冷冲压工艺与模具设计冷冲压概论.ppt

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冷冲压工艺与模具设计-冷冲压概论 第1章冷冲压概论 第1章冷冲压概论教学目标：冷冲压是金属材料塑性变形的过程，不同的冲压产品要用不同的冲压工序来完成，不同的冲压工序其变形机理和变形过程也各不相同；冲压变形过程又受到材料本质和各种外部因素的影响；冲压材料品种繁多，性能各异，正确选择冲压材料是进行模具设计时需要考虑的一项重要内容；冲压设备主要是各种吨位和结构形式的压力机，在模具设计过程中还要考虑压力机的选择。通过本章的学习，要求读者了解各种不同的冲压工序和金属塑性变形的基本原理，掌握常用冲压材料的性能，能够合理地选择冲压材料和冲压设备。 第1章冷冲压概论教学重点和难点：冲压变形的基本理论，冲压过程的影响因素，常用冲压材料和冲压设备的选择。 第1章冷冲压概论1.1冷冲压基本工序及模具1.2冲压变形的理论基础1.3冲压材料1.4冲压设备习题与练习 1.1冷冲压基本工序及模具1.1.1冲压概念1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1冷冲压基本工序及模具 1.1.1冲压概念冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的制件的加工方法。冲压加工的对象一般为金属板料(或带料)、薄壁管、薄型材等，板厚方向的变形一般不侧重考虑，因此也称为板料冲压，且通常是在室温状态下进行，所以也称为冷冲压。 1.1.2冲压工艺分类及模具由于冲压加工的零件种类繁多，各类零件的形状、尺寸和精度要求又各不相同，因而生产中采用的冲压工艺方法也是多种多样的。概括起来，可分为分离工序和成形工序两大类：分离工序是指使坯料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件的工序。成形工序是指使坯料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得一定形状和尺寸的冲压件的工序。每种基本工序还包含有多种单一工序。冲压工序的具体分类及特点见表1-1和表1-2。 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具在实际生产中，当冲压件的生产批量较大、尺寸较小而公差要求较小时，若用分散的单一工序来冲压是不经济的，甚至难以达到要求。这时在工艺上多采用工序集中的方案，即把两种或两种以上的单一工序集中在一副模具内完成，称为组合工序。根据工序组合的方法不同，又可将其分为复合、级进和“复合-级进”3种组合方式。复合冲压：在压力机的一次工作行程中，在模具的同一工位上同时完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。级进冲压：在压力机的一次工作行程中，按照一定的顺序在同一模具的不同工位上完成两种或两种以上不同单一工序的一种组合方式。复合-级进冲压：在一副冲模上包含复合和级进两种方式的组合工序。冲模的结构类型也很多(见图1-1)。通常按工序性质可分为冲裁模、弯曲模、拉深模和成形模等；按工序的组合方式可分为单工序模、复合模和级进模等。但不论何种类型的冲模，都可看成是由上模和下模两部分组成。上模被紧固在压力机滑块上，可随滑块作上下往复运动，是冲模的活动部分；下模被固定在压力机工作台或垫板上，是冲模的固定部分。工作时，坯料在下模面上通过定位零件定位，压力机滑块带动上模下压，在模具工作零件的作用下坯料便产生分离或塑性变形，从而获得所需形状及尺寸的冲件。上模回升时，由模具的卸料与出件装置将冲件或废料从凸、凹模上卸下或推、顶出来，以便进行下一次冲压。 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.1.2冲压工艺分类及模具 1.2冲压变形的理论基础1.2.1金属塑性变形的概念1.2.2影响塑性及变形抗力的主要因素1.2.3成分与组织对金属塑性变形的影响1.2.4变形温度对金属塑性变形的影响1.2.5变形速度对金属塑性变形的影响1.2.6应力应变状态及其对金属塑性变形的影响 1.2冲压变形的理论基础 1.2.1金属塑性变形的概念在外力作用下，固体材料发生形状和尺寸变化的现象称为变形，使物体产生变形的外力称为变形力。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；变形力去除后，不能恢复原状的变形称为塑性变形。