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1、冲压、焊接工艺学,冲压工艺学,1.1 冲压的概念,冲压，利用模具和冲压设备，在室温下对金属材料进行加工使之变形或分离，以获得所需要的零件形状和尺寸。,冲压加工过程中所用的具体方法或技术经验称为冲压工艺。,一 、 冲压概述,1.2 冲压加工的特点,优点： 生产率高、操作简单 产品质量好、尺寸精度稳定 加工成本低、材料利用率高 容易实现机械化和自动化，适合大批量生产 缺点：1、噪音大；2、安全性较差 应用：冲压适于批量生产日常冲压产品、高科技冲 压产品,分离工序：指冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓相互分离的工序。包括：落料、冲孔、切断、切口、切边、剖切、整修等。,用冲模按封闭轮廓曲线冲切，冲下
2、部分是废料。,1.3 冲压加工的分类,冲压加工工艺大致可分为分离工序和成形工序两大类。,落料,冲孔,用冲模沿封闭轮廓曲线冲切，冲下部分是零件。用于制造各种形状的平板零件。,落料 (blanking),工件,冲孔 (punching),落料与冲孔的区别,把冲压加工成的半成品切开成为二个或多个零件，多用于不对称零件的成双或成组冲压成形之后。,切断,切边,剖切,用剪刀或冲模沿不封闭轮廓曲线切断，多用于加工形状简单的平板零件。,将成形零件的边缘修切整齐或切成一定形状。,单冲模具一般结构,成形工序：指材料在不破裂的条件下产生塑性变形，从而获得一定形状、尺寸和精度要求的零件。包括：弯曲、拉深、翻边、胀形、
3、起伏成形、扩口、缩口等。,把板料毛坯成形制成各种空心的零件。,弯曲,拉深,把板料沿直线弯成各种形状，可以加工形状极为复杂的零件。,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。,翻边,胀形,扩口,把板料半成品的边缘按曲线或圆弧成形成竖立的边缘。,在双向拉应力作用下实现的变形，可以成形各种空间曲面形状的零件。,在空心毛坯或管状毛坯的某个部位上使其径向尺寸减小的变形方法。,缩口,折弯模,胀形模,拉深模,复合模具结构： 落料成型模,切断成型,复合模具结构： 切断成型模,板材冲裁:通过模具的凸模与凹模，利用冲压设备加压，使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。,2.1冲裁概念,二
4、 、板材冲裁,从广义上说，冲裁是分离工序的总称，它包括切断、落断、冲孔、修边、切口等多种工序；其中冲孔、落料应用最多。但一般来说，冲裁工艺主要是指落料和冲孔工序。冲裁的用途极广，它既可直接冲出成品零件，又可为其他成形工序制备毛坯。,冲孔落料复合模,2.2冲裁变形过程,冲裁变形过程分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂分离阶段。,弹性变形阶段 当凸模开始接触板料并下压时，板料发生弹性弯曲和压缩，略有挤入凹模洞中现象。,塑性变形阶段 板料应力达到屈服点，板料进入塑性变形阶段，凸模切入板料，板料被挤入凹模洞口，在剪切面断面，由于凸凹模间隙存在引起的弯曲和拉伸作用，形成塌角面，同时由于剪切变形，在切断面
5、上形成光亮且与板料垂直的断面，随着凸模继续下压，应力不断加大，直到应力达到板料抗剪切强度，塑性变形结束。,断裂分离阶段 当板料应力达到抗剪切强度后，凸模继续下压，凸、凹模口部产生裂纹并不断扩展，当上下裂纹重合时，板料发生分离。当凸模继续下行时，已分离的板料被推出，完成整个冲裁过程。,冲裁件断面有以下几个特征区：,（a）塌角 （b）光亮带 （c）剪裂带 （d）毛刺,塌角：产生在板料不与凸模或凹模相接触的一面，由于板料受弯曲、拉伸作用形成的，材料塑性越好，凸凹模间隙越大，形成的塌角越大。 光亮带：由于板料剪切变形形成的，材料塑性越好，凸凹模间隙越小，形成的光亮带越高。 剪裂带 ：由于裂纹扩张引起的
