1、沖壓模具設計與制造基礎沖壓模具設計與制造基礎第一章沖壓模具設計與制造基礎 沖壓-是在室溫下，利用安裝在壓力機上的模具對材 料施加壓力，使其產生分離或塑性變形，從而獲得所需零件 的一種壓力加工方法。沖壓模具-在冷沖壓加工中，將材料（金屬或非金屬）加 工成零件（或半成品）的一種特殊工藝裝備，稱為冷沖壓模 具（俗稱冷沖模）。在沖壓零件的生產中，合理的沖壓成形工藝、先進的模 具、高效的沖壓設備是必不可少的三要素，如圖1.1 .1所示.沖壓工藝分類 沖壓加工因制件的形狀、 尺寸和精度的不 同，所采用的工序也不同。根據材料的變形特點可將冷沖壓工序分為分離工序和成 形工序兩類。分離工序一一是指坯料在沖壓力作

2、用下，變形部分的應 力達到強度極限 b b以后，使坯料發生斷裂而產生分離。分離工序主要有剪裁和沖裁等。成形工序一一是指坯料在沖壓力作用下，變形部分的應力達到屈服極限但未達到強度極限bU使坯料產生塑性變形，成為具有一定形狀、尺寸與精度制件的加工工序。成形工序主要有彎曲、拉深、翻邊、旋壓等。有關沖壓工序的詳細分類與特征，見表1.1.1和表1 .1.2沖壓模具分類 沖壓模具是沖壓生產必不可少的工藝裝備，是技術密集型產品。沖壓件的質量、生產效率以及生產成本等，與模具設計和 制造有直接關系。模具設計與制造技術水平的高低，是衡量一個國家產品制 造水平高低的重要標志之一，在很大程度上決定著產品的質 量、效益

3、和新產品的開發能力。沖壓模具的形式很多，一般可按以下幾個主要特征分類：1 .根據工藝性質分類(1 )沖裁模 沿封閉或敞開的輪廓線使材料產生分離的模具。如落料模、沖孔模、切斷模、切口模、切邊模、剖切模等。(2)彎曲模 使板料毛坯或其他坯料沿著直線 (彎曲線) 產生彎曲變形，從而獲得一定角度和形狀的工件的模具。(3)拉深模 是把板料毛坯制成開口空心件，或使空心 件進一步改變形狀和尺寸的模具。(4)成形模 是將毛坯或半成品工件按圖凸、凹模的形 狀直接復制成形，而材料本身僅產生局部塑性變形的模具。如脹形模、縮口模、擴口模、起伏成形模、翻邊模、整形 模等。2 .根據工序組合程度分類(1 )單工序模 在壓

4、力機的一次行程中，只完成一道沖壓工序的模具。(2)復合模 只有一個工位，在壓力機的一次行程中，在同一工位上同時完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具3）級進模（也稱連續模）在毛坯的送進方向上，具有兩個或更多的工位，在壓力機的一次行程中，在不同的工位 上逐次完成兩道或兩道以上沖壓工序的模具。壓力機類型的選擇 （1）中、小型沖壓件 選用開式機械壓 力機；（2）大、中型沖壓件 選用雙柱閉式機械壓力機；（3）導板模或要求導套不離開導柱的模具，選用偏心壓力機；形 模等。（4）大量生產的沖壓件 選用高速壓力機或多工位自動壓 力機；（5）校平、整形和溫熱擠壓工序 選用摩擦壓力機；（6） 薄板沖裁、精密沖裁 選用剛

5、度高的精密壓力機；（7）大型、形狀復雜的拉深件 選用雙動或三動壓力機；（8）小批量生產中的大型厚板件的成形工序，多采用液壓壓力機。2.壓力機規格的選擇 （1）公稱壓力 壓力機滑塊下滑過 程中的沖擊力就是壓力機的壓力。壓力的大小隨滑塊下滑的位置不同，也就是隨曲柄旋轉的 角度不同而不同，如圖1.2.4中曲線I所示。壓力機的公稱壓力-我國規定滑塊下滑到距下極點莫一 特定的距離Sp?（此距離稱為公稱壓力行程，隨壓力機不同 此距離也不同，如 JC23-40規定為 7mm,JA31-400規定為 13mm, 一般約為（0.050.07?）滑塊行程）或曲柄旋轉到 距下極點莫一特定角度a （此角度稱為公稱壓力