金属材料在变形力的作用下，既能产生弹性变形，又能将弹性变形发展到塑性变形，是一种具有弹塑性的工程材料。从微观结构上看，在弹性变形阶段，金属体受力较小，金属体内部原子的间距有微小的改变，从而引起了尺寸和形状的变化，变形力去除后，原子回到原来的稳定平衡位置，该金属体就完全恢复了原来的形状和尺寸。当金属体受力较大时，会迫使原子偏离原来的稳定平衡位置，而达到邻近的稳定平衡位置，变形力去除后，原子就不再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，因而变形就成为不可恢复的永久变形，这就是金属的塑性变形。 1.2.2影响塑性及变形抗力的主要因素1.塑性所谓塑性，是指金属材料在外力作用下产生永久变形而其完整性不被破坏的能力。塑性指标可用材料在不被破坏的条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。对于同一种材料来说，在不同的变形条件下，其塑性是不一样的。影响金属塑性的因素包括两个方面：①金属本身的晶格类型、化学成分和金相组织等；②变形时的外部条件，如变形温度、变形速度以及变形方式等。 1.2.2影响塑性及变形抗力的主要因素2.变形抗力变形抗力一般来说反映了金属在外力作用下抵抗塑性变形的能力。影响变形抗力的因素，也包括金属的内部性质和变形条件(即变形温度、变形速度和变形程度)两个方面。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以后临近破坏时的变形程度的大小，而不是指变形抗力的大小。如奥氏体不锈钢允许的变形程度大，称为塑性好，但其变形抗力也大，需要较大的外力才能产生塑性变形。由此可见，变形抗力是从力的角度来反映塑性变形的难易程度。 1.2.3成分与组织对金属塑性变形的影响成分与组织对金属塑性变形的影响很大，下面以钢为例来说明。1.化学成分的影响在碳钢中，Fe和C是基本元素。在合金钢中，除了Fe和C以外，还包含有Si、Mn、Cr、Ni、W等合金元素。此外，在各类钢中还含有一些杂质，如P、S、N、H、O等。(1)碳钢中C和杂质元素的影响对碳钢的性能影响最大的是C元素。C能固溶于Fe，形成铁素体和奥氏体固溶体，它们都具有良好的塑性。当C的含量超过Fe的溶C能力时，多余的C便与Fe形成硬而脆的渗碳体，从而使碳钢的塑性降低，变形抗力提高。含C量越高，碳钢的塑性越差。宜于拉深成形的低碳钢一般含C量为0.05%~0.15%。杂质元素对钢的塑性变形一般都有不利影响，如P溶入铁素体后，使钢的强度、硬度显著提高，塑性、韧性显著降低，在低温时，造成钢的冷脆性。又如S在钢中几乎不溶解，而与铁形成脆性的硫化铁，使钢的塑性降低。热加工时，钢的热脆现象也是由S引起的。因此，应对冷冲压材料的杂质含量加以控制。如对于深拉深冷轧薄钢板就应按照国家标准(GB710)加以控制，S的含量不超过0.040%，P的含量控制更加严格。(2)合金元素对钢的塑性变形的影响将合金元素加入钢中，不仅会改变钢的使用性能，而且会改变钢的塑性成形性能。主要表现为：塑性降低，变形抗力提高。这是由于合金元素与钢中的C形成硬而脆的碳化物，使钢的强度提高，塑性降低。另外，很多元素溶入固溶体(铁素体和奥氏体)中，致使Fe原子的晶格发生不同程度的畸变，从而使钢的变形抗力提高，塑性降低。 1.2.3成分与组织对金属塑性变形的影响2.组织的影响金属材料的组织状态与其化学成分有密切关系，但并不是完全由化学成分所决定，它还与制造工艺(如冶炼、浇铸、锻轧、热处理)有关。由于以上原因，金属材料的组织很不相同，除了基体金属的晶体结构存在不同以外，还有晶粒的大小以及单相组织和多相组织的差别等。这些组织上的差异对材料的塑性和变形抗力的影响也不能忽视。从组织状态对塑性的影响来看，基体为面心立方晶格(Al、Cu、、Ni)的塑性最好；体心立方晶格(、Cr、W、Mo)塑性次之；密排六方晶格(Mg、Zn、)塑性较差。另外，晶粒的细化有利于提高金属的塑性，但也使其变形抗力提高。从冲压成形角度来看，晶粒度过小和过大都不利，等轴的或饼状的6级晶粒度比较理想。单相组织要比多相组织塑性好，变形抗力小。这是由于合金为多相组织时，各相性能往往存在很大的差别，使变形不均匀，塑性降低。若硬而脆的第二相呈网状分布于塑性相的晶界上，则整体塑性会大大下降。若硬而脆的第二相呈弥散质点均匀分布于基体相晶粒内，则会阻碍晶内滑移变形，显著提高变形能力。 1.2.4变形温度对金属塑性变形的影响变形温度对金属的塑性变形有很大的影响。