第三节 板料的冲压成形
板料冲压成形是利用冲模使板料产生分离或变形的加工方法，通常是在常温下进行的，所以又叫冷冲压。板料冲压具有如下特点：
1. 板料冲压生产过程的主要特征是依靠冲模和冲压设备完成加工，所以便于实现自动化，生产率高，操作方便。
2. 冲压件一般不需再进行切削加工，因而节约材料，节约能源消耗。
3. 板料冲压常用的原材料有低碳钢以及塑性高的合金钢和非铁金属，从外观上看多是表面质量好的板料或带料，所以产品质量小、强度高、刚性好。
4. 因冲压件的尺寸公差由冲模来保证，所以产品尺寸稳定，互换性好，可以加工形状复杂的零件。
板料冲压正是具有上述独到的特点，所以在批量生产中得到广泛的应用。在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表、国防以及日用品工业中，冲压件所占的比例都相当大。我国目前已进行了计算机辅助设计（CAD）
和计算机辅助制造（CAM）模具的研制和应用，加快了产品更新换代的步伐，板料冲压技术发展更快，应用更广。
由于用冷冲压加工的零件的形状、尺寸、精度要求、生产批量、原材料性能各不相同，因此生产中采用的冷冲压工艺是多种多样的，概括起来可分为两大类：分离工序和变形工序。各种分离工序如表6-3所示，各种变形工序如表6－4所示。
表6-3 分离工序分类
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工序名称
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简 图
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特 点 及 常 用 范 围
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剪 切
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用剪刀或冲模切断板材
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落 料
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用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为制件
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冲 孔
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用冲模沿封闭轮廓冲切板料，冲下来的部分为废料
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切 口
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在坯料上沿不封闭轮廓冲出缺口，切口部分发生弯曲，如通风板
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切 边
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将制件的边缘部分切掉
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剖 切
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把半成品切成两个或几个制件，常用于成双冲压
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一、分离工序
分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序，如落料、冲孔、切断等。
(一)落料及冲孔
落料及冲孔（统称冲裁）是使坯料按封闭轮廓分离的工序。在落料和冲孔中，坯料变形过程和模具结构均相似，只是材料的取舍不同。落料：被分离的部分为成品，而留下的部分是废料；冲孔：被分离的部分为废料，而留下的部分是成品。例如，冲制平面垫圈，制取外形的冲裁工序称为落料，而制取内孔的工序称为冲孔。
冲裁的应用十分广泛，既可直接冲制成品零件，又可为其它成形工序制备坯料。
1. 冲裁变形过程
表6-4 变形工序分类
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工序名称
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简 图
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特点及常用范围
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工序名称
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简 图
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特点及常用范围
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弯
曲
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把板料压成一定的角度或弧度
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滚
弯
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通过一系列轧辊将平板坯料连续压弯成一定形状
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卷
绕
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把板料局部卷圆，如合页
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起
伏
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将坯料局部拉深出一定形状的凸起或凹陷
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扭
曲
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把板料扭转成一定角度
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卷