6、角，隨壓力機不同公稱壓力角也不相同）時，所產生的沖擊力稱為壓力 機的公稱壓力。公稱壓力的大小，表示壓力機本身能夠承受沖擊的大小。壓力機的強度和剛性就是按公稱壓力進行設計的。壓力機的公稱壓力與實際所需沖壓力的關系-沖壓工序中沖壓力的大小也是隨凸模（或壓力機滑塊）的行程而變化的。在圖1.2.4中曲線2、3分別表示沖裁、拉深的實際沖壓力 曲線。從圖中可以看由兩種實際沖壓力曲線不同步，與壓力機許 用壓力曲線也不同步。在沖壓過程中，凸模在任何位置所需的沖壓力應小于壓力機在該位置所發生的沖壓力。圖中，最大拉深力雖然小于壓力機的最大公稱壓力，但大 于曲柄旋轉到最大拉深力位置時壓力機所發生的沖壓力，也 就是拉

7、深沖壓力曲線不在壓力機許用壓力曲線范圍內。故應選用比圖中曲線 1所示壓力更大噸位的壓力機。因此為保證沖壓力足夠，一般沖裁、彎曲時壓力機的噸位應比計算的沖壓力大 30%左右。拉深時壓力機噸位應比計算由的拉深力大60%100%。（7 ）電動機功率的選擇 必須保證壓力機的電動機功率大 于沖壓時所需要的功率。常用壓力機的技術參數可查閱有關手冊。模具安裝在壓力機上安裝與調整模具，是一件很重要的 工作，它將直接影響制件質量和安全生產。因此，安裝和調整沖模不但要熟悉壓力機和模具的結構性 能，而且要嚴格執行安全操作制度。模具安裝的一般注意事項-檢查壓力機上的打料裝置， 將其暫時調整到最高位置，以免在調整壓力機

8、閉合高度時被 折彎；檢查模具閉合高度與壓力機閉合高度之間的關系是否 合理；檢查下模頂桿和上模打料桿是否符合壓力機的除料裝 置的要求（大型壓力機則應檢查氣墊裝置）；模具安裝前應將上下模板和滑塊底面的油污揩拭干凈，并檢查有無遺物， 防止影響正確安裝和發生意外事故。模具安裝的一般順序（指帶有導柱導向的模具）：根據沖模的閉合高度調整壓力機滑塊的高度，使滑塊在 下止點時其底平面與工作臺面之間的距離大于沖模的閉合 高度。先將滑塊升到上止點，沖模放在壓力機工作臺面規定 位置，再將滑塊停在下止點，然后調節滑塊的高度，使其底 平面與沖模座上平面接觸。帶有模柄的沖模，應使模柄進入模柄孔，并通過滑塊上的 壓塊和螺釘

9、將模柄固定住。對于無模柄的大型沖模，一般用螺釘等將上模座緊固在壓力機滑塊上，并將下模座初步固定在壓力機臺面上（不擰緊螺釘）。將壓力機滑塊上調 35mm,開動壓力機，空行程 1 2次，將滑塊停于下止點，固定住下模座。進行試沖，并逐步調整滑塊到所需的高度。如上模有頂桿，則應將壓力機上的卸料螺栓調整到需要的 高度。沖壓材料與沖裁性能沖壓成形是金屬塑性成形加工方法之一，是建立在金屬塑性變形理論基礎上的材料成形工程 技術。要掌握冷沖壓成形加工技術，就必須具有金屬塑性變形理論的基礎知識。在金屬材料中，原子之間作用著相當大的力，足以抵抗 重力的作用，所以在沒有其它外力作用的條件下，金屬物體 將保持自有的形狀