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。其主要原因如下。(1)随着温度的升高，会发生回复与再结晶。回复使变形金属得到一定程度的软化，再结晶则完全消除了加工硬化效应，使金属的塑性显著提高，变形抗力显著降低。(2)温度升高，临界剪应力降低，滑移系增加。由于温度升高，原子的热运动加强，原子间的结合力变弱，使临界剪应力降低。同时，在高温时还可能出现新的滑移系。多晶体滑移系的增加，大大提高了金属的塑性。(3)新的塑性变形方式——热塑性的产生。温度升高时，原子的热运动加剧，晶格中的原子处于一种不稳定的状态。此时，若晶体受到外力的作用，原子就会沿着应力梯度方向由一个平衡位置转移到另一个平衡位置(并不是沿着一定的晶面和晶向)，使金属产生塑性变形，这种塑性变形方式称为热塑性。热塑性不同于滑移和孪生，它是金属在高温下塑性变形时新增加的一种变形方式，因而降低了变形抗力，增加了塑性。温度越高，热塑性就越大。但温度低于回复温度时，热塑性的作用不显著。(4)温度升高导致晶界的切变抗力显著降低，晶界易于滑动；又由于扩散作用的加强，及时消除了晶界滑动所引起的微裂纹。这一切使得金属在高温下具有良好的塑性和低的变形抗力。 1.2.4变形温度对金属塑性变形的影响在板料成形中，必要时可对板料加热，增加变形程度，降低变形抗力，提高制件的成形准确度。但往往会对制件表面造成不利的影响。值得指出的是，金属加热软化的趋势并不是绝对的。在加热过程的某些温度区间，往往由于过剩相的析出或相变等原因出现脆性区，使金属的塑性降低和变形抗力增加。如碳钢加热到200~400℃之间时，因为时效作用(夹杂物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑性降低，变形抗力增加，这个温度范围称为蓝脆区。这时钢的性能变坏，易于脆断，断口呈蓝色。在800~950℃范围内，又会出现热脆，使塑性降低。因此，选择变形温度时，碳钢应避开蓝脆区和热脆区。总之，为了提高材料的变形程度，减小变形力，在决定变形温度时，必须根据材料的“温度-力学性能”曲线合理选用，充分考虑加热对材料产生的不利影响(如晶间腐蚀、氢脆、氧化、脱碳等)，避免盲目性。 1.2.5变形速度对金属塑性变形的影响所谓变形速度是指单位时间内应变的变化量，金属的变形速度在很大程度上是随塑性成形设备的加载速度而变化的。变形速度对塑性变形的影响是多方面的。一方面，在高速情况下，要同时驱使更多的位错更快地运动，使金属晶体的临界剪应力升高，变形抗力增加；同时，由于多晶体的塑性变形机理复杂，塑性变形的扩展，需要一定的时间，难以在瞬间完成，这也使得金属的变形抗力增加，塑性降低。另一方面，由于变形速度大，变形体吸收的变形能迅即转化为热能，使变形体温度升高，这种温度效应一般来说有使金属软化的效果。这两方面的影响在高速变形条件下，又随金属的种类和变形温度的不同有所变化，情况十分复杂，需要具体问题具体分析。目前，常规冲压使用的压力机工作速度较低，对金属塑性变形性能的影响不大，而考虑速度因素，主要基于零件的尺寸和形状。对于小零件的冲压工序，可不必考虑速度因素；但对于大型复杂零件的成形，宜用低速。因为大尺寸复杂零件成形时，各部分的变形极不均匀，易于局部拉裂和起皱，为了便于塑性变形的扩展，有利于金属的流动，以采用低速压力机或液压机为宜。另外，对于不锈钢、耐热合金、钛合金等对变形速度比较敏感的材料，也宜低速成形，加载速度可控制在0.25m/s以下。 1.2.6应力应变状态及其对金属塑性变形的影响1.塑性变形时的应力应变状态冲压成形时，外力通过模具作用于毛坯，使之产生塑性变形，同时在毛坯内部引起反抗变形的内力。在一般情况下，毛坯变形区内各处的应力和应变都不尽相同。为了了解毛坯的变形规律，就必须研究坯料内各点的应力状态和应变状态以及它们之间的关系。 1.2.6应力应变状态及其对金属塑性变形的影响2.应力状态对塑性变形的影响由实践可知，单向压缩达到的变形程度比单向拉伸大得多；三向压应力状态的挤压比二向压缩一向拉伸的拉拔能发挥更大的塑性。德国学者Kalman(卡尔曼)于20世纪初对通常认为是脆性材料的大理石和红砂石进行了试验，结果是：大理石在单向压缩时缩短率不到1%就会破坏，但在7650个大气压力的静水压力下压缩时，缩短率可达到9%左右才破坏。反之，一般情况下塑性极好的金属铅，在三向等拉应力的作用下却像脆性材料一样地破坏，不产生任何塑性变形。 1.2.6应力应变状态及其对金属塑性变形的影响上述结果表明，强化三向压应力状态，能充分发挥材料的塑性，这实质上是应力状态中的静水压力分量在起作用。