現(xiàn)代沖裁工藝及其特點(diǎn).0715

1、現(xiàn)代沖裁工藝及其特點(diǎn)在現(xiàn)代工業(yè)化生產(chǎn)中，利用壓力加工設(shè)備和專用工裝（模具） ，使工件和基體金屬（板 材）分離的加工工藝統(tǒng)稱為沖裁工藝。而沖裁工藝大致可分為三類，即：普通沖裁（簡(jiǎn)稱為 普沖）、高速?zèng)_裁和精密沖裁（簡(jiǎn)稱為精沖） 。以下就三種沖裁工藝及特點(diǎn)分述于后。一、普通沖裁僅就“分離”而言，普通沖裁包含沖裁和剪切兩種工藝方法，而本文所述的“普沖”只 對(duì)沖裁工藝方法進(jìn)行描述。在三種沖裁工藝中， 普沖是始祖， 至今仍被廣泛使用于工業(yè)化大生產(chǎn)中。 當(dāng)代工業(yè)制成 品中的沖壓件的百分之九十以上， 是用普沖工藝生產(chǎn)的。 普沖工藝用途極廣， 它既可以直接 制成平面（板狀）零件，又可以為彎曲、拉深、體積成形等沖

2、壓工序作毛坯準(zhǔn)備。1、變形過程如圖 1-1 所示是沖裁變形過程示意圖。 完成沖裁加工的專用工裝稱為沖模， 而沖模的主 要工作部件是凸模和凹模，二者之間有單面間隙C（雙面間隙則為 2C），被沖裁材料置于凹模之上，在外力的作用下，凸模壓入材料并不斷下降，使材料發(fā)生變形。其變形過程大致經(jīng) 歷了彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂階段。圖 1-1 沖裁變形過程第一階段 彈性變形作用在材料上的荷載較小，且小于材料的流動(dòng)極限，此時(shí)，若取消外力， 材料可以恢復(fù) 原來的狀態(tài)。處于此階段的材料，在凹模輪廓范圍以內(nèi)，有被擠入“洞口”的趨勢(shì)，且呈鍋 底狀彎曲；而凹模輪廓范圍以外，則呈直邊翹曲；凸、凹模的間隙越大，材料在

3、變形過程中 的彎曲和翹曲的趨勢(shì)則越嚴(yán)重。第二階段 塑性變形當(dāng)施加在材料上的荷載超過材料的流動(dòng)極限（屈服點(diǎn)）時(shí)，材料進(jìn)入塑性變形階段，在 此階段，材料的加工硬化和塑性變形同時(shí)存在。此時(shí)，材料和凸模接觸的面積由初始的 （凸 模）擠壓輪廓線向擠壓輪廓環(huán)（帶）轉(zhuǎn)變，隨著作用在材料上的荷載的繼續(xù)增加，擠壓輪廓 環(huán)寬也不斷增加。同時(shí)，材料則沿凸模運(yùn)動(dòng)方向，在凸、凹模刃口（側(cè)面）區(qū)域主要發(fā)生塑 性剪切， 但由于凸、 凹模之間存在著間隙， 在此變形過程中材料纖維組織還存在著彎曲和拉 伸變形，凸、凹模間隙越大，彎曲和拉伸變形的趨勢(shì)越嚴(yán)重。隨著塑性變形程度的增加，變 形區(qū)材料的加工硬化亦不斷增加， 施加于材料上的

4、荷載也相應(yīng)增加， 塑性剪切面積則逐漸減 少。當(dāng)施加于塑性剪切面上的荷載等于材料的剪切強(qiáng)度時(shí)， 在材料剪切面區(qū)域便出現(xiàn)微裂紋， 當(dāng)作用于材料上的外力達(dá)到最大值時(shí)，塑性變形階段便終止了。第三階段 斷裂塑性變形階段結(jié)束后， 凸、 凹模在外力作用下繼續(xù)相向運(yùn)動(dòng)， 凸模壓入材料的深度和材 料進(jìn)入凹模的厚度不斷增加， 剪切面積不斷減少， 材料在凸、 凹模刃口側(cè)面處產(chǎn)生的微裂紋 沿最大切應(yīng)力方向， 向材料深層不斷擴(kuò)展，當(dāng)上、 下裂紋相互重合時(shí)， 處于凸模下的材料和 基體材料便發(fā)生分離，即斷裂實(shí)現(xiàn)了。2、剪切區(qū)受力狀態(tài)沖裁時(shí)，材料被置于凸、 凹模之間， 凸、 凹模在沖裁設(shè)備的作用下施力于材料并使之變 形，直到