6、，材料塑性越差，凸凹模间隙越大则断裂带越高，斜度越大。 毛刺：由于刃尖处压力为三向压应力，因此裂纹产生处并不会在刃尖处发生，而会在刃尖侧面距刃尖不远的地方出现，裂纹产生点和刃尖的距离就是毛刺的高度。,光亮带、剪裂带、塌角和毛刺等四个部分在整个断面上所占的比例不是一成不变的，它随材料的性能、厚度、间隙、模具结构等各种冲裁条件的不同而变化。,冲裁特点：,冲裁时经历弹性变形、塑性变形、断裂分离三个阶段。 冲裁件断面上存在塌角 、光亮带、剪裂带和毛刺。 冲裁件质量一般不高，其粗糙度一般为Ra12.5，尺寸精度一般IT10。,总结,冲裁件质量：断面质量（垂直、光洁、毛刺小 )、尺寸精度（图纸规定的公差范
7、围内 ）和形状误差（外形满足图纸要求；表面平直，即弯拱小）,2.3 冲裁件质量及其控制,冲裁件的质量好坏主要是通过断面光亮带大小、塌角、毛刺以及冲裁件的翘曲等来判断的。,一、 断面质量 通常希望得到光亮带较高、毛刺较小、塌角较小、断裂带较小的冲压件。 冲裁件断面质量影响因素： （1）材料因素 材料塑性好，光面占的比例大，毛面小，塌角、毛刺大。材料塑性差，光面占的比例小，毛面较大，塌角、毛刺小。 （2）冲裁间隙 间隙合适时，上下裂口处裂纹重合，断面质量较好；间隙较小时，发生二次剪切，生成夹层；间隙较大时，光面小，毛面大，塌角、毛刺较大。 控制断面质量措施： （1）对材料进行热处理，提高其塑性。
8、（2）控制模具凸凹模间隙。,间隙对冲裁断面的影响,二、 尺寸精度影响因素 模具制造精度 一般冲裁件能达到的尺寸精度比模具 的精度低一到三级。 材料性质及模具结构 冲裁件会发生回弹现象，从而影响其精度，较软的材料弹性变形小，冲裁后回弹小，精度较高，在模具上增加压板料和顶件器会减小回弹值，提高冲件精度。,冲裁间隙 间隙适当时，材料在较纯的剪应力下分离；间隙较大时，材料除受到剪切外，还产生较大的拉伸应力与弯曲变形，冲孔件会大于凸模尺寸，落料件会小于凹模尺寸；间隙较小时，材料会受到较大的挤压作用，冲孔件会小于凸模尺寸，落料件会大于凹模尺寸。 冲裁件形状 形状越简单，材料尺寸精度越好。,三、 形状误差,
9、由于弯曲力矩的影响，冲裁件会出现弯拱现象，间隙越大，弯拱越大。 减少弯拱的措施是增加压料装置。,四、毛刺高度 冲裁件总会有毛刺，不正常毛刺可以分为两类：间隙毛刺和刃口磨损毛刺。 间隙毛刺是由于冲裁间隙过大或过小引起的毛刺，间隙过大引起的毛刺称为拉断毛刺，其特点是高而厚，间隙过小产生的毛刺称为挤出毛刺，其特点是高而薄。 刃尖磨损毛刺产生原因是刃尖磨损改变了其附近的应力状态，凸模磨损会在落料件上产生毛刺，凹模磨损会在冲孔件上产生毛刺。 控制毛刺措施： （1）及时磨刃； （2）提高工作零件和导向零件质量。,冲裁间隙： 冲裁模凹模与冲头之间的间隙称为冲裁间隙，通常双边间隙，用或Z表示，单边间隙用或Z/
10、2表示。,冲裁间隙是影响冲裁件质量的主要因素。,(1)间隙合理:垂直、光洁、毛刺小 (2)间隙过小:出现二次剪裂，产生第二光亮带（剪切面） (3)间隙过大:出现光亮带（剪切面）减小，斜度增加，毛刺增大。,1.间隙对断面质量影响,尺寸精度是指工件的实际尺寸与图样上标注的基本尺寸的差值所能达到的公差等级。 冲裁件的尺寸精度应包括两类：外形、内形的形状尺寸精度和孔距、同心度、平面度等形位尺寸精度。 (1)间隙合适:尺寸达到精度要求,弯拱小。 (2)间隙过大:冲孔增大;落料减小，弯拱增大。 (3)间隙过小:落料增大;冲孔减小，弯拱增大。,2. 间隙对工件精度的影响,模具寿命分为刃磨寿命和模具总寿命。
11、模具失效原因一般有：磨损、变形、崩刃、折断和涨裂。 小间隙将使磨损增加，甚至使模具与材料之间产生粘结现象，并引起崩刃、凹模胀裂、小冲头折断、冲头与凹模相互啃刃等异常损坏。,3.间隙对模具寿命的影响,2.4 冲裁力计算,冲裁力是选择压力机和设计模具的重要依据之一。,图2-9 冲裁力凸模行程曲线,冲裁力计算公式：,（21）,上式中： L冲裁件周边长度（mm）； t材料厚度（mm） 材料抗剪强度（MPa） K系数，一般取1.3。,系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。生产中的各种实际因素很多，如模具间隙的波动和不均匀，刃口的钝化，板料机械性能和厚度的波动等。根据经验，一般可取k=1
