冷沖壓工藝與模具設計-冷沖壓概論

冷沖壓工藝與模具設計

-冷沖壓概論第1章冷沖壓概論第1章冷沖壓概論教學目標：冷沖壓是金屬材料塑性變形的過程，不同的沖壓產(chǎn)品要用不同的沖壓工序來完成，不同的沖壓工序其變形機理和變形過程也各不相同；沖壓變形過程又受到材料本質(zhì)和各種外部因素的影響；沖壓材料品種繁多，性能各異，正確選擇沖壓材料是進行模具設計時需要考慮的一項重要內(nèi)容；沖壓設備主要是各種噸位和結(jié)構(gòu)形式的壓力機，在模具設計過程中還要考慮壓力機的選擇。通過本章的學習，要求讀者了解各種不同的沖壓工序和金屬塑性變形的根本原理，掌握常用沖壓材料的性能，能夠合理地選擇沖壓材料和沖壓設備。第1章冷沖壓概論教學重點和難點：沖壓變形的根本理論，沖壓過程的影響因素，常用沖壓材料和沖壓設備的選擇。第1章冷沖壓概論1.1冷沖壓根本工序及模具1.2沖壓變形的理論根底1.3沖壓材料1.4沖壓設備習題與練習1.1冷沖壓根本工序及模具1.1.1沖壓概念1.1.2沖壓工藝分類及模具1.1冷沖壓根本工序及模具1.1.1沖壓概念

沖壓是利用沖模在沖壓設備上對板料施加壓力，使其產(chǎn)生別離或變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的制件的加工方法。沖壓加工的對象一般為金屬板料(或帶料)、薄壁管、薄型材等，板厚方向的變形一般不側(cè)重考慮，因此也稱為板料沖壓，且通常是在室溫狀態(tài)下進行，所以也稱為冷沖壓。1.1.2沖壓工藝分類及模具

由于沖壓加工的零件種類繁多，各類零件的形狀、尺寸和精度要求又各不相同，因而生產(chǎn)中采用的沖壓工藝方法也是多種多樣的。概括起來，可分為別離工序和成形工序兩大類：別離工序是指使坯料沿一定的輪廓線別離而獲得一定形狀、尺寸和斷面質(zhì)量的沖壓件的工序。成形工序是指使坯料在不破裂的條件下產(chǎn)生塑性變形而獲得一定形狀和尺寸的沖壓件的工序。每種根本工序還包含有多種單一工序。沖壓工序的具體分類及特點見表1-1和表1-2。1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

在實際生產(chǎn)中，當沖壓件的生產(chǎn)批量較大、尺寸較小而公差要求較小時，假設用分散的單一工序來沖壓是不經(jīng)濟的，甚至難以到達要求。這時在工藝上多采用工序集中的方案，即把兩種或兩種以上的單一工序集中在一副模具內(nèi)完成，稱為組合工序。根據(jù)工序組合的方法不同，又可將其分為復合、級進和“復合-級進〞3種組合方式。復合沖壓：在壓力機的一次工作行程中，在模具的同一工位上同時完成兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方式。級進沖壓：在壓力機的一次工作行程中，按照一定的順序在同一模具的不同工位上完成兩種或兩種以上不同單一工序的一種組合方式。復合-級進沖壓：在一副沖模上包含復合和級進兩種方式的組合工序。沖模的結(jié)構(gòu)類型也很多(見圖1-1)。通常按工序性質(zhì)可分為沖裁模、彎曲模、拉深模和成形模等；按工序的組合方式可分為單工序模、復合模和級進模等。但不管何種類型的沖模，都可看成是由上模和下模兩局部組成。上模被緊固在壓力機滑塊上，可隨滑塊作上下往復運動，是沖模的活動局部；下模被固定在壓力機工作臺或墊板上，是沖模的固定局部。工作時，坯料在下模面上通過定位零件定位，壓力機滑塊帶動上模下壓，在模具工作零件的作用下坯料便產(chǎn)生別離或塑性變形，從而獲得所需形狀及尺寸的沖件。上模上升時，由模具的卸料與出件裝置將沖件或廢料從凸、凹模上卸下或推、頂出來，以便進行下一次沖壓。1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.1.2沖壓工藝分類及模具

1.2沖壓變形的理論根底1.2.1金屬塑性變形的概念1.2.2影響塑性及變形抗力的主要因素1.2.3成分與組織對金屬塑性變形的影響1.2.4變形溫度對金屬塑性變形的影響1.2.5變形速度對金屬塑性變形的影響1.2.6應力應變狀態(tài)及其對金屬塑性變形的影響1.2沖壓變形的理論根底1.2.1金屬塑性變形的概念

