第1章 综 论
1.1 冲压的定义冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力)，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(不用加热，显然处于再结晶温度以下)，故也称为冷冲压。
锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料)，必须考虑长、宽、高3个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。基于通常要施加一定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工；金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上，将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件)，可称为二次塑性加工。20世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。
冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的3个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。
1.2 冲压工序分类为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同，冲压工序的种类有很多。冲压工艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件/半成品沿一定的轮廓相互分离；成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料/工序件/半成品发生塑性变形，成为所需制件。各工序简介见表1.1及表1.2。
冲压生产除了基本工序外，还会涉及其他工序，如接合工序(如铆接等)、装配工序、修饰包装工序，等等，由于篇幅所限，本书不作展开。
表1.1 冲压工艺中的分离工序工序名称
示 意 图
说 明
落料
分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为制件，轮廓外为废料，用于加工各种形状的平板型制件
续表工序名称
示 意 图
说 明
冲孔
分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为废料，轮廓外为制件，用于在制件上加工各种形状的孔，落料与冲孔合称为冲裁
切断(剪切)
分离轮廓为不封闭曲/直线，用于将板料裁切成长条或加工成形状简单的平板型制件
修边(切边)
在工序件/半成品的曲/平面上沿内/外轮廓修切，以获得规则整齐的棱边、光洁的剪切面和较高的尺寸精度
剖切
将整体成形得到的工序件/半成品切开成数个制件，多用于不对称制件成组成形之后的分离
切口
将制件沿不封闭的轮廓部分地分离，并使部分板料产生弯曲变形
表1.2 冲压工艺中的成形工序工序名称
示 意 图
说 明
弯曲(压弯)
将坯料/型材/工序件/半成品沿直线压弯成具有一定曲率和角度的制件
辊弯
沿直线用辊子(2~4个)实现板料的逐步弯曲变形，一般用卷板机完成
卷弯
把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
续表工序名称
示 意 图
说 明
辊形
(纵向辊弯)
用多对成形辊，沿纵向使带料逐渐弯曲变形
拉弯
在施加拉力的条件下实现弯曲变形
扭曲
将工序件/半成品的一部分相对于另一部分在某个面上扭转一定角度
拉深
变形区在一拉一压的应力作用下，使板料/浅的空心坯成形为空心件/深的空心件，而壁厚基本不变。用于将板料外缘全部/部分转移到制件侧壁，使板料成形为皿状制件
翻边
沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘
缩口
将空心/管状工序件或半成品的某个端部的径向尺寸减小
胀形
使板料/空心工序件/半成品的局部变薄，从而使其表面积增大
扩口
将空心/管状工序件或半成品的某个端部的径向尺寸扩大
整形
对坯料/工序件/半成品的局部/整体施加法向接触压力，以提高制件尺寸精度/获得清晰的过渡形状
旋压
在坯料旋转的同时，用一定形状的辊轮施加压力使坯料的局部变形逐步扩展到整体，达到使坯料全部成形的目的。多用于回转体制件的 成形
1.3 冲压工艺的特点及其应用从技术先进性方面看，冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件(如薄壳类件)，且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证，互换性好，品质稳定。
从经济合理性方面看，通过合理设计、优化排样，冲压工艺可以获得很高的材料利用率；既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量，也不像锻造那样需耗能对坯料加热；冲压加工操作比较简单，从而对操作工要求低，有条件时易实现自动化。一般的冲压工艺，生产效率为几件/分至几十件/分，自动化生产可达千件/分以上。
冲压工艺存在的不足之处有，对于批量较小的制件，模具费用使得成本明显增高，所以一般要有经济批量；同时，模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为恼人的噪音和振动，劳动保护措施不到位时，还存在安全隐患。
