球应力状态不能改变物体的形状，只能使其体积发 生微小变化；偏应力状态可使物体形状发生改变。
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1.3 冲压设备及选用
一、冲压设备分类 机械压力机（以Jxx表示其型号） 摩擦压力机 曲柄压力机 液压机（以Yxx表示其型号）
容易获得较大的压力和工作行程，主要 用来进行深拉深、厚板弯曲、压印、校 形等工艺。
油压机 水压机
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1.3 冲压设备及选用
二、曲柄压力机的原理
• 曲柄压力机包括各种结构的偏心冲床和曲轴冲床，其基本工 作机构都是曲柄滑块机构。
三、曲柄压力机的技术参数
公称压力： 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%。
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1.1 冲压加工特点及基本工序
六、冲压技术现状与发展方向
模具工业是国民经济的基础工业，是高技术行业。模 具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造 水平高低的重要标志之一。 模具在日本被誉为“进入富裕社会的原动力”、在德 国被称为“金属加工业中的帝王”。
模具设计与制造专业人才 是制造业紧缺人才。
偏心压力机传动系统
1-滑块 2-连杆 3-制动装置 4-偏心轴 5-离合器6-皮带轮 7-电机 8-操纵机构
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1.3 冲压设备及选用
二、曲柄压力机的原理
• 曲轴冲床的工作原理为：
制动装置
曲轴压力机传动系统
1-电机 2-皮带轮 3、4-齿轮 5-离合器 6-连杆 7-滑块
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1.3 冲压设备及选用
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1.2 冲压板料塑性变形基础
二、塑性变形的力学基础
外力 模具 毛坯 内力 零件
毛坯的变形都是模具对毛坯施加外力所引起内力或由内力 直接作用的结果。
应力就是毛坯内单位面积上作用的内力。应力应理解为一
极小面积上的内力与该面积比值的极限，即：
lim
P dP F 0 F dF
全应力——正应力、剪应力