在外力作用下，固體材料發(fā)生形狀和尺寸變化的現(xiàn)象稱為變形，使物體產(chǎn)生變形的外力稱為變形力。變形力去除后，能恢復原狀的變形稱為彈性變形；變形力去除后，不能恢復原狀的變形稱為塑性變形。金屬材料在變形力的作用下，既能產(chǎn)生彈性變形，又能將彈性變形開展到塑性變形，是一種具有彈塑性的工程材料。從微觀結(jié)構(gòu)上看，在彈性變形階段，金屬體受力較小，金屬體內(nèi)部原子的間距有微小的改變，從而引起了尺寸和形狀的變化，變形力去除后，原子回到原來的穩(wěn)定平衡位置，該金屬體就完全恢復了原來的形狀和尺寸。當金屬體受力較大時，會迫使原子偏離原來的穩(wěn)定平衡位置，而到達鄰近的穩(wěn)定平衡位置，變形力去除后，原子就不再回到其原來位置，而是停留在鄰近的穩(wěn)定平衡位置上，因而變形就成為不可恢復的永久變形，這就是金屬的塑性變形。1.2.2影響塑性及變形抗力的主要因素

1. 塑性所謂塑性，是指金屬材料在外力作用下產(chǎn)生永久變形而其完整性不被破壞的能力。塑性指標可用材料在不被破壞的條件下能獲得的塑性變形的最大值來評定。對于同一種材料來說，在不同的變形條件下，其塑性是不一樣的。影響金屬塑性的因素包括兩個方面：①金屬本身的晶格類型、化學成分和金相組織等；②變形時的外部條件，如變形溫度、變形速度以及變形方式等。1.2.2影響塑性及變形抗力的主要因素

2. 變形抗力變形抗力一般來說反映了金屬在外力作用下抵抗塑性變形的能力。影響變形抗力的因素，也包括金屬的內(nèi)部性質(zhì)和變形條件(即變形溫度、變形速度和變形程度)兩個方面。塑性和變形抗力是兩個不同的概念。通常說某種材料的塑性好壞是指受力以后臨近破壞時的變形程度的大小，而不是指變形抗力的大小。如奧氏體不銹鋼允許的變形程度大，稱為塑性好，但其變形抗力也大，需要較大的外力才能產(chǎn)生塑性變形。由此可見，變形抗力是從力的角度來反映塑性變形的難易程度。1.2.3成分與組織對金屬塑性變形的影響

成分與組織對金屬塑性變形的影響很大，下面以鋼為例來說明。1. 化學成分的影響在碳鋼中，F(xiàn)e和C是根本元素。在合金鋼中，除了Fe和C以外，還包含有Si、Mn、Cr、Ni、W等合金元素。此外，在各類鋼中還含有一些雜質(zhì)，如P、S、N、H、O等。(1) 碳鋼中C和雜質(zhì)元素的影響對碳鋼的性能影響最大的是C元素。C能固溶于Fe，形成鐵素體和奧氏體固溶體，它們都具有良好的塑性。當C的含量超過Fe的溶C能力時，多余的C便與Fe形成硬而脆的滲碳體，從而使碳鋼的塑性降低，變形抗力提高。含C量越高，碳鋼的塑性越差。宜于拉深成形的低碳鋼一般含C量為0.05%~0.15%。雜質(zhì)元素對鋼的塑性變形一般都有不利影響，如P溶入鐵素體后，使鋼的強度、硬度顯著提高，塑性、韌性顯著降低，在低溫時，造成鋼的冷脆性。又如S在鋼中幾乎不溶解，而與鐵形成脆性的硫化鐵，使鋼的塑性降低。熱加工時，鋼的熱脆現(xiàn)象也是由S引起的。因此，應對冷沖壓材料的雜質(zhì)含量加以控制。如對于深拉深冷軋薄鋼板就應按照國家標準(GB710)加以控制，S的含量不超過0.040%，P的含量控制更加嚴格。(2) 合金元素對鋼的塑性變形的影響將合金元素參加鋼中，不僅會改變鋼的使用性能，而且會改變鋼的塑性成形性能。主要表現(xiàn)為：塑性降低，變形抗力提高。這是由于合金元素與鋼中的C形成硬而脆的碳化物，使鋼的強度提高，塑性降低。另外，很多元素溶入固溶體(鐵素體和奧氏體)中，致使Fe原子的晶格發(fā)生不同程度的畸變，從而使鋼的變形抗力提高，塑性降低。1.2.3成分與組織對金屬塑性變形的影響

2. 組織的影響金屬材料的組織狀態(tài)與其化學成分有密切關系，但并不是完全由化學成分所決定，它還與制造工藝(如冶煉、澆鑄、鍛軋、熱處理)有關。由于以上原因，金屬材料的組織很不相同，除了基體金屬的晶體結(jié)構(gòu)存在不同以外，還有晶粒的大小以及單相組織和多相組織的差異等。這些組織上的差異對材料的塑性和變形抗力的影響也不能無視。從組織狀態(tài)對塑性的影響來看，基體為面心立方晶格(Al、Cu、、Ni)的塑性最好；體心立方晶格(、Cr、W、Mo)塑性次之；密排六方晶格(Mg、Zn、)塑性較差。另外，晶粒的細化有利于提高金屬的塑性，但也使其變形抗力提高。從沖壓成形角度來看，晶粒度過小和過大都不利，等軸的或餅狀的6級晶粒度比較理想。單相組織要比多相組織塑性好，變形抗力小。這是由于合金為多相組織時，各相性能往往存在很大的差異，使變形不均勻，塑性降低。假設硬而脆的第二相呈網(wǎng)狀分布于塑性相的晶界上，那么整體塑性會大大下降。假設硬而脆的第二相呈彌散質(zhì)點均勻分布于基體相晶粒內(nèi)，那么會阻礙晶內(nèi)滑移變形，顯著提高變形能力。1.2.4變形溫度對金屬塑性變形的影響