5、工件和材料完全分離。其沖裁過程是典型的剪切變形過程。圖 1-2 模具刃口處作用于材料上的力如圖 1-2 所示：沖裁時(shí)，材料受到以下外力的作用：在模具刃口（輪廓）處受到凸模和 凹模端面的正壓力 Pd、Po作用，受到凸模、凹模輪廓水平側(cè)壓力Fd、 Fo作用，受到凸、凹模端面（水平）摩擦力 uPd、uPo作用，還受到凸、凹模側(cè)面（垂直）摩擦力uFd、uFo作用；除此之外，由于（ 1）凸、凹模有間隙 C，（ 2）材料在發(fā)生斷裂前其厚度雖有改變，但厚度 始終存在。在凸、凹模端面正壓力作用下，有使材料發(fā)生鍋底狀彎曲的彎矩 M 存在；同時(shí) 在摩擦力的作用下，有使材料產(chǎn)生校平趨勢(shì)的抗彎矩Mf存在。諸外力（包括

6、彎矩）同時(shí)作用的結(jié)果是：模具（凸、凹模端面如圖1-2 所示）和材料在擠壓輪廓環(huán)范圍內(nèi)、外，始終保持接觸，而模具（凸、凹模）作用于材料上的（垂直）壓應(yīng) 力呈不均勻分布，越靠近模具刃口，壓應(yīng)力越大。材料在沖裁時(shí)的剪切變形區(qū)是以凸、 凹模刃口連線為中心的區(qū)域， 如圖 1-3 中陰影區(qū)域 所示：圖 1-3 剪切變形區(qū)在此區(qū)域，材料的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)接近于純剪切。但在大多數(shù)情況下，材料的變形除了 剪切外，還有彎曲、 拉伸變形存在， 所以材料在剪切區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)是十分復(fù)雜的。 而僅僅在 圖 1-3 中的 a 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)才如圖 1-4 所示（點(diǎn)受到三向壓應(yīng)力作用） ：圖 1-4 a 點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)純剪切時(shí)的應(yīng)力

7、狀態(tài)應(yīng)滿足： 1 = 3即：僅當(dāng)兩主應(yīng)力的絕對(duì)值相等時(shí)，材料才會(huì)進(jìn)入或處在純剪切應(yīng)力狀態(tài)。完全滿足此條件的應(yīng)力狀態(tài)在普沖時(shí)，是很難實(shí)現(xiàn)的。因此，在沖裁的整個(gè)過程中材料的變形都始終存在著其它形式，如：彎曲和拉伸。普通沖裁零件的剪切（沖裁）斷面具備以下特征，即：塌（圓）角、光亮帶、斷（撕）裂帶、毛刺。如圖 1-5 剪切（沖裁）斷面特征圖 所示：圖1-5 剪切 （沖裁 ）斷面特征圖3、模具結(jié)構(gòu)如圖 1-6 沖裁模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖所示圖 1-6 沖裁模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖沖裁模主要由兩部份組成，即：模架，包括上、下模座、導(dǎo)柱導(dǎo)套、模柄等；模具工作 部件，包括凸模、凹模、墊板、卸料板、定位銷等。沖裁件的尺寸精度通常為 IT