10、和尺寸。彈性變形一-當物體受到外力作用之后，它的形狀和尺寸 將發生變化即變形，變形的實質就是原子間的距離產生變化。假如作用于物體的外力去除后，由外力引起的變形隨之消 失，物體能完全恢復自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱 為彈性變形。塑性變形一-如果作用于物體的外力去除后， 物體并不能完全恢復自己的原始形狀和尺寸，這樣的變形稱為塑性變形。塑性變形和彈性變形都是在變形體不破壞的條件下進行的（即連續性不破壞）通常用塑性表示材料塑性變形能力。塑性-指固體材料在外力作用下發生永久變形而不破 壞其完整性能力。金屬的塑性不是固定不變的，影響它的因素很多，除了金 屬本身的晶格類型、化學成分和金相組織等內在因素

11、之外， 其外部因素 一一變形方式（機械因素即應力狀態與應變狀 態）、變形條件（物理因素即變形溫度與變形速度）的影響 也很大。影響金屬塑性的主要因素如表1.3.1所示。衡量金屬塑性高低的參數稱為塑性指標（延伸率6、斷面收縮率少）。塑性指標-一是以材料開始破壞時的塑性變形量來表示， 它可借助于各種實驗方法測定。目前應用比較廣泛的是拉伸試驗，對應于拉伸試驗的塑性 指標，用延伸率 6和斷面收縮率 ”表示。6和少的數值由下式確定：需要指由，各種試驗方法都是相對于特定的受力狀況和變形條件的，由此所測定的塑性指標， 僅具有相對的比較意義。變形力一-塑性變形時，使金屬產生變形的外力稱為變形力。變形抗力-一金屬

12、抵抗變形的力稱為變形抗力，它反映材料產生塑性變形的難易程度，一般用金屬材料產生塑性變形 的單位變形力表示其大小。金屬受外力作用產生塑性變形后不僅形狀和尺寸發生變 化，而且其內部的組織和性能也將發生變化。一般會產生加工硬化或應變剛現象，即金屬的機械性能， 隨著變形程度的增加，強度和硬度逐漸增加，而塑性和韌性 逐漸降低；晶粒會沿變形方向伸長排列形成纖維組織使材料 產生各向異性；由于變形不均，會在材料內部產生內應力， 變形后作為殘余應力保留在材料內部。彈性模量是材料的剛度指標。彈性模量愈大，在成形過程中抗壓失穩能力愈強，？卸載后彈性恢復愈小，有利于提高零件的尺寸精度。(4)硬化指數n硬化指數n表示材

13、料在冷塑性變形中材 料硬化的強度。n值越大的材料，硬化效應就大，這對于伸長類變形來說 是有利的。因此n值增大，則變形過程中材料局部變形程度的增加會 使該處變形抗力增大，？這樣就可以補償該處因截面積減小而引起的承載能力的減弱，從而制止了局部集中變形的進一 步發展，具有擴展變形區、？使變形均勻化和增大極限變形程度的作用。可以證明，材料的硬化指數 n,其值為細頸點應變 7？所 以硬化指數n愈高，材料均勻變形的能力愈強。沖壓加工所用板料，都是經過軋制的材料。因纖維組織的影響，其縱向與橫向上性能有明顯差異，在不同方向上r值也不相同，因此通常取其平均值。模具材料的選用，不僅關系到模具的使用壽命，而且也 直

14、接影響到模具的制造成本，因此是模具設計中的一項重要 工作。在沖壓過程中，模具承受沖擊負荷且連續工作 ，使凸、凹模 受到強大壓力和劇烈磨擦，工作條件極其惡劣。因此選擇模具材料應遵循如下原則：(1)根據模具種類及其工作條件， 選用材料要滿足使用要求， 應具有較高的強度、硬度、耐磨性、耐沖擊、耐疲勞性等；(2)根據沖壓材料和沖壓件生產批量選用材料；(3)滿足加工要求，應具有良好的加工工藝性能，便于切削加工，淬透性好、熱處理變形小；(4)滿足經濟性要求。模具材料的種類很多，應用也極為廣泛。沖壓模具所用材料主要有碳鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄鋼、硬 質合金、鋼結硬質合金以及鋅基合金、低熔點合金、環氧樹 脂、聚氨