變形溫度對金屬的塑性變形有很大的影響。就大多數(shù)金屬而言，其總的趨勢是：隨著溫度的升高，塑性增加，變形抗力降低。其主要原因如下。(1) 隨著溫度的升高，會發(fā)生回復與再結(jié)晶。回復使變形金屬得到一定程度的軟化，再結(jié)晶那么完全消除了加工硬化效應，使金屬的塑性顯著提高，變形抗力顯著降低。(2) 溫度升高，臨界剪應力降低，滑移系增加。由于溫度升高，原子的熱運動加強，原子間的結(jié)合力變?nèi)酰古R界剪應力降低。同時，在高溫時還可能出現(xiàn)新的滑移系。多晶體滑移系的增加，大大提高了金屬的塑性。(3) 新的塑性變形方式——熱塑性的產(chǎn)生。溫度升高時，原子的熱運動加劇，晶格中的原子處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。此時，假設晶體受到外力的作用，原子就會沿著應力梯度方向由一個平衡位置轉(zhuǎn)移到另一個平衡位置(并不是沿著一定的晶面和晶向)，使金屬產(chǎn)生塑性變形，這種塑性變形方式稱為熱塑性。熱塑性不同于滑移和孿生，它是金屬在高溫下塑性變形時新增加的一種變形方式，因而降低了變形抗力，增加了塑性。溫度越高，熱塑性就越大。但溫度低于回復溫度時，熱塑性的作用不顯著。(4) 溫度升高導致晶界的切變抗力顯著降低，晶界易于滑動；又由于擴散作用的加強，及時消除了晶界滑動所引起的微裂紋。這一切使得金屬在高溫下具有良好的塑性和低的變形抗力。1.2.4變形溫度對金屬塑性變形的影響

在板料成形中，必要時可對板料加熱，增加變形程度，降低變形抗力，提高制件的成形準確度。但往往會對制件外表造成不利的影響。值得指出的是，金屬加熱軟化的趨勢并不是絕對的。在加熱過程的某些溫度區(qū)間，往往由于過剩相的析出或相變等原因出現(xiàn)脆性區(qū)，使金屬的塑性降低和變形抗力增加。如碳鋼加熱到200~400℃之間時，因為時效作用(夾雜物以沉淀的形式在晶界滑移面上析出)使塑性降低，變形抗力增加，這個溫度范圍稱為藍脆區(qū)。這時鋼的性能變壞，易于脆斷，斷口呈藍色。在800~950℃范圍內(nèi)，又會出現(xiàn)熱脆，使塑性降低。因此，選擇變形溫度時，碳鋼應避開藍脆區(qū)和熱脆區(qū)?？傊?，為了提高材料的變形程度，減小變形力，在決定變形溫度時，必須根據(jù)材料的“溫度-力學性能〞曲線合理選用，充分考慮加熱對材料產(chǎn)生的不利影響(如晶間腐蝕、氫脆、氧化、脫碳等)，防止盲目性。1.2.5變形速度對金屬塑性變形的影響

所謂變形速度是指單位時間內(nèi)應變的變化量，金屬的變形速度在很大程度上是隨塑性成形設備的加載速度而變化的。變形速度對塑性變形的影響是多方面的。一方面，在高速情況下，要同時驅(qū)使更多的位錯更快地運動，使金屬晶體的臨界剪應力升高，變形抗力增加；同時，由于多晶體的塑性變形機理復雜，塑性變形的擴展，需要一定的時間，難以在瞬間完成，這也使得金屬的變形抗力增加，塑性降低。另一方面，由于變形速度大，變形體吸收的變形能迅即轉(zhuǎn)化為熱能，使變形體溫度升高，這種溫度效應一般來說有使金屬軟化的效果。這兩方面的影響在高速變形條件下，又隨金屬的種類和變形溫度的不同有所變化，情況十分復雜，需要具體問題具體分析。目前，常規(guī)沖壓使用的壓力機工作速度較低，對金屬塑性變形性能的影響不大，而考慮速度因素，主要基于零件的尺寸和形狀。對于小零件的沖壓工序，可不必考慮速度因素；但對于大型復雜零件的成形，宜用低速。因為大尺寸復雜零件成形時，各局部的變形極不均勻，易于局部拉裂和起皺，為了便于塑性變形的擴展，有利于金屬的流動，以采用低速壓力機或液壓機為宜。另外，對于不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等對變形速度比較敏感的材料，也宜低速成形，加載速度可控制在0.25m/s以下。1.2.6應力應變狀態(tài)及其對金屬塑性變形的影響