8、10 13。在沖壓設(shè)備選定后，零件的實(shí)際精度主要取決于 沖裁模的設(shè)計(jì)和制造精度， 而沖模的精度又取決于模具的導(dǎo)向精度、 模具部件的的制造精度 和凸、凹模的實(shí)際間隙。模具間隙和被沖裁板料厚度 （t）關(guān)系直接， 同時(shí)和被沖裁板料的材質(zhì)、 硬度、 和普通沖裁 件使用場(chǎng)合（或行業(yè)）亦有關(guān)聯(lián)。凸、凹模的雙面間隙（即：2C）和材料厚度的關(guān)系，通常情況在 （4 14）%t 范圍內(nèi)選取。 一般規(guī)律是： 零件精度越高， 模具間隙越??； 材料越軟， 模具間隙越小。4、常用設(shè)備用于普通沖裁的設(shè)備主要是： 機(jī)械壓力機(jī)和液壓機(jī)， 而最常見的則是普通沖床。 這類設(shè) 備的顯著特點(diǎn)是：（ 1）壓力機(jī)滑塊的運(yùn)行速度（或者說工作

9、頻率）較低，每分鐘運(yùn)行次數(shù)不大于200 次 ,而最常見的則在 100 次/min, 以下；（2）設(shè)備的荷載能力自小至大全覆蓋，沖裁板料的厚度范圍基本上無局限（即：薄、 中、厚板均可加工） ；（3）設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用和維護(hù)；（4）設(shè)備購(gòu)置和使用成本低廉；（5）對(duì)小荷載的沖裁加工，通常采用人工手工送料來完成普通沖裁；（6）多使用單工位模。伴隨著近代大規(guī)模集成電路為代表的微電子產(chǎn)業(yè)、 計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代辦公通訊設(shè)備制造業(yè)及 微電機(jī)行業(yè)的興起，為了滿足高速、連續(xù)、自動(dòng)沖壓生產(chǎn)的需要，高速?zèng)_裁工藝在 20 世紀(jì) 后期得到了快速發(fā)展。高速?zèng)_裁， 使用的設(shè)備是高速精密機(jī)械壓力機(jī)，亦稱高速?zèng)_床。高速?zèng)_裁時(shí)，材料

10、的變 形過程和剪切區(qū)的受力狀態(tài)和普通沖裁相似。具以下特點(diǎn)：（1）壓力機(jī)的沖裁速度很高，其滑塊的運(yùn)行速度在200次/min 以上，目前已知的最快運(yùn)行速度已達(dá)到 3000 次/min ；（2）材料在沖裁過程中加工硬化明顯，因此變形抗力顯著增加；（ 3）目前設(shè)備的荷載能力在 4000KN 以下，沖裁板厚多局限于 3mm 以下（即：薄板） 或者硬度較低的材料；（4）設(shè)備的剛性和精度大幅提高；（5）采用高精度送料裝置；（ 6）成套裝備購(gòu)置和使用成本較貴；（7）模具均為多工位級(jí)進(jìn)模；（8）模具凸、凹模間隙選擇合適、被沖裁材料厚度較薄時(shí)，可以獲得全光亮剪切斷面 的沖裁件；（ 9）可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量

11、穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高；（ 10）特別特別適合使用材料厚度較薄、 品種單一、批量大的產(chǎn)品的生產(chǎn)， 例如電機(jī)制 造行業(yè)的硅鋼片的生產(chǎn)。三、精密沖裁精密沖裁簡(jiǎn)稱為精沖， 通常包含： 厚板強(qiáng)力壓板精沖、 厚板對(duì)向凹模精沖和厚板平面壓 邊精沖。 精沖是一種典型的無切屑精密成型加工方法。和普通沖壓加工相比， 由于其沖裁件可形成 100%的光亮帶表面。因此，精沖工藝加工非（軸）對(duì)稱和異型輪廓（如平面凸輪、 棘輪、鏈輪、鏈條、齒條、齒輪等）零件時(shí)，具有加工尺寸精度高、平整度（平面度）好、 表面光潔度高、提高零件的機(jī)械性能（如表面硬度）和加工效率等優(yōu)點(diǎn)；不僅如此，精沖工 藝還可以改變或替代一些傳統(tǒng)的加工工藝方法，如