应力状态中的压应力个数多、压应力大，也就是静水压力大，则塑性好；反之，压应力个数少、压应力小，甚至存在拉应力，则塑性就差。静水压力越大则金属的塑性会越好的原因如下。(1)拉应力会促进晶间变形，加速晶界的破坏；而压应力阻止或减少晶间变形，随着三向压缩作用的增强，晶间变形更加困难，因而提高了金属的塑性。(2)压应力有利于抑制或消除晶体中由于塑性变形引起的各种微观破坏，而拉应力则相反，它促使各种破坏发展、扩大。如图1-7所示，滑移面上的破损点A，在拉应力作用下将扩大；在压应力作用下将闭合或消除。(3)当变形体内原来存在着少量对塑性不利的杂质或者组织缺陷时，三向压缩作用能抑制这些缺陷，全部或部分地消除其危害。反之，在拉应力作用下，将在这些地方造成应力集中，导致金属的破坏。 1.2.6应力应变状态及其对金属塑性变形的影响图1-7滑移面的破损受拉应力及压应力作用示意图 1.3冲压材料1.3.1材料的冲压成形性能1.3.2板料的冲压成形性能试验1.3.3对冲压材料的基本要求 1.3冲压材料冲压所用的材料是冲压生产的主要要素之一。事实上，先进的冲压工艺与模具技术，只有采用冲压性能良好的材料，才能形成高质量的冲压件。因此，在冲压工艺及模具设计中，懂得合理地选用材料，并进一步了解材料的冲压成形性能，是非常必要的。 1.3.1材料的冲压成形性能材料对各种冲压成形方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压成形性能好，就是指其便于冲压成形，单个冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，且模具损耗低，不易出废品等。由此可见，冲压成形性能是一个综合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要内容来看，有两个方面：一是成形极限；二是成形质量。 1.3.1材料的冲压成形性能1.成形极限成形极限是指材料在冲压成形过程中能达到的最大变形程度。对于不同的冲压工序，成形极限是采用不同的极限变形系数来表示的，如弯曲时为最小相对弯曲半径，拉深时为极限拉深系数，翻孔时为极限翻孔系数等。由于冲压用材料主要是板料，冲压成形大多都是在板厚方向上的应力值近似为零的平面应力状态下进行的，因此不难分析：在变形坯料的内部，凡是受到过大拉应力作用的区域，就会使坯料局部严重变薄甚至拉裂；凡是受到过大压应力作用的区域，若压应力超过了临界应力就会使坯料丧失稳定而起皱。因此，为了提高成形极限，从材料方面看，必须提高材料的抗拉和抗压的能力；从冲压工艺参数的角度来看，必须严格限制坯料的极限变形系数。 1.3.1材料的冲压成形性能2.成形质量成形质量是指材料经冲压成形以后所得到的冲压件能够达到的质量指标，包括尺寸精度、厚度变化、表面质量及物理力学性能等。影响冲压件质量的因素很多，不同冲压工序的情况又各不相同，这里只对一些共性问题作简要说明。材料在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，当冲压结束载荷卸除以后，由于材料的弹性回复，造成冲件的形状和尺寸偏离模具工作部分的形状和尺寸，从而影响了冲件的尺寸和形状精度(如冲孔、落料、弯曲)。因此，为了提高冲件的尺寸精度，必须掌握回弹规律，控制回弹量。材料经过冲压成形以后，一般厚度都会发生变化，有的变厚，有的减薄。厚度变薄后直接影响冲件的强度和使用，因此对强度有要求时，往往要限制其最大变薄量(如拉深)。材料经过塑性变形以后，除产生加工硬化现象外，还由于变形不均匀，材料内部将产生残余应力，从而引起冲件尺寸和形状的变化，严重时还会引起冲件的自行开裂。消除硬化及残余应力的方法是冲压后及时安排热处理工序。原材料的表面状态、晶粒大小、冲压时材料的黏模情况及模具对材料表面的擦伤等，都将影响冲件表面质量。如原材料表面存在凹坑、裂纹、分层及锈斑或氧化皮等附着物时，将直接在冲件表面上形成相应的缺陷；晶粒粗大的钢板拉深时会在拉深件表面产生所谓的“橘子皮”；易于黏模的材料会擦伤工件并降低模具寿命。此外，模具间隙不均匀、模具表面粗糙等也会擦伤冲件表面，从而影响工件表面的质量。 1.3.2板料的冲压成形性能试验板料的冲压成形性能是通过试验来确定的。板料冲压成形性能的试验方法很多，但概括起来可分为直接试验和间接试验两类。在直接试验中，板料的应力状态和变形情况与实际冲压时基本相同，试验所得结果比较准确。而在间接试验中，板料的受力情况和变形特点都与实际冲压时有一定的差别，所得结果只能在分析的基础上间接地反映板料的冲压成形性能。 