1. 塑性變形時的應力應變狀態(tài)沖壓成形時，外力通過模具作用于毛坯，使之產(chǎn)生塑性變形，同時在毛坯內(nèi)部引起對抗變形的內(nèi)力。在一般情況下，毛坯變形區(qū)內(nèi)各處的應力和應變都不盡相同。為了了解毛坯的變形規(guī)律，就必須研究坯料內(nèi)各點的應力狀態(tài)和應變狀態(tài)以及它們之間的關系。1.2.6應力應變狀態(tài)及其對金屬塑性變形的影響

2. 應力狀態(tài)對塑性變形的影響由實踐可知，單向壓縮到達的變形程度比單向拉伸大得多；三向壓應力狀態(tài)的擠壓比二向壓縮一向拉伸的拉拔能發(fā)揮更大的塑性。德國學者Kalman(卡爾曼)于20世紀初對通常認為是脆性材料的大理石和紅砂石進行了試驗，結(jié)果是：大理石在單向壓縮時縮短率不到1%就會破壞，但在7650個大氣壓力的靜水壓力下壓縮時，縮短率可到達9%左右才破壞。反之，一般情況下塑性極好的金屬鉛，在三向等拉應力的作用下卻像脆性材料一樣地破壞，不產(chǎn)生任何塑性變形。1.2.6應力應變狀態(tài)及其對金屬塑性變形的影響

上述結(jié)果說明，強化三向壓應力狀態(tài)，能充分發(fā)揮材料的塑性，這實質(zhì)上是應力狀態(tài)中的靜水壓力分量在起作用。應力狀態(tài)中的壓應力個數(shù)多、壓應力大，也就是靜水壓力大，那么塑性好；反之，壓應力個數(shù)少、壓應力小，甚至存在拉應力，那么塑性就差。靜水壓力越大那么金屬的塑性會越好的原因如下。(1) 拉應力會促進晶間變形，加速晶界的破壞；而壓應力阻止或減少晶間變形，隨著三向壓縮作用的增強，晶間變形更加困難，因而提高了金屬的塑性。(2) 壓應力有利于抑制或消除晶體中由于塑性變形引起的各種微觀破壞，而拉應力那么相反，它促使各種破壞開展、擴大。如圖1-7所示，滑移面上的破損點A，在拉應力作用下將擴大；在壓應力作用下將閉合或消除。(3) 當變形體內(nèi)原來存在著少量對塑性不利的雜質(zhì)或者組織缺陷時，三向壓縮作用能抑制這些缺陷，全部或局部地消除其危害。反之，在拉應力作用下，將在這些地方造成應力集中，導致金屬的破壞。1.2.6應力應變狀態(tài)及其對金屬塑性變形的影響

圖1-7滑移面的破損受拉應力及壓應力作用示意圖1.3沖壓材料1.3.1材料的沖壓成形性能1.3.2板料的沖壓成形性能試驗1.3.3對沖壓材料的根本要求1.3沖壓材料沖壓所用的材料是沖壓生產(chǎn)的主要要素之一。事實上，先進的沖壓工藝與模具技術，只有采用沖壓性能良好的材料，才能形成高質(zhì)量的沖壓件。因此，在沖壓工藝及模具設計中，懂得合理地選用材料，并進一步了解材料的沖壓成形性能，是非常必要的。1.3.1材料的沖壓成形性能

材料對各種沖壓成形方法的適應能力稱為材料的沖壓成形性能。材料的沖壓成形性能好，就是指其便于沖壓成形，單個沖壓工序的極限變形程度和總的極限變形程度大，生產(chǎn)率高，容易得到高質(zhì)量的沖壓件，且模具損耗低，不易出廢品等。由此可見，沖壓成形性能是一個綜合性的概念，它涉及的因素很多，但就其主要內(nèi)容來看，有兩個方面：一是成形極限；二是成形質(zhì)量。1.3.1材料的沖壓成形性能

1. 成形極限成形極限是指材料在沖壓成形過程中能到達的最大變形程度。對于不同的沖壓工序，成形極限是采用不同的極限變形系數(shù)來表示的，如彎曲時為最小相對彎曲半徑，拉深時為極限拉深系數(shù)，翻孔時為極限翻孔系數(shù)等。由于沖壓用材料主要是板料，沖壓成形大多都是在板厚方向上的應力值近似為零的平面應力狀態(tài)下進行的，因此不難分析：在變形坯料的內(nèi)部，但凡受到過大拉應力作用的區(qū)域，就會使坯料局部嚴重變薄甚至拉裂；但凡受到過大壓應力作用的區(qū)域，假設壓應力超過了臨界應力就會使坯料喪失穩(wěn)定而起皺。因此，為了提高成形極限，從材料方面看，必須提高材料的抗拉和抗壓的能力；從沖壓工藝參數(shù)的角度來看，必須嚴格限制坯料的極限變形系數(shù)。1.3.1材料的沖壓成形性能