12、替代線切割、電火花、銑、插（床）、鑄 造、粉末冶金加工等。 用于強(qiáng)力壓板精沖的唯一專用設(shè)備稱為精沖機(jī)。 精沖機(jī)除了實(shí)現(xiàn)精沖 功能外， 還必須配置有自動(dòng)送料機(jī)構(gòu)和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)，以保證精沖機(jī)快速、 有效地實(shí)現(xiàn)精沖過程。厚板精沖技術(shù)的出現(xiàn)始于 20 世紀(jì) 20 年代。 精沖技術(shù)伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展， 在機(jī) 械、電子、汽車和軍事工業(yè)得到廣泛的使用。現(xiàn)今，精沖件的品種、尺寸形狀、材料厚度和力學(xué)性能等都有了很大的提高。迄今，全世界大約有 45 個(gè)國(guó)家采用精沖技術(shù)，生產(chǎn)的精沖 零件約 10000 種，精沖機(jī)擁有量約 4000 臺(tái)左右。為了滿足我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)特別是汽車行 業(yè)，生產(chǎn)均衡性、質(zhì)量可靠性和加工

13、經(jīng)濟(jì)性的要求，厚板精沖使用技術(shù) （包括精沖機(jī)的設(shè)計(jì) 及制造技術(shù)、 精沖工藝設(shè)計(jì)和精沖模具設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、 精沖零件的生產(chǎn)使用技術(shù)等） 近年 來在我國(guó)得到了快速發(fā)展。以厚板強(qiáng)力壓板精沖為例進(jìn)行分析：1、變形過程分別表述的是： 精沖機(jī)滑塊起始位如圖 3-1-1 至 3-1-5 所示， 是厚板精沖工藝示意圖，置、精沖模閉合、精沖結(jié)束、工件和廢料頂出、送料及進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。圖 3-1-1 精沖機(jī)滑塊起始位置圖 3-1-2 精沖模閉合圖 3-1-3 精沖結(jié)束圖 3-1-4 工件和廢料頂出圖 3-1-5 送料進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)和普沖和高速?zèng)_裁不同，精沖時(shí)，材料在剪切區(qū)的變形自始至終都是塑性變形。如圖

14、3-2-1 及 3-2-2 所示。圖 3-2-1 材料在精沖時(shí)的初始狀態(tài)圖 3-2-2 凸模壓入材料（材料進(jìn)入凹模）的狀態(tài)圖中 A 點(diǎn)是精沖材料和凸模刃口（是凸模刃口輪廓線上無數(shù)個(gè)點(diǎn)的代表）的接觸點(diǎn)， C 點(diǎn)是精沖材料和凹模刃口（是凹模刃口輪廓線上無數(shù)個(gè)點(diǎn)的代表）的接觸點(diǎn)；同樣 B、 D 兩 點(diǎn)分別是精沖材料和反壓板和齒圈壓板的接觸點(diǎn)。 ABCD形成的矩形區(qū)域是精沖時(shí)精沖材料 的塑性變形區(qū)，區(qū)是塑性變形傳導(dǎo)區(qū)，區(qū)則是彈性變形區(qū)。如圖 3-2-1 所示：精沖伊始，精沖材料被凸模、凹模、齒圈壓板和反壓板牢牢地限制在 齒圈輪廓線內(nèi)， 在此范圍內(nèi)的材料承受靜水壓力（三向壓應(yīng)力）作用， 而有利于提高材料

15、的 塑性。此時(shí) A、C兩點(diǎn)連線的數(shù)值最大。 隨著凸模逐漸壓入精沖材料 （或者說材料進(jìn)入凹模） ， ABCD矩形塑性變形區(qū)便演變成一個(gè)平行四邊形的塑性變形區(qū)（如圖 3-2-2 所示），A 點(diǎn)以下、C點(diǎn)以上的區(qū)域已完成了塑性變形。在此變形過程中，塑性變形區(qū)的材料同時(shí)轉(zhuǎn)移到區(qū)域以 外的已變形區(qū)。而 A、 C兩點(diǎn)的連線則逐漸變短，塑性變形將在連線變短了的區(qū)域內(nèi)繼續(xù)進(jìn) 行，材料轉(zhuǎn)移現(xiàn)象則持續(xù)發(fā)生， 當(dāng)連線長(zhǎng)度變成零時(shí)，塑性變形區(qū)的材料轉(zhuǎn)移全部完成，精 沖過程便結(jié)束了。2、變形區(qū)的受力狀態(tài)如上所述，精沖時(shí)，精沖（件）材料被精沖模具的工作部件（凸模、凹模、齒圈壓板、 反壓板等）限制在齒圈輪廓線內(nèi)，在整個(gè)塑性