1.3.2板料的冲压成形性能试验1.间接试验间接试验有拉伸试验、剪切试验、硬度试验和金相试验等。其中拉伸试验简单易行，无需专用板料试验设备，而且所得的结果能从不同角度反映板料的冲压性能，所以它是一种很重要的试验方法。板料拉伸试验的方法是：在待试验的板料的不同部位和方向上截取试料，制成如图1-8所示的标准拉伸试样，然后在万能材料试验机上进行拉伸。拉伸过程中，应注意加载速度不能过快，开始拉伸时可按5mm/min以下的速度加载，开始屈服时应进行间断加载，并随时记录载荷大小和试样截面尺寸。当开始出现缩颈后宜改用手动加载，并争取记录载荷及试样截面尺寸1~2次。根据试验结果或利用自动记录装置可绘得板料拉伸时的实际“应力-应变曲线”及假象“应力-应变曲线”(即拉伸曲线，如图1-9所示)。 1.3.2板料的冲压成形性能试验图1-8拉伸试验用标准试样 1.3.2板料的冲压成形性能试验图1-9实际曲线与假象曲线 1.3.2板料的冲压成形性能试验2.直接试验直接试验(又称模拟试验)是直接模拟某一种冲压方式进行的，故试验所得的结果能较为可靠地鉴定板料的冲压成形性能。直接试验的方法很多，下面简要介绍几种较为重要的试验方法。 1.3.2板料的冲压成形性能试验(1)弯曲试验弯曲试验的目的是鉴定板料的弯曲性能。常用的弯曲试验是往复弯曲试验，如图1-10所示，将试样夹持在专用试验设备的钳口内，反复折弯直至出现裂纹。弯曲半径越小，往复弯曲的次数越多，材料的成形性能就越好。这种试验主要用于鉴定厚度在2mm以下的板料。(2)胀形试验鉴定板料胀形成形性能的常用试验方法是杯突试验，试验原理如图1-11所示。试验时将符合试验尺寸的板料试样2放在压料圈4与凹模1之间压紧，使凹模孔口外受压部分的板料无法流动。然后用试验规定的球形凸模3将试样压入凹模，至试样出现裂纹为止，测量此时试样上的凸包深度IE作为胀形性能指标。IE值越大，则板料的胀形性能越好。(3)拉深试验鉴定板料拉深成形性能的试验方法主要有筒形件拉深试验和球底锥形拉深试验两种。如图1-12所示为筒形件拉深试验(又称冲杯试验)的原理，依次用不同直径的圆形试样(直径级差为1mm)放在带压边装置的试验用拉深模中进行拉深，在试样不裂的条件下，取可能拉深成功的最大试样直径Dmax与凸模直径dp的比值Kmax作为拉深性能指标。即：Kmax=Dmax/dpKmax称为最大拉深程度。Kmax越大，则板料的拉深成形性能越好。 1.3.2板料的冲压成形性能试验图1-10往复弯曲试验 1.3.2板料的冲压成形性能试验图1-11胀形试验(杯突试验)1—凹模；2—试样；3—球形凸模；4—压料圈 1.3.2板料的冲压成形性能试验图1-12筒形件拉深试验(冲杯试验) 1.3.3对冲压材料的基本要求冲压所用的材料不仅要满足冲压件的使用要求，还应满足冲压工艺的要求和后续加工(如切削加工、电镀、焊接等)的要求。冲压工艺对材料的基本要求主要有如下几个方面。(1)具有良好的冲压成形性能(2)具有较高的表面质量(3)材料的厚度公差应符合国家标准 1.3.3对冲压材料的基本要求1.冲压常用的材料冲压生产中最常用的材料是金属材料(包括黑色金属和有色金属)，但有时也用非金属材料。其中黑色金属主要有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、电工硅钢等；有色金属主要有纯铜、黄铜、青铜、铝等；非金属材料有纸板、层压板、橡胶板、塑料板、纤维板和云母等。 1.3.3对冲压材料的基本要求2.冲压材料的合理选用冲压材料的选用要考虑冲压件的使用要求、冲压工艺要求及经济性等。(1)按冲压件的使用要求合理选材所选材料应能使冲压件在机器或部件中正常工作，并具有一定的使用寿命。为此，应根据冲压件的使用条件，使所选材料满足相应的强度、刚度、韧性及耐蚀性和耐热性等方面的要求。(2)按冲压工艺要求合理选材对于任何一种冲压件，所选的材料都应该能够按照其冲压工艺的要求，稳定地成形出不至于开裂或起皱的合格产品，这是最基本也是最重要的选材要求。为此可用以下方法合理选材。①试冲。根据以往的生产经验及可能条件，选择几种基本能满足冲压件使用要求的板料进行试冲，最后选择没有开裂或皱褶的、其废品率低的一种。这种方法结果比较直观，但带有较大的盲目性。②分析与对比。在分析冲压变形性质的基础上，把冲压成形时的最大变形程度与板料冲压成形性能所允许采用的极限变形程度进行对比，并以此作为依据，选取适合于该种零件冲压工艺要求的板材。 1.3.3对冲压材料的基本要求另外，同一种牌号或同一厚度的板材还有冷轧和热轧之分，我国国产板材中，厚板(t>4mm)为热轧板，薄板(t<4mm)为冷轧板(也有热轧板)。