2. 成形質(zhì)量成形質(zhì)量是指材料經(jīng)沖壓成形以后所得到的沖壓件能夠到達的質(zhì)量指標，包括尺寸精度、厚度變化、外表質(zhì)量及物理力學性能等。影響沖壓件質(zhì)量的因素很多，不同沖壓工序的情況又各不相同，這里只對一些共性問題作簡要說明。材料在塑性變形的同時總伴隨著彈性變形，當沖壓結(jié)束載荷卸除以后，由于材料的彈性回復，造成沖件的形狀和尺寸偏離模具工作局部的形狀和尺寸，從而影響了沖件的尺寸和形狀精度(如沖孔、落料、彎曲)。因此，為了提高沖件的尺寸精度，必須掌握回彈規(guī)律，控制回彈量。材料經(jīng)過沖壓成形以后，一般厚度都會發(fā)生變化，有的變厚，有的減薄。厚度變薄后直接影響沖件的強度和使用，因此對強度有要求時，往往要限制其最大變薄量(如拉深)。材料經(jīng)過塑性變形以后，除產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象外，還由于變形不均勻，材料內(nèi)部將產(chǎn)生剩余應力，從而引起沖件尺寸和形狀的變化，嚴重時還會引起沖件的自行開裂。消除硬化及剩余應力的方法是沖壓后及時安排熱處理工序。原材料的外表狀態(tài)、晶粒大小、沖壓時材料的黏模情況及模具對材料外表的擦傷等，都將影響沖件外表質(zhì)量。如原材料外表存在凹坑、裂紋、分層及銹斑或氧化皮等附著物時，將直接在沖件外表上形成相應的缺陷；晶粒粗大的鋼板拉深時會在拉深件外表產(chǎn)生所謂的“橘子皮〞；易于黏模的材料會擦傷工件并降低模具壽命。此外，模具間隙不均勻、模具外表粗糙等也會擦傷沖件外表，從而影響工件外表的質(zhì)量。1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

板料的沖壓成形性能是通過試驗來確定的。板料沖壓成形性能的試驗方法很多，但概括起來可分為直接試驗和間接試驗兩類。在直接試驗中，板料的應力狀態(tài)和變形情況與實際沖壓時根本相同，試驗所得結(jié)果比較準確。而在間接試驗中，板料的受力情況和變形特點都與實際沖壓時有一定的差異，所得結(jié)果只能在分析的根底上間接地反映板料的沖壓成形性能。1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

1. 間接試驗間接試驗有拉伸試驗、剪切試驗、硬度試驗和金相試驗等。其中拉伸試驗簡單易行，無需專用板料試驗設備，而且所得的結(jié)果能從不同角度反映板料的沖壓性能，所以它是一種很重要的試驗方法。板料拉伸試驗的方法是：在待試驗的板料的不同部位和方向上截取試料，制成如圖1-8所示的標準拉伸試樣，然后在萬能材料試驗機上進行拉伸。拉伸過程中，應注意加載速度不能過快，開始拉伸時可按5mm/min以下的速度加載，開始屈服時應進行間斷加載，并隨時記錄載荷大小和試樣截面尺寸。當開始出現(xiàn)縮頸后宜改用手動加載，并爭取記錄載荷及試樣截面尺寸1~2次。根據(jù)試驗結(jié)果或利用自動記錄裝置可繪得板料拉伸時的實際“應力-應變曲線〞及假象“應力-應變曲線〞(即拉伸曲線，如圖1-9所示)。1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

圖1-8拉伸試驗用標準試樣1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

圖1-9實際曲線與假象曲線1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

2. 直接試驗直接試驗(又稱模擬試驗)是直接模擬某一種沖壓方式進行的，故試驗所得的結(jié)果能較為可靠地鑒定板料的沖壓成形性能。直接試驗的方法很多，下面簡要介紹幾種較為重要的試驗方法。1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

(1) 彎曲試驗彎曲試驗的目的是鑒定板料的彎曲性能。常用的彎曲試驗是往復彎曲試驗，如圖1-10所示，將試樣夾持在專用試驗設備的鉗口內(nèi)，反復折彎直至出現(xiàn)裂紋。彎曲半徑越小，往復彎曲的次數(shù)越多，材料的成形性能就越好。這種試驗主要用于鑒定厚度在2mm以下的板料。(2) 脹形試驗鑒定板料脹形成形性能的常用試驗方法是杯突試驗，試驗原理如圖1-11所示。試驗時將符合試驗尺寸的板料試樣2放在壓料圈4與凹模1之間壓緊，使凹?？卓谕馐軌壕植康陌辶蠠o法流動。然后用試驗規(guī)定的球形凸模3將試樣壓入凹模，至試樣出現(xiàn)裂紋為止，測量此時試樣上的凸包深度IE作為脹形性能指標。IE值越大，那么板料的脹形性能越好。(3) 拉深試驗鑒定板料拉深成形性能的試驗方法主要有筒形件拉深試驗和球底錐形拉深試驗兩種。如圖1-12所示為筒形件拉深試驗(又稱沖杯試驗)的原理，依次用不同直徑的圓形試樣(直徑級差為1mm)放在帶壓邊裝置的試驗用拉深模中進行拉深，在試樣不裂的條件下，取可能拉深成功的最大試樣直徑Dmax與凸模直徑dp的比值Kmax作為拉深性能指標。即：Kmax=Dmax/dpKmax稱為最大拉深程度。Kmax越大，那么板料的拉深成形性能越好。1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