12、.3。,降低冲裁力措施：,1 、加热冲裁 缺点是降低材料表面质量和尺寸精度， 能耗大。,2 、阶梯冲裁 用于多凸模冲裁。,3、 斜刃冲裁 优点是能减小冲裁力，降低冲击、振动和噪音，缺点是模具制造难度增大，刃口修磨困难，废料难利用。,斜刃冲模与阶梯凸模,落料时凸模应做成平刃，凹模做成斜刃。冲孔时正好相反，即凹模做成平刃，而凸模做成斜刃。斜刃一般做成波浪形，应力求对称避免水平方向的侧向力。,三、弯曲工艺和弯曲模具设计,弯曲毛坯的种类：板料、棒料、型材、管材,弯曲是使材料产生塑性变形，形成一定曲率和角度零件的冲压工序。,弯曲成型工艺方法：压弯、折弯、拉弯、滚弯、辊压,1.弯曲变形过程 弯曲变形过程：
13、V形件的弯曲，随着凸模进入凹模深度的增大，凹模与板料的接触处位置发生变化，支点沿凹模斜面不断下移，弯曲力臂逐渐减小，接近行程终了时弯曲半径r继续减小，而直边部分反而向凹模方向变形，直至板料与凸、凹模完全贴合。,3.1板料弯曲变形过程及变形特点,弯曲前后坐标网络的变化,2.板料弯曲变形特点 通过网格试验观察弯曲变形特点如图,（1）.弯曲圆角部分是弯曲变形的主要变形区 变形区的材料外侧伸长，内侧缩短，中性层长度不变。 （2）.弯曲变形区的应变中性层 应变中型层是指在变形前后金属纤维的长度没有发生改变的那一层金属纤维。 （3）. 变形区材料厚度变薄的现象 变形程度愈大，变薄现象愈严重。 （4）.变形
14、区横断面的变形 变形区横断面形状尺寸发生改变称为畸变。主要影响因素为板料的相对宽度。,1.回弹现象 当弯曲结束，外力去除后，塑性变形留存下来，而弹性变形则完全消失。弯曲变形区外侧因弹性恢复而缩短，内侧因弹性恢复而伸长，产生了弯曲件的弯曲角度和弯曲半径与模具相应尺寸不一致的现象。这种现象称为弯曲件的弹性回跳（简称回弹）。,3.2弯曲卸载后弯曲件的回弹,回弹性的表现形式： (1)弯曲半径增大 卸载前板料的内半径r (与 凸模的半径吻合)在卸载后增加 至 rp 。弯曲半径的增加量为： (2)弯曲中心角的变化 卸载前弯曲中心角为 (与 凸模顶角相吻合)，卸载后变化 为 。弯曲件角度的变化量为：,.材料
15、的力学性能 材料的屈服点 越高， 弹性模量E越小，弯曲弹性 回跳越大。 .相对弯曲半径 相对弯曲变径 越大， 则回弹也越大。 .弯曲中心角 弯曲中心角 越大，表明变形区的长度越长，故回弹的 积累值越大，其回弹角越大。但对弯曲半径的回弹影响不大。,2.影响回弹的因素,.弯曲方式及弯曲模具结构 采用校正弯曲时，工件的回弹小。 .弯曲件形状 工件的形状越复杂，一次弯曲所成形的角度数量越多，使回弹困难，因而回弹角减小。 .模具间隙 在压弯U形件时，间隙大，材料处于松动状态，回弹就大；间隙小，材料被挤压，回弹就小。,3.减少回弹的措施 （1）材料选择 应尽可能选用弹性模量较大，屈服极限小，机械性能比较稳
16、定的材料。 （2）改进弯曲件的结构设计 设计弯曲件时改进一些结构，加强弯曲件的刚度以减小回弹。比如：在变形区设计加强肋或边翼(U型结构)，增加弯曲件的刚性，使弯曲件回弹困难,采用热处理工艺 对一些硬材料和已经冷作硬化的材料，弯曲前先进行退火处理，降低其硬度以减少弯曲时的回弹，待弯曲后再淬硬。在条件允许的情况下，甚至可使用加热弯曲。 增加校正工序 运用校正弯曲工序，对弯曲件施加较大的校正压力，可以改变其变形区的应力应变状态，以减少回弹量。 采用拉弯工艺 对于相对弯曲半径很大的弯曲件，由于变形区大部分处于弹性变形状态，弯曲回弹量很大。这时可以采用拉弯工艺 。,（3） 从工艺上采取措施,（4） 从模具结构采取措施,补偿法 利用弯曲件不同部位回弹方向相反的特点，按预先估算 或试验所得的回弹量，修正凸模和凹模工作部分的尺寸和几 何形状，以相反方向的回弹来补偿工件的回弹量。,校正法 可以改变凸模结构，使校正力集中在弯曲变形区，加大变形区应力