与热轧相比，冷轧板尺寸精确，偏差小，表面缺陷少，光亮，内部组织致密，冲压性能更优。冷轧和热轧根据轧制方法不同又分为连轧与往复轧，一般来说，连轧钢板的纵向和横向性能差别较大，纤维的方向性比较明显，各向异性大；单张往复轧制时，钢板的各向均有相近程度的变形，故钢板的纵向和横向性能差别较小，冲压性能更好。此外，板料出厂或供货的性能状态也有不同，一般分为软(M)、半硬(Y2)、硬(Y)和特硬(T)四种状态，性能状态不同，其力学性能是有差别的。(3)按经济性要求合理选材所选材料应在满足使用性能及冲压工艺要求的前提下，尽量使材料的价格低廉，来源方便，经济性好，以降低冲压件的成本。 1.4冲压设备1.4.1曲柄压力机的用途和分类1.4.2曲柄压力机的工作原理与结构组成1.4.3曲柄压力机的主要技术参数1.4.4曲柄压力机的型号 1.4冲压设备 1.4.1曲柄压力机的用途和分类压力机是用来提供动力和运动的设备，以便对模具中的材料实现压力加工。曲柄压力机属于机械传动类压力机，是重要的压力加工设备，能完成各种冲压工艺，直接生产出半成品或制品。因此，曲柄压力机在汽车、农用机械、电器、仪表、电子、医疗机械、国防、航空航天以及日用品等工业部门得到了广泛的应用。 1.4.2曲柄压力机的工作原理与结构组成尽管曲柄压力机类型众多，但其工作原理和基本组成是相同的，本节主要介绍常用曲柄压力机的工作原理和结构组成。图1-14中所示的开式双柱可倾式压力机的运动原理如图1-20所示。其工作原理如下。电动机1的能量和运动通过带传动传递给中间传动轴4，再由齿轮5和6传动给曲轴9，经连杆11带动滑块12作上下直线移动。因此，曲轴的旋转运动通过连杆变为滑块的往复直线运动。将上模13固定于滑块上，下模14固定于工作台垫板15上，压力机便能对置于上、下模间的材料加压，依靠模具将其冲成工件，实现压力加工。由于工艺需要，曲轴两端分别装有离合器7和制动器10，以实现滑块的间歇运动或连续运动。压力机在整个工作周期内有负荷的工作时间很短，大部分时间为空程运动。为了使电动机的负荷均匀和有效地利用能量，在传动轴端装有飞轮，起到储能作用。该机上的大带轮3和大齿轮6均起飞轮的作用。 1.4.2曲柄压力机的工作原理与结构组成图1-20双柱可倾式压力机运动原理图(JC23—63)1—电动机；2—小带轮；3—大带轮；4—中间传动轴；5—小齿轮；6—大齿轮；7—离合器；8—机身；9—曲轴；10—制动器；11—连杆；12—滑块；13—上模；14—下模；15—垫板；16—工作台 1.4.2曲柄压力机的工作原理与结构组成从上述工作原理可以看出，曲柄压力机一般由以下几个部分组成。(1)工作机构：一般为曲柄滑块机构，由曲轴、连杆、滑块、导轨等零件组成。其作用是将传动系统的旋转运动变换为滑块的往复直线运动；承受和传递工作压力；在滑块上安装模具。(2)传动系统：包括带传动和齿轮传动等机构。将电动机的能量和运动传递给工作机构，并对电动机的转速进行减速获得所需的行程次数。(3)操纵系统：如离合器、制动器及其控制装置。用来控制压力机安全、准确地运转。(4)能源系统：如电动机和飞轮。飞轮能将电动机空程运转时的能量储存起来，在冲压时再释放出来。(5)支承部件：如机身，把压力机所有的机构连接起来，承受全部工作变形力和各种装置的各个部件的重力，并保证整机所要求的精度和强度。此外，还有各种辅助系统和附属装置，如润滑系统、顶件装置、保护装置、滑块平衡装置、安全装置等。闭式压力机外形(见图1-17)与开式压力机有很大的差别，但它们的工作原理和结构组成都是相同的。如图1-21所示为闭式压力机的运动原理图，与图1-20相比较，只是在传动系统中多了一级齿轮传动；工作机构中曲柄的形式是偏心齿轮式，而不是曲轴式，即由偏心齿轮9带动连杆摆动，使滑块作往复直线运动；此外，该压力机的工作台下装有液压气垫18，用于拉深时压料或顶出工件。 1.4.2曲柄压力机的工作原理与结构组成图1-21闭式压力机运动原理图(J31—315)1—电动机；2—小带轮；3—大带轮；4—制动器；5—离合器；6、8—小齿轮；7—大齿轮；9—偏心齿轮；10—芯轴；11—机身；12—连杆；13—滑块；14—上模；15—下模；16—垫板；17—工作台；18—液压气垫 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数曲柄压力机的技术参数反映了压力机的性能指标。现分述如下。1.