总体上看，冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其他加工方法无法替代的加工工艺，在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用，表1.3为部分产品中冲压加工零件所占比例。图1.1所示为轿车车身部分冲压制件。
表1.3 各类产品中冲压加工零件所占比例产品
汽车
仪器仪表
电子
电机电器
家用电器
自行车、手表
比例/%
60~70
60~70
＞85
70~80
≤90
＞80
“冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程，学习本课程应注重理论与实践相结合，侧重培养工程实践能力。
图1.1 轿车车身
1—散热器框架；2—前围板；3—前风窗下横梁；4—前风窗上横梁；5—顶盖；6—后风窗上横梁；
7—上边梁；8—后风窗下横梁；9—后围板；10—前横梁；11—副车架；12—前纵梁；13—挡泥板；
14—挡泥板加强撑；15—前座椅横梁；16—地板通道；17—前地板；18—前立柱；19—门槛；
20—中立柱；21—后地板；22—地板后横梁；23—后纵梁；24—后轮罩；25—后翼子板；26—后立柱
1.4 冲压变形的理论基础
1.4.1 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，又能从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，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，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。
金属学研究成果表明，所有的固态金属都是晶体，各种固态金属的晶体结构并不完全相同。工业应用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的金属晶体结构有面心立方结构﹑体心立方结构和密排六方结构。
晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向，每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向的原子间距是不同的。
单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行，最常见的方式为滑移，即晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。一般来说，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。因为沿着原子分布最密的面和方向，滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相同时，金属晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一般说来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。
就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶体的格点上，然而实际晶体总是存在着各种缺陷，引起晶格的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺陷包括位错﹑晶界﹑空位﹑间隙原子和异质原子等。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形有很大的影响，如晶体的滑移变形就是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的金属试样上观察到。
工业上用于塑性成形的金属都是多晶体，组成多晶体的各晶粒类似于单晶体，它们的大小﹑形状﹑位向不同，晶粒之间又有晶界相连，因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。
多晶体的变形，就其中每个晶粒的变形来讲，不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式。但就总体而言，多晶体内还存在着晶粒之间的相对滑动和转动。这种晶粒之间的变形称为晶间变形，所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果。
由于晶粒是靠原子间的吸引力和晶粒间的机械连锁力互相联结的，因此，晶间变形比较困难。晶粒间的滑动即使非常微小，也容易引起晶界处的结构破损，从而导致金属的断裂。晶粒间的转动过程相当复杂，这是由于多晶体中不同位向的各个晶粒既有向有利于晶内滑移的方向转动的趋势，又受到相互牵制的缘故。晶粒转动的现象在粗晶粒的板料冲压成形后可以观察到，这就是冲压件表面显出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。
多晶体的塑性变形还受到晶界的影响。晶界内晶格畸变更甚，晶界的存在使多晶体的强度﹑硬度比单晶体高。多晶体内晶粒愈细，晶界区所占比率也就愈大，金属的强度﹑硬度也就愈高。此外，晶粒愈细，变形愈易分散在许多晶粒内进行，因此变形更为均匀，不易造成应力集中而导致金属破坏，这就是一般的细晶粒金属不仅强度﹑硬度高，而且塑性也较好的原因。