边
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把空心件的边缘卷成圆边
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拉
延
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把平板坯料制成开口空心制件，厚度基本不变
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胀
形
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把筒形件部分沿径向凸起，呈凸肚状
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变
薄
拉
延
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把开口空心制件拉延成筒壁比底部薄的制件
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旋
压
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用辊轮反复赶碾，使旋转状态下的毛坯逐步贴覆模胎的成形方法
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翻
孔
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把制件上预制孔径扩大并翻出竖直弯边
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整
形
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将形状不太准确的制件校正成形，如获得小的r等
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翻
边
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把制件的外缘按一定曲线翻成竖直弯边
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校
平
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校正制件的平直度
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扩
口
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把空心制件的口部扩大
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压
印
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在制件上压出文字或花纹、只在制件的被压面上有变形
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缩
口
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把空心制件的口部缩小
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冲裁时板料的分离是在冲模作用下产生弹性变形、塑性变形直至断裂分离的连续过程。以落料和冲孔为例，说明冲裁分离过程中各阶段材料内部应力变化和材料的分离过程，如表6-4所示。
表6-4 板料冲裁分离过程
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名 称
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简 图
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说 明
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弹性变形阶段
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1.毛坯表面承受拉伸和压缩，形成塌角
2.坯料上翘，间隙愈大，上翘愈严重
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塑性变形阶段
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1.坯料内部应力达到屈服极限，凸模压入板料，出现光亮带。
2.产生纤维的弯曲和拉伸，间隙愈大，弯曲和拉伸现象也愈严重。
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剪裂分离阶段
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1. 坯料内部应力达到抗剪极限，冲裁力达到最大值，受剪处光亮带终止。
2.由于拉应力作用和应力集中，靠近凸模和凹模刃口处材料首先出现裂缝。
3.在间隙数值合理的情况下，上下裂纹向内扩展到最后重合，毛坯分离，形成粗糙锥状剪裂带。
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2. 凸、凹模间隙及刃口尺寸的确定
凸、凹模间隙不仅严重影响冲裁面的断面品质，而且
影响模具寿命、卸料力、推件力、冲裁力和冲裁件的尺寸精度。因此，间隙过大和过小均不合适。只有当间隙合适时，上下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力和推件力适中，模具有足够长的寿命。这时，零件的尺寸几乎与模具一致，完全可以满足使用要求。合理冲裁间隙的取值与材料的厚度和硬度有关，通常取材料厚度的5%～10%。软材料、薄料取偏小值，硬材料、厚料取偏小值。
在冲裁件尺寸的测量和使用中，都是以光面的尺寸为基准。落料件的光面是因凹模刃口挤切材料而产生的，而孔的光面是因凸模刃口挤切材料而产生的。故计算刃口尺寸时，应按落料和冲孔两种情况分别进行。
设计落料模时，应先按落料件确定凹模刃口尺寸，以凹模做设计基准，然后根据间隙Z确定凸模尺寸（既用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙量）。