标称压力Fg以及标称压力行程Sg曲柄压力机的标称压力(或称额定压力)Fg就是滑块所允许承受的最大作用力，而滑块必须在到达下止点前某一特定距离之内允许承受标称压力，这一特定距离称为标称压力行程(或额定压力行程)Sg。标称压力行程所对应的曲柄转角称为标称压力角(或额定压力角)α。例如JC23-63压力机的标称压力为630kN，标称压力行程为8mm，即指该压力机的滑块在离下止点前8mm之内，允许承受的最大压力为630kN。标称压力是压力机的主要技术参数，我国生产的压力机标称压力已系列化，如160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1600、2500、3150、4000、6300kN等。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数2.滑块行程如图1-22中的S，是指滑块从上止点到下止点所经过的距离，等于曲柄偏心量的2倍。它的大小反映出压力机的工作范围，行程长，则能生产高度较高的零件，但压力机的曲柄尺寸应加大，其他部分也要相应地增大，使设备的造价增加。因此，滑块行程并非越大越好，应根据设备规格大小兼顾冲压生产时的送料、取件及模具使用寿命等因素综合考虑来选取。为满足生产实际需要，有些压力机的滑块行程作成可调节的。如J11-50压力机的滑块行程可在10~90mm之间调节，J23-10A、J23-10B压力机的滑块行程均可在16~140mm之间调节。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数图1-22压力机的基本参数 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数3.滑块行程次数n它是指滑块每分钟往复运动的次数。如果是连续作业，它就是每分钟生产工件的个数。所以，行程次数越多，生产率就越高。当采用手动连续作业时，由于受送料时间的限制，即送料在整个冲压过程中所占时间的比例很大，即使行程次数再多，生产率也不可能很高，比如小件加工最多也不过60~100次/min。所以行程次数超过一定数值后，必须配备自动送料装置，否则不可能实现较高的生产率。拉深加工时，行程次数越多，材料变形速度也快，容易造成材料破裂报废。因此选择行程次数时不能单纯追求高生产率。目前，在自动化的压力机中多采用可调行程次数，以期达到最佳的工作状态。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数4.最大装模高度H1及装模高度调节量ΔH1装模高度是指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台垫板上表面的距离。当装模高度调节装置将滑块调整到最高位置时，装模高度达最大值，称为最大装模高度(见图1-22中的H1)。滑块调整到最低位置时，得到最小装模高度。与装模高度并行的参数尚有封闭高度。所谓封闭高度是指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台上表面的距离，它和装模高度之差等于工作台垫板的厚度T。图1-22中的H是最大封闭高度。装模高度和封闭高度均表示压力机所能使用的模具高度。模具的闭合高度应该小于压力机的最大装模高度或最大封闭高度。装模高度调节装置所能调节的距离，称为装模高度调节量ΔH1。装模高度及其调节量越大，对模具的适应性也越大，但装模高度大，压力机也随之增高，且安装高度较小的模具时，需附加垫板，给使用带来不便。同时，装模高度调节量越大，连杆长度越长，刚度会下降。因此，只要能够满足使用要求，就没有必要使装模高度及其调节量过大。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数5.工作台板及滑块底面尺寸它是指压力机工作空间的平面尺寸。工作台板(垫板)的上平面用“左右×前后”的尺寸表示，如图1-22中的L×B所示。滑块下平面也用“左右×前后”的尺寸表示，如图1-22中的a×b所示。在闭式压力机中，其滑块尺寸和工作台板的尺寸大致相同，而开式压力机滑块的下平面尺寸小于工作台板的尺寸。所以，开式压力机所用模具的上模外形尺寸不宜大于滑块下平面尺寸，否则，当滑块在上止点时，可能造成上模与压力机导轨干涉。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数6.工作台孔尺寸工作台孔尺寸L1×B1(左右×前后)、D1(直径)，如图1-22所示，用作向下出料或安装顶出装置的空间。