16、變形區(qū)（圖 3-2-1 中 ABCD矩形區(qū)域內(nèi)）作用 于材料上的應(yīng)力狀態(tài)均為壓應(yīng)力 （普沖時(shí)這僅是一個(gè)特定點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)， 除此之外的所有區(qū) 域的應(yīng)力狀態(tài)是壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均存在） ，當(dāng)然還存在著剪應(yīng)力。如圖 3-3 所示：圖 3-3 塑性變形區(qū)域材料的應(yīng)力狀態(tài)3、模具結(jié)構(gòu)圖 3-1-1 所示是精沖模（除了精沖模架外的）工作部位的主要構(gòu)件。和普沖模相比， 除了模架要求精度高、剛性好外，為了在精沖時(shí)使變形區(qū)的材料能建立起三向壓應(yīng)力狀態(tài)， 所以特別增加了類似于齒圈壓板和反壓板的特殊構(gòu)件。精沖模凸、 凹模的（雙面）間隙通常 按材料厚度的 01%選取。4、常用設(shè)備用于厚板精沖件生產(chǎn)的專用設(shè)備稱為精沖機(jī)，

17、至今有機(jī)械式全自動(dòng)和全自動(dòng)液壓兩種精 沖機(jī)被廣泛使用于工業(yè)化生產(chǎn)中。前者荷載能力一般小于2500KN，后者的荷載能力通常大于 1600KN。 2000 年以前，我國(guó)企業(yè)擁有的精沖機(jī)，幾乎全部是進(jìn)口產(chǎn)品。那時(shí)，精沖機(jī)的 購(gòu)置和使用維修成本都很高。 因此有企業(yè)便采用通用壓力機(jī)加裝精沖液壓輔助系統(tǒng)， 以代替 價(jià)格昂貴的進(jìn)口精沖機(jī)， 生產(chǎn)精沖零件。 近十年來， 武漢華夏精沖技術(shù)有限公司和黃石鍛壓 設(shè)備有限公司， 在全自動(dòng)液壓精沖機(jī)的設(shè)計(jì)和制造方面卓有成效， 其產(chǎn)品性能和進(jìn)口精沖機(jī) 相當(dāng)， 而價(jià)格則大大低于進(jìn)口產(chǎn)品。 目前， 這兩家公司已經(jīng)成為我國(guó)精沖機(jī)產(chǎn)品的主流供應(yīng) 商。隨著性能穩(wěn)定、 價(jià)格合理、 服

18、務(wù)周到的國(guó)產(chǎn)精沖機(jī)和厚板精沖技術(shù)的日益普及，厚板精 沖技術(shù)在我國(guó)大工業(yè)中一定會(huì)得到廣泛使用。三種沖裁工藝方法特點(diǎn)的比較附于表 1 中。表 1 三種沖裁工藝方法特點(diǎn)對(duì)照表技術(shù)特征普沖高速精沖1、材料分離形式剪切（伴隨有彎曲和拉伸） 變 形剪切變形剪切變形2、應(yīng)力狀態(tài)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力共存壓應(yīng)力和拉應(yīng)力共存三向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力共存3、加工材料厚度薄、中、厚不局限薄板 3 mm中、厚板 20 mm4、沖壓材料無要求冷軋板 /表面光潔塑性好（球化處理）5、設(shè)備使用設(shè)備通用壓力機(jī)高速?zèng)_床精沖機(jī)沖裁效率 200 次 /min2003000次/min 200 次/min送料方式手工 +自動(dòng)全自動(dòng)全自動(dòng)設(shè)備成本低高最高6、工件品質(zhì)尺寸精度I