圖1-10往復彎曲試驗1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

圖1-11脹形試驗(杯突試驗)1—凹模；2—試樣；3—球形凸模；4—壓料圈1.3.2板料的沖壓成形性能試驗

圖1-12筒形件拉深試驗(沖杯試驗)1.3.3對沖壓材料的根本要求沖壓所用的材料不僅要滿足沖壓件的使用要求，還應滿足沖壓工藝的要求和后續(xù)加工(如切削加工、電鍍、焊接等)的要求。沖壓工藝對材料的根本要求主要有如下幾個方面。(1) 具有良好的沖壓成形性能(2) 具有較高的外表質(zhì)量(3) 材料的厚度公差應符合國家標準1.3.3對沖壓材料的根本要求1. 沖壓常用的材料沖壓生產(chǎn)中最常用的材料是金屬材料(包括黑色金屬和有色金屬)，但有時也用非金屬材料。其中黑色金屬主要有普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、不銹鋼、電工硅鋼等；有色金屬主要有純銅、黃銅、青銅、鋁等；非金屬材料有紙板、層壓板、橡膠板、塑料板、纖維板和云母等。1.3.3對沖壓材料的根本要求2. 沖壓材料的合理選用沖壓材料的選用要考慮沖壓件的使用要求、沖壓工藝要求及經(jīng)濟性等。(1) 按沖壓件的使用要求合理選材所選材料應能使沖壓件在機器或部件中正常工作，并具有一定的使用壽命。為此，應根據(jù)沖壓件的使用條件，使所選材料滿足相應的強度、剛度、韌性及耐蝕性和耐熱性等方面的要求。(2) 按沖壓工藝要求合理選材對于任何一種沖壓件，所選的材料都應該能夠按照其沖壓工藝的要求，穩(wěn)定地成形出不至于開裂或起皺的合格產(chǎn)品，這是最根本也是最重要的選材要求。為此可用以下方法合理選材。① 試沖。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗及可能條件，選擇幾種根本能滿足沖壓件使用要求的板料進行試沖，最后選擇沒有開裂或皺褶的、其廢品率低的一種。這種方法結(jié)果比較直觀，但帶有較大的盲目性。② 分析與比照。在分析沖壓變形性質(zhì)的根底上，把沖壓成形時的最大變形程度與板料沖壓成形性能所允許采用的極限變形程度進行比照，并以此作為依據(jù)，選取適合于該種零件沖壓工藝要求的板材。1.3.3對沖壓材料的根本要求另外，同一種牌號或同一厚度的板材還有冷軋和熱軋之分，我國國產(chǎn)板材中，厚板(t>4mm)為熱軋板，薄板(t<4mm)為冷軋板(也有熱軋板)。與熱軋相比，冷軋板尺寸精確，偏差小，外表缺陷少，光亮，內(nèi)部組織致密，沖壓性能更優(yōu)。冷軋和熱軋根據(jù)軋制方法不同又分為連軋與往復軋，一般來說，連軋鋼板的縱向和橫向性能差異較大，纖維的方向性比較明顯，各向異性大；單張往復軋制時，鋼板的各向均有相近程度的變形，故鋼板的縱向和橫向性能差異較小，沖壓性能更好。此外，板料出廠或供貨的性能狀態(tài)也有不同，一般分為軟(M)、半硬(Y2)、硬(Y)和特硬(T)四種狀態(tài)，性能狀態(tài)不同，其力學性能是有差異的。(3) 按經(jīng)濟性要求合理選材所選材料應在滿足使用性能及沖壓工藝要求的前提下，盡量使材料的價格低廉，來源方便，經(jīng)濟性好，以降低沖壓件的本錢。1.4沖壓設備1.4.1曲柄壓力機的用途和分類1.4.2曲柄壓力機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)1.4.4曲柄壓力機的型號1.4沖壓設備1.4.1曲柄壓力機的用途和分類

壓力機是用來提供動力和運動的設備，以便對模具中的材料實現(xiàn)壓力加工。曲柄壓力機屬于機械傳動類壓力機，是重要的壓力加工設備，能完成各種沖壓工藝，直接生產(chǎn)出半成品或制品。因此，曲柄壓力機在汽車、農(nóng)用機械、電器、儀表、電子、醫(yī)療機械、國防、航空航天以及日用品等工業(yè)部門得到了廣泛的應用。