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数7.立柱间距A和喉深C立柱间距A是指双柱式压力机立柱内侧面之间的距离。对于开式压力机，其值主要关系到向后侧送料或出件机构的安装。对于闭式压力机，其值直接限制了模具和加工板料的最宽尺寸。喉深是开式压力机特有的参数，它是指滑块中心线至机身的前后方向的距离，如图1-22中的C所示。喉深直接限制加工件的尺寸，也与压力机机身的刚度有关。 1.4.3曲柄压力机的主要技术参数8.模柄孔尺寸模柄孔尺寸d×l是“直径×孔深”，冲模模柄尺寸应和模柄孔尺寸相适应。大型压力机没有模柄孔，而是开设T形槽，以T形槽螺钉紧固上模。 1.4.4曲柄压力机的型号按照锻压机械型号编制方法(JB/GQ2003—84)的规定，曲柄压力机的型号用汉语拼音字母、英文字母和数字表示，例如JC23-63A型号的意义是：对型号的表示方法说明如下。第一个字母为类代号，用汉语拼音字母表示。在JB/GQ2003—84型谱的8类锻压设备中，与曲柄压力机有关的有5类：机械压力机、线材成形自动机、锻机、剪切机和弯曲校正机。第二个字母代表同一型号产品的变型顺序号。凡主参数与基本型号相同，但其他某些基本参数与基本型号不同的，称为变型。用字母A、B、C…表示。第三、第四个数字分别为组、型代号。前面一个数字代表“组”，后一数字代表“型”。在型谱表中，每类锻压设备分为10组，每组分为10型。横线后面的数字代表主参数。一般用压力机的标称压力作为主参数。型号中的标称压力用工程单位制的“T”表示，故转化为法定单位制的“kN”时，应把此数乘以10。最后一个字母代表产品的重大改进顺序号，凡型号已确定的锻压机械，若结构和性能上与原产品有显著不同，则称为改进，用字母A、B、C…表示。有些锻压设备紧接组、型代号后面还有一个字母，代表设备的通用特性，例如J21G-20中的“G”代表“高速”；J92K-250中的“K”代表“数控”。 1.4.4曲柄压力机的型号 习题与练习1.填空题(1)冷冲压生产常用的材料有__________、__________、__________。(2)物体在外力的作用下会产生变形，如果外力取消后，____________________这种变形称为塑性变形。(3)影响金属塑性的因素有__________、__________、__________、__________、__________。(4)在冲压工艺中，有时也采用加热成形方法，加热的目的是__________，增加材料在一次成型中所能达到的变形程度；__________，提高工件的成形准确度。(5)材料的冲压成形性能包括__________和__________两部分内容。(6)在材料的应力状态中，压应力的成分__________，拉应力的成分__________，越有利于材料塑性的发挥。 习题与练习(7)一般常用的金属材料在冷塑性变形时，随变形程度的增加，所有强度指标均__________，硬度也__________，塑性指标__________，这种现象称为加工硬化。(8)硬化指数n值大，硬化效应就大，这对于__________变形来说就是有利的。(9)当作用于坯料变形区的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是__________变形，故称这种变形为__________变形；当作用于坯料变形区的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是__________变形，故称这种变形为__________变形。(10)材料对各种冲压加工方法的适应能力称为材料的__________。(11)材料的冲压性能好，就是说其便于冲压加工，一次冲压工序的__________和__________大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，模具寿命长等。(12)__________的比值称为屈强比。屈强比，对所有的冲压成形工艺都有利。 习题与练习2.判断题(正确的打√，错误的打×) 习题与练习3.问答题(1)冷冲压工序可以分为哪两大类？它们的主要区别是什么？(2)影响金属塑性的因素有哪些？(3)冲压件对材料有哪些基本要求？如何合理选用冲压材料？(4)什么是金属的塑性？什么是金属的塑性变形？什么是金属的弹性变形？(5)材料的冲压性能试验有哪些方法？(6)曲柄压力机由哪几部分组成？(7)选择压力机时，要考虑哪些问题？(8)压力机主要基本参数有哪些？是如何定义的？ Q&A?Thanks!