15、酯橡膠等。沖壓模具中凸、凹模等工作零件所用的材料主要是模具鋼，常用的模具鋼包括碳素工具鋼、合金工具鋼、軸承鋼、 高速工具鋼、基體鋼、硬質合金和鋼結硬質合金等（可參見 GB/T699 1999、GB/T1298 1986、GB/T1299 2000、 JB/T5826 1991、JB/T5825 1981、JB/T5827 1991 等）。一表1.4.3是常用冷作模具鋼國內、外牌號對照 模具工 作零件的常用材料及熱處理要求見表1.4.4模具一般零件的常用材料及熱處理要求見表1.4.5模具零件加工常見熱處理方法有退火、調質、淬火、回火、滲碳、氮化等，見表 1.4.6 凸模和凹模加工過程中熱處理工序

16、安排，見表 1.4.7常用機 械加工方法在模具零件加工中的應用如表1.5.1所示。常用機械加工方法可能達到的尺寸精度和表面粗糙度如表 1.5.2表 1.5.3 所7Ko（三）模具零件的電加工1.電火花加工 電火花加工是在一定的介質中，通過工具電極和工件電極之間脈沖放電的電 腐蝕作用，對工件進行加工的一種工藝方法，它是不斷放電 蝕除金屬的過程。其加工原理、特點及應用如表1.5.7所示。電火花加工質量主要受電極制造精度、脈沖放電參數（電規準）、放電間隙、電極損耗的影響，其中電極的設計與制 造是關鍵。（1）電極材料常用電極材料的種類和性能見表1.5.8所示。選擇時應根據加工對象、工藝方法和加工設備條

17、件等因素 綜合考慮，對大中型腔可采用石墨材料電極；中小型腔、窄 槽等可采用純銅電極。(2)電極設計與制造電極必須根據模具結構和精度要求, 考慮電極損耗和放電間隙等因素進行設計。電極結構可分為整體式電極、組合式電極和鑲拼電極三 種，應根據電極大小與復雜程度、電極的結構工藝性等因素 進行選擇。通常電極精度至少應達到 IT7、Ra1.6以解電極加工主要采用切削加工，必要時可再采用電加工。 盡管電火花加工有許多優點，但仍有一定的局限性：需要制作成形電極；只能用于加工金屬等導電材料； 加工速度一般較慢，為了提高加工速度，一般要事先用機械 加工方法對零件進行預加工；存在電極損耗，影響加工精 度；最小角部半

18、徑有限制，一般電火花加工加工能得到的 最小角部半徑等于放電間隙。2.電火花線切割加工 電火花線切割加工和電火花成形 加工的原理是一樣的，都是基于工具電極和工件之間脈沖放 電時的腐蝕現象使金屬熔化或氣化，從而實現對各種形狀金 屬零件的加工。不過在線切割加工時，是用連續移動的電極絲作為工具電 極代替電火花加工中的成形電極，具加工原理、特點及應用如表1.5.11所示 電火花線切割加工的工藝過程如表1.5.12所示。需要特別指由，電火花線切割加工時要注意工件內部殘 余應力對加工的影響，防止變形。對熱處理后的毛坯進行電火花線切割加工時，由于大面積 去除金屬和切斷加工，會使材料內部殘余應力的相對平衡受 到破壞從而產生變形，破壞了加工精度。在線切割過程中，由于內應力的作用，工件可能會突然開 裂。為減少這些情況，應選擇鍛造性能好，淬透性好，熱處理 變形小的材料，如以線切割為主要加工工藝的冷沖模，應盡 量選用CrWMn、Cr12MoV、GCr15等合金鋼制造凸、凹模， 并嚴格熱處理規范；另一方面，也要合理安排電火花線切割 工藝，如選擇合理