1.4.2曲柄壓力機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

盡管曲柄壓力機類型眾多，但其工作原理和根本組成是相同的，本節(jié)主要介紹常用曲柄壓力機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成。圖1-14中所示的開式雙柱可傾式壓力機的運動原理如圖1-20所示。其工作原理如下。電動機1的能量和運動通過帶傳動傳遞給中間傳動軸4，再由齒輪5和6傳動給曲軸9，經(jīng)連桿11帶動滑塊12作上下直線移動。因此，曲軸的旋轉(zhuǎn)運動通過連桿變?yōu)榛瑝K的往復直線運動。將上模13固定于滑塊上，下模14固定于工作臺墊板15上，壓力機便能對置于上、下模間的材料加壓，依靠模具將其沖成工件，實現(xiàn)壓力加工。由于工藝需要，曲軸兩端分別裝有離合器7和制動器10，以實現(xiàn)滑塊的間歇運動或連續(xù)運動。壓力機在整個工作周期內(nèi)有負荷的工作時間很短，大局部時間為空程運動。為了使電動機的負荷均勻和有效地利用能量，在傳動軸端裝有飛輪，起到儲能作用。該機上的大帶輪3和大齒輪6均起飛輪的作用。1.4.2曲柄壓力機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

圖1-20雙柱可傾式壓力機運動原理圖(JC23—63)1—電動機；2—小帶輪；3—大帶輪；4—中間傳動軸；5—小齒輪；6—大齒輪；7—離合器；8—機身；

9—曲軸；10—制動器；11—連桿；12—滑塊；13—上模；14—下模；15—墊板；16—工作臺1.4.2曲柄壓力機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

從上述工作原理可以看出，曲柄壓力機一般由以下幾個局部組成。(1) 工作機構(gòu)：一般為曲柄滑塊機構(gòu)，由曲軸、連桿、滑塊、導軌等零件組成。其作用是將傳動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動變換為滑塊的往復直線運動；承受和傳遞工作壓力；在滑塊上安裝模具。(2) 傳動系統(tǒng)：包括帶傳動和齒輪傳動等機構(gòu)。將電動機的能量和運動傳遞給工作機構(gòu)，并對電動機的轉(zhuǎn)速進行減速獲得所需的行程次數(shù)。(3) 操縱系統(tǒng)：如離合器、制動器及其控制裝置。用來控制壓力機平安、準確地運轉(zhuǎn)。(4) 能源系統(tǒng)：如電動機和飛輪。飛輪能將電動機空程運轉(zhuǎn)時的能量儲存起來，在沖壓時再釋放出來。(5) 支承部件：如機身，把壓力機所有的機構(gòu)連接起來，承受全部工作變形力和各種裝置的各個部件的重力，并保證整機所要求的精度和強度。此外，還有各種輔助系統(tǒng)和附屬裝置，如潤滑系統(tǒng)、頂件裝置、保護裝置、滑塊平衡裝置、平安裝置等。閉式壓力機外形(見圖1-17)與開式壓力機有很大的差異，但它們的工作原理和結(jié)構(gòu)組成都是相同的。如圖1-21所示為閉式壓力機的運動原理圖，與圖1-20相比較，只是在傳動系統(tǒng)中多了一級齒輪傳動；工作機構(gòu)中曲柄的形式是偏心齒輪式，而不是曲軸式，即由偏心齒輪9帶動連桿擺動，使滑塊作往復直線運動；此外，該壓力機的工作臺下裝有液壓氣墊18，用于拉深時壓料或頂出工件。1.4.2曲柄壓力機的工作原理與結(jié)構(gòu)組成