设计冲孔模时，应先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，以凸模做设计基准，然后根据间隙Z确定凹模尺寸（既用缩小凹模刃口尺寸来保证间隙量）。
冲模在工作过程中必然有磨损，落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大，而冲孔件尺寸则会随凸模的磨损而减小。
3. 冲裁件的排样
排样是指落料件在条料、带料或板料上合理布置的方法。排样合理可使废料最少，材料利用率最大。图6-14(a)、(b)、(c)、(d)所示的为同一个冲裁件的四种排样方式，每件的材料消耗分别为182.7mm2、117 mm2、112.63 mm2、97.5 mm2。
落料件的排样有两种类型：无搭边排样和有搭边排样。
无搭边排样是用落料件的一个边作为另一个落料件的边（如图6－14（d）所示）。这种排样材料利用率很高，但毛刺不在同一个平面上，而且尺寸不容易准确。只有在对冲裁件质量要求不高时才采用。
有搭边排样即是在各个落料件之间均留有一定尺寸的搭边，优点是毛刺小，且在同一个平面上，冲裁件尺寸准确，质量较高，但材料消耗多。
图6-14 同一冲裁件的四种排样方式
(二)精密冲裁
普通冲裁获得的冲裁件，公差大，断面品质较差，只能满足一般产品的使用要求。利用修整工艺可以提高冲裁件的质量，但生产率低，不能适应大量生产的要求。在生产中采用精密冲裁工艺，可以直接从板料中获得公差等级高（IT6~IT8级）、表面粗糙度小（Rα=0.8~0.4μm）的精密零件，可以提高生产率，满足精密零件批量生产的要求。精密冲裁法的基本出发点是改变冲裁条件，增大变形区的静水压作用，抑制材料的断裂，使塑性剪切变形延续到剪切的全过程，在材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离，从而得到断面光滑而垂直的精密零件。
二、成形工序
成形工序是使坯料的一部分相对于另一部分产生位移而不破裂的工序，如拉深、弯曲、翻边、胀型、旋压等。
(一)拉深（拉延、压延）
图6-15 拉延过程示意图 图6-16 拉延折皱和拉穿
拉延是在压力机的压力作用下，利用模具使金属板料产生塑性变形成为开口空心件的一种冲压工艺，不仅能生产锅、盆、壶等各种各样的日用品，而且在汽车、拖拉机、电器、仪表以及在航空工业中得到极其广泛的应用。
拉延变形的过程是：置于拉延凹模洞口上的平板毛坯在拉延凸模压力作用下，凸模部分材料产生塑性流动被拉入凹模成为开口空心工件。利用拉延工艺可以获得圆筒形、方筒形各种复杂形状的圆筒件，图6-15为圆筒件拉延示意图。
拉延过程中最常见的质量问题是工件的起皱和拉穿，从而造成次品或废品，如图6-16所示。折皱总是出现在拉延件的凸缘区，因为凸缘部分是拉延变形区，材料受切向压应力作用，越靠外缘，流动转移的材料越多，变形越大，切向压应力越大。这时，若没有压边力或压边力不够大时，就会出现失稳起皱。
拉穿往往发生在筒形件直壁与底部之间的过渡圆角部，由于在拉延过程中，这个部位材料变形转移最少，加工硬化程度最小，但所受轴向拉应
力最大，当所受拉应力超过材料的抗拉强度时产生破裂而被拉穿，又称掉底。可能发生拉穿掉底的断裂截面称为危险截面。
(二)弯曲
图6-17 弯曲过程示意图 图6-18 弯曲时的纤维方向
弯曲是将坯料弯成一定角度、一定曲率而形成一定形状零件的工序（见图6-17）。弯曲时，坯料内侧受压缩，外侧受拉伸，当外侧拉应力超过坯料的抗拉强度极限值时，即会造成金属破裂。
弯曲时还应尽可能使弯曲线与坯料纤维方向垂直（见图6-18）。若弯曲线与纤维方向一致，则容易产生破裂，此时可用增大最小弯曲半径来避免破裂。
(三)其它冲压成形工艺
其它冲压成形工艺是指除弯曲和拉深以外的冲压成形，包括胀形、翻边、缩口和旋压等。这些成形工序的共同特点是通过材料的局部变形来改变坯料或零件的形状。
1. 翻边
翻边是将工件外缘或内孔翻起一定的高度。外缘翻边与拉延相似，内孔翻边如图6-19所示。
内孔翻边是使工件上预制孔的孔径扩大并同时弯出筒形边的冲压工艺。内孔翻边时，孔缘附近的材料受到切向拉应力作用，容易产生裂纹，这是内孔翻边时的主要质量问题。因此，一般内孔翻边高度都不能太大，若翻边高度较大，则需要采用多次翻边的方式，中间进行热处理退火，以消除加工硬化，恢复材料塑性。
2. 胀形
胀形是利用局部变形使已成形半成品的部分内径增大的冲压成形工艺，常用的方法有橡皮成形与液压成形。如图6-20所示是利用橡皮作内芯使筒形半成品件部分内径增大的胀形加工。
图6-19 内孔翻边示意图 图6-20 橡皮涨形加工示意图
3. 旋压
图6-21 用圆头擀棒的旋压过程示意图
如图6-21所示是旋压过程示意图（1～9表示坯料的连续位置）。顶块把坯料压紧在模具上，机床主轴带动模具和坯料一同旋转，手工操作使擀棒加压于坯料，反复压辗，于是由点到线，由线及面，使坯料逐渐贴于模具上而成形。旋压的基本要点是：合理的转速；合理的过渡形状；合理加力。
旋压成形虽然是局部成形，但是，如果材料的变形量过大，也易产生起皱甚至破裂缺陷，所以，变形大的工件需要多次旋压成形。在加工过程中，由于旋压件加工硬化严重，多次旋压时必须经过中间退火。
(四)冲模的分类和构造
冲模在冲压生产是必不可少的，而冲模结构合理与否对冲压件品质、冲压生产的效率及模具寿命都有很大的影响。冲模可分为简单冲模、连续冲模和复合冲模。
1. 简单冲模
图6-22 简单冲模
在冲床的一次冲程中只完成一个工序的冲模，称为简单冲模。如图6-22所示，凹模用压板固定在下模板上，下模板用螺栓固定在冲床的工作台上，凸模用压板固定在上模板上，上模板则通过模柄与冲床的滑块连接。因此，凸模可随滑块上下运动。为了使凸模向下运动并能对准凹模孔，在凸凹模之间保持均匀间隙，通常用导柱和导套的结构。坯料在凹模上沿两个导板之间送进，直至碰到定位销为止。凸模向下冲压时，冲下的零件（或废料）进入凹模孔，而坯料则夹住凸模并随凸模一起回程向上运动。坯料碰到卸料板（固定在凹模上）时被推下，这样坯料继续在导板间送进。重复上述动作，冲下第二个零件。
2. 连续冲模
在冲床的一次冲程中，在模具不同部位上同时完成数道冲压工序的模具，称为连续冲模，如图6-23所示。工作时，定位销对准预先冲出的定位孔，上模向下运动，凸模进行冲孔。当上模回复时，卸料板从凸模上推下残料。这时再将坯料向前送进，执行第二次冲裁。如此循环进行，每次送进距离由挡料销控制。
图6-23 连续冲模
3. 复合冲模
在冲床的一次冲程中，在模具同一部位上同时完成数道冲压工序的模具，称为复合冲模，如图6-24所示。复合冲模的最大特点是模具中有一个凸凹模。凸凹模的外圆是落料凸模刃口，内孔则成为拉深凹模。当滑块带着凸凹模向下运动时，坯料首先在凸凹模和落料凹模中落料。落料件被下模当中的拉深凸模顶住，滑块继续向下运动时，凸凹模随之向下运动进行拉深。推件板和顶板在滑块的回程中将拉深件推出模具。复合冲模适用于产量大、精度高的冲压件。
图6-24 复合冲模