在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都可能发生变化。其中最重要的是加工硬化，随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性﹑韧性下降。同时，由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力，保留在金属内部，致使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自动发生变形甚至开裂。金属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长，使得晶界过剩相沿主变形方向呈条状分布，形成热处理也改变不了的纤维组织。晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小晶粒，即亚晶粒。晶间变形则在晶界造成许多破坏。另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。由于变形织构的形成，使轧制后的板料出现各向异性，即使退火，一般也难以消除。用这种材料经冲压变形得到的制件厚薄不均，口沿不齐，典型表现是在拉深成形的筒形制件口部形成凸耳(参见图1.18)。由此可见，金属塑性变形过程中的这些变化对冲压成形工艺有相当大的影响。
1.4.2 影响塑性及变形抗力的主要因素
1.4.2.1 塑性与变形抗力的概念
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。塑性可用材料在不被破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料，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：金属本身的晶格类型﹑化学成分和金相组织等；变形时的外部条件，如变形温度﹑变形速度以及变形方式等。
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(参见1.4.3节)。
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反映塑性变形的难易程度。
1.4.2.2 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
C对碳钢的性能影响最大。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量愈高，碳钢的塑性愈差。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国家标准(GB 710)加以控制，S的含量不超过0.040%，P的含量控制更严。
(2) 合金元素对钢的塑性变形的影响合金元素加入钢中，不仅改变钢的使用性能，而且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。
表1.4列出了几种主要元素对08钢冲压性能的影响。
表1.4 几种主要元素对08钢冲压性能的影响元素
对冲压性能的影响
C
增加Fe3C的数量，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当Fe3C出现于晶界时，对冲压性能的不利影响更大
Si
溶于铁素体中，强化作用很大，增加强度，降低塑性。含量愈低愈好，深拉深钢板不能用Si脱氧
Mn
直接影响不大，和S形成MnS夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响
P
显著地增加强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，对冲压性能不利
S
硫化物数量、形态和分布对冲压性能有很大影响，数量多、呈细长条状分布的硫化物对冲压不利
Al
是镇静钢的最终脱氧剂，可与N形成氮化铝(AlN)，显著降低钢板的“应变时效”倾向，容易得到“饼形”铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中Al的最佳含量为0.03%~0.05%
注：沸腾钢板平整后存放一段时间，拉伸曲线上会重新出现屈服伸长的现象称为应变时效。
2,组织的影响金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全由化学成分所决定，它还和制造工艺(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。
如前所述，基体为面心立方晶格(Al、Cu、γ-Fe、Ni)塑性最好；体心立方晶格(α-Fe、Cr、W、Mo)塑性次之；密排六方晶格(Mg、Zn、Cd、α-Ti)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，则阻碍晶内滑移变形，显著提高变形能力。
1.4.2.3 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，发生了回复与再结晶。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。温度愈高，热塑性愈大。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。
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。但往往对制件表面造成不利影响。
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。