圖1-21閉式壓力機運動原理圖(J31—315)1—電動機；2—小帶輪；3—大帶輪；4—制動器；5—離合器；6、8—小齒輪；

7—大齒輪；9—偏心齒輪；10—芯軸；11—機身；12—連桿；13—滑塊；

14—上模；15—下模；16—墊板；17—工作臺；18—液壓氣墊1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)曲柄壓力機的技術參數(shù)反映了壓力機的性能指標。現(xiàn)分述如下。1. 標稱壓力Fg以及標稱壓力行程Sg曲柄壓力機的標稱壓力(或稱額定壓力)Fg就是滑塊所允許承受的最大作用力，而滑塊必須在到達下止點前某一特定距離之內(nèi)允許承受標稱壓力，這一特定距離稱為標稱壓力行程(或額定壓力行程)Sg。標稱壓力行程所對應的曲柄轉(zhuǎn)角稱為標稱壓力角(或額定壓力角)α。例如JC23-63壓力機的標稱壓力為630kN，標稱壓力行程為8mm，即指該壓力機的滑塊在離下止點前8mm之內(nèi)，允許承受的最大壓力為630kN。標稱壓力是壓力機的主要技術參數(shù)，我國生產(chǎn)的壓力機標稱壓力已系列化，如160、200、250、315、400、500、630、800、1000、1600、2500、3150、4000、6300kN等。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)2. 滑塊行程如圖1-22中的S，是指滑塊從上止點到下止點所經(jīng)過的距離，等于曲柄偏心量的2倍。它的大小反映出壓力機的工作范圍，行程長，那么能生產(chǎn)高度較高的零件，但壓力機的曲柄尺寸應加大，其他局部也要相應地增大，使設備的造價增加。因此，滑塊行程并非越大越好，應根據(jù)設備規(guī)格大小兼顧沖壓生產(chǎn)時的送料、取件及模具使用壽命等因素綜合考慮來選取。為滿足生產(chǎn)實際需要，有些壓力機的滑塊行程作成可調(diào)節(jié)的。如J11-50壓力機的滑塊行程可在10~90mm之間調(diào)節(jié)，J23-10A、J23-10B壓力機的滑塊行程均可在16~140mm之間調(diào)節(jié)。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)圖1-22壓力機的根本參數(shù)1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)3. 滑塊行程次數(shù)n它是指滑塊每分鐘往復運動的次數(shù)。如果是連續(xù)作業(yè)，它就是每分鐘生產(chǎn)工件的個數(shù)。所以，行程次數(shù)越多，生產(chǎn)率就越高。當采用手動連續(xù)作業(yè)時，由于受送料時間的限制，即送料在整個沖壓過程中所占時間的比例很大，即使行程次數(shù)再多，生產(chǎn)率也不可能很高，比方小件加工最多也不過60~100次/min。所以行程次數(shù)超過一定數(shù)值后，必須配備自動送料裝置，否那么不可能實現(xiàn)較高的生產(chǎn)率。拉深加工時，行程次數(shù)越多，材料變形速度也快，容易造成材料破裂報廢。因此選擇行程次數(shù)時不能單純追求高生產(chǎn)率。目前，在自動化的壓力機中多采用可調(diào)行程次數(shù)，以期到達最正確的工作狀態(tài)。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)4. 最大裝模高度H1及裝模高度調(diào)節(jié)量ΔH1裝模高度是指滑塊在下止點時，滑塊下外表到工作臺墊板上外表的距離。當裝模高度調(diào)節(jié)裝置將滑塊調(diào)整到最高位置時，裝模高度達最大值，稱為最大裝模高度(見圖1-22中的H1)?；瑝K調(diào)整到最低位置時，得到最小裝模高度。與裝模高度并行的參數(shù)尚有封閉高度。所謂封閉高度是指滑塊在下止點時，滑塊下外表到工作臺上外表的距離，它和裝模高度之差等于工作臺墊板的厚度T。圖1-22中的H是最大封閉高度。裝模高度和封閉高度均表示壓力機所能使用的模具高度。模具的閉合高度應該小于壓力機的最大裝模高度或最大封閉高度。裝模高度調(diào)節(jié)裝置所能調(diào)節(jié)的距離，稱為裝模高度調(diào)節(jié)量ΔH1。裝模高度及其調(diào)節(jié)量越大，對模具的適應性也越大，但裝模高度大，壓力機也隨之增高，且安裝高度較小的模具時，需附加墊板，給使用帶來不便。同時，裝模高度調(diào)節(jié)量越大，連桿長度越長，剛度會下降。因此，只要能夠滿足使用要求，就沒有必要使裝模高度及其調(diào)節(jié)量過大。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)5. 工作臺板及滑塊底面尺寸它是指壓力機工作空間的平面尺寸。工作臺板(墊板)的上平面用“左右×前后〞的尺寸表示，如圖1-22中的L×B所示?；瑝K下平面也用“左右×前后〞的尺寸表示，如圖1-22中的a×b所示。在閉式壓力機中，其滑塊尺寸和工作臺板的尺寸大致相同，而開式壓力機滑塊的下平面尺寸小于工作臺板的尺寸。所以，開式壓力機所用模具的上模外形尺寸不宜大于滑塊下平面尺寸，否那么，當滑塊在上止點時，可能造成上模與壓力機導軌干預。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)6. 工作臺孔尺寸工作臺孔尺寸L1×B1(左右×前后)、D1(直徑)，如圖1-22所示，用作向下出料或安裝頂出裝置的空間。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)7. 立柱間距A和喉深C立柱間距A是指雙柱式壓力機立柱內(nèi)側(cè)面之間的距離。對于開式壓力機，其值主要關系到向后側(cè)送料或出件機構(gòu)的安裝。對于閉式壓力機，其值直接限制了模具和加工板料的最寬尺寸。喉深是開式壓力機特有的參數(shù)，它是指滑塊中心線至機身的前前方向的距離，如圖1-22中的C所示。喉深直接限制加工件的尺寸，也與壓力機機身的剛度有關。1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數(shù)8. 模柄孔尺寸模柄孔尺寸d×l是“直徑×孔深〞，沖模模柄尺寸應和模柄孔尺寸相適應。大型壓力機沒有模柄孔，而是開設T形槽，以T形槽螺釘緊固上模。1.4.4曲柄壓力機的型號

按照鍛壓機械型號編制方法(JB/GQ2003—84)的規(guī)定，曲柄壓力機的型號用漢語拼音字母、英文字母和數(shù)字表示，例如JC23-63A型號的意義是：對型號的表示方法說明如下。第一個字母為類代號，用漢語拼音字母表示。在JB/GQ2003