1.4.2.4 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；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。
1.4.2.5 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板料毛坯，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) 点的应力状态模具对材料施加的外力引起材料内产生内力，一极小面积上的内力F与内力作用面积A比值的极限称为全应力S
S
全应力S可以分解成两个分量，垂直于作用面的叫做正应力，用表示；平行于作用面的叫做剪应力，用表示。
坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。一点的应力状态是通过在该点周围截取的微小六面体——单元体上各个互相垂直面上的应力来表示的，一般可沿坐标方向将这些应力分解成9个应力分量，即3个正应力和6个剪应力(图1.2(a))。但是，由于其中3对剪应力是相等的(=，=，=)，实际上只需要6个应力分量，即3个正应力和3个剪应力，就可以确定该点的应力状态。
必须指出的是，图1.2(a)中的坐标系x，y，z的方向是任意的，如果坐标系选取的方向不同，那么，虽然该点的应力状态没有改变，但是用来表示该点应力状态的9个应力分量就会与原来的数值不同。不过，这些属于不同坐标系的应力量之间是可以用一定的线性关系来换算的。这种关系符合数学上张量的特性，所以点的应力状态可以用张量表示，叫做应力张量。
图1.2 点的应力状态对任何一种应力状态来说，总存在这样一组坐标系，使得单元体表面上只出现正应力，而没有剪应力(图1.2(b))。这时，3个坐标轴称为主轴，3个坐标轴的方向就叫做主方向，3个正应力叫做主应力，一般按其代数值大小依次用，和表示，即≥≥。带正号的为拉应力，带负号的为压应力。3个主应力的作用面称为主平面。实际上，主方向的确定可通过对变形过程的分析近似确定或通过试验确定。以主应力表示应力状态，可以大大简化分析、运算工作。
以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图，称为主应力状态简图，简称主应力图。可能出现的主应力图共有9种，其中两种单向的，3种双向的，4种三向的，如图1.3所示。用主应力图可以帮助人们定性分析各种应力状态下塑性的高低。图1.3自左至右，材料的塑性由好变坏，其中第二行与第一行同列的效果相当。
图1.3 9种主应力图在一般情况下，单元体的3个主方向都有应力，这种应力状态称为三向应力状态。如果3个主应力大小都相等(==)，则称为球应力状态。这种应力状态不可能产生剪应力，故所有方向都可看作是主方向，而且所有方向的主应力都相等。液体中微小物体所处的就是这样一种应力状态(三向等压)，所以，习惯上常将三向等压应力称为静水压力。
单元体上3个正应力的平均值称为平均应力，用表示。平均应力的大小取决于该点的应力状态，而与坐标轴的选取无关，即
=(++)=(++)
很显然，当点的应力状态确定时，是个不变量。
任何一种应力状态都可以看成是由2种应力状态叠加而成的，如图1.4所示。一种是各应力分量大小等于平均应力的球应力状态，称为应力球张量；另一种称为应力偏张量，它的主轴方向和原应力张量相同，主轴方向的3个分量叫做应力偏量，即为－，－，－。应力球张量不产生剪应力，故不能改变物体的形状，只能使物体的体积有微小的变化。应力偏张量却相反，它所产生的剪应力与原应力张量所产生的剪应力完全相同，故只有应力偏张量才使物体发生形状的改变；而应力偏张量的平均应力为零，所以，它不会引起物体体积的变化。
图1.4 应力张量的分解除主平面不存在剪应力外，单元体其他方向截面上都有剪应力，而且在与主平面成45°角的截面上，剪应力达到极大值，称为主剪应力。主剪应力的作用面称为主剪应力面。主剪应力及其作用面共有3组，如图1.5所示，其主剪应力值分别为：
图1.5 主剪应力面及主剪应力方向(用阴影线表示)
其中绝对值最大的剪应力称为该点的最大剪应力，用表示。因为≥≥，则
=±(－)/2
最大剪应力在金属塑性变形中有重要意义。
这里，还要提及的一个重要概念是等效应力(也称为应力强度)，在主轴坐标系中有
= (1-1)
从形式上看，等效应力综合考虑了3个主剪应力的影响，它在产生变形的效果上所起的作用“等效”于整个应力状态中的偏张量部分。
单向应力状态时，≠0，==0，代入式(1-1)，即可得到=||，可见等效应力就等于单向应力值。
(2) 点的应变状态变形体内存在应力必定伴随应变，点的应变状态也是通过单元体的变形来表示的。与点的应力状态一样，点的应变状态也是一个张量。当采用主轴坐标系时，单元体就只有3个主应变分量，和，而没有剪应变分量。用主轴坐标系表示的应变状态简图称为主应变图。如图1.6所示。
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(1at=98.066kPa)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Pt，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。
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。
为什么静水压力愈大，金属的塑性会愈好呢？这可由下列理由来解释：
(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，晶间变形愈加困难，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。
图1.6 3种主应变图
图1.7 滑移面的破损受拉应力及压应力作用示意图
(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。
(4) 三向压缩作用还能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。
在板料成形中，厚度方向的应力与其他两个方向的应力比较，往往可以忽略不计，因而，可以把厚度方向应力看作零。这种应力状态就可以视为平面应力状态。平面应力问题的分析计算比三向应力问题简单，这就为研究冲压成形问题提供了方便。冲压变形的基本形式及其特点列于表1.5。
表1.5 冲压变形的基本形式名 称
应力简图
特 点
与冲压成形工序的关系
拉深变形
主要表现为压缩类成形特点
圆筒形工件拉深时的变形区或非轴对称制件拉深时的变形区内局部
胀形变形
属伸长类成形
平板毛坯或中空毛坯胀形时的变形区、翻边成形时的变形区
续表名 称
应力简图
特 点
与冲压成形工序的关系
缩口变形
属压缩类成形
空心毛坯缩口时的变形区
剪切变形
接近与压缩类成形
非轴对称制件成形时变形区内某局部
弯曲变形
应力与变形在厚度方向上分布不均
各种弯曲工序和各种成形工序中毛坯与模具曲面或圆角接触的部位
1.4.3 金属塑性变形的力学条件
1.4.3.1 真实应力—应变曲线(硬化曲线)
1,弹塑性变形共存规律在塑性变形过程中不可避免地会有弹性变形存在。可以用最简单的拉伸试验来说明这种弹塑性变形的共存现象。
低碳钢试样在单向拉伸时，可由记录器直接记录外力F和试样的绝对伸长l，从而得到如图1.8所示的拉伸试验曲线图。图中A为屈服点，为屈服强度，B点载荷最大，对应的为抗拉强度，同时，B点开始缩颈，之后为集中塑性变形，直至断裂。
由图1.8可知，在弹性变形阶段OA，外力与变形成正比关系，如果在这一阶段卸载，则外力和变形按原路退回原点，不产生任何永久变形。
在A点以后继续拉伸，材料进入均匀塑性变形阶段(AB′B)，如果在这一阶段的B′点卸载，那么外力与变形并不按原路B′AO退回到原点，而是沿与OA平行的斜线退回到C点，这时试样的绝对伸长量由加载到B′点时的Δlb减小到卸载结束时的Δlc，Δlb和Δlc之差即为弹性变形量，而Δlc为加载到B′点时的塑性变形量。这就是说，在材料进入塑性变形阶段时，同时存在着弹性变形和塑性变形，这就是弹塑性变形共存规律。很显然，在外力除去后，弹性变形得以恢复，塑性变形得以保留。
冲压时，由于弹性变形的存在，使得分离或成形后的冲压件的形状和尺寸与模具的形状和尺寸不尽相同，这是影响冲压件精度的重要原因之一。
2,真实应力、真实应变概念
(1) 真实应力材料开始塑性变形时的应力称为屈服应力。一般金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应力不断变化，这种变化着的实际屈服应力就是真实应力(亦称变形抗力)。
室温条件下，低速拉伸金属试样，使之均匀变形时，真实应力就是作用于试样瞬时断面积上的应力。真实应力也可在其他变形条件下测定，视实际需要而定。
(2) 真实应变在拉伸试验时，应变常以试样的相对伸长表示：
=Δl/l0=(l1－l0)/l0
式中,l0——试样原始标距长度；
l1——拉伸后标距长度。
不能反映试样大变形过程中瞬时变形的真实积累情况，于是需引入真实应变概念。
拉伸过程中，某瞬时的真实应变(即应变增量)为
=dl/l
式中：l——试样的瞬时长度；
dl——瞬时长度改变量。
当试样从l0拉伸至l1时，总的真实应变为
真实应变在正确反映瞬态变形的基础上，真实地反映了塑性变形的积累过程，因而得到了广泛的应用。由于它具有对数形式，因此亦称为对数应变。在均匀拉伸阶段，真实应变和相对伸长存在以下关系：
(1-2)
将式(1-2)按泰勒级数展开，得
…
由上式可知，在变形较小时，，如=0.1，则仅比小0.5%。
(3) 真实应力-应变曲线(硬化曲线)及其表达式如图1.8所示为材料力学所讨论的低碳钢的拉伸图，表达了拉伸时应力与应变的关系。图中的应力都是按变形前试样的原始截面积A0计算的条件应力(=F/A0)，而没有考虑变形过程中试样截面积的减小；图中的应变(亦称条件应变)用的是相对伸长，由于材料力学研究的弹性变形属于小变形，应力应变采用上述的表达方式并不会引起多大的误差。但对塑性变形中的大变形阶段来说就不够准确。
图1.9为低碳钢拉伸时的真实应力-应变曲线，对照图1.8，可以看到真实应力-应变曲线更直观更真实地反映了加工硬化导致变形抗力不断升高的事实。
金属塑性成形理论中，普遍采用真实应力和对数应变表示的真实应力-应变曲线。由于真实应力和对数应变更真实地反映了变形的真实情况，真实应力-应变曲线也就更真实地反映了金属材料塑性变形的硬化现象及其规律。了解和掌握这一规律对指导冲压实践有重要意义。
图1.10是几种金属的真实应力-应变曲线(亦称硬化曲线)，从中可以了解这些金属的硬化趋势。这些硬化曲线可在拉伸、压缩等实验中获得，而且基本上是一致的。一般说来，对这些硬化曲线所表达的应力-应变关系难以建立简单的函数形式。
为了使用的方便，希望把硬化曲线以函数形式表达出来。实验研究表明，很多金属的硬化曲线近似于抛物线形状，对于立方晶格的退火金属(如Fe、Cu、Al等)，其硬化曲线可相当精确地用幂函数曲线表示，其数学表达式为：
式中：K——与材料有关的系数(MPa)；
n——硬化指数。
K与n的值与材料的种类和性能有关，都可通过拉伸试验求得，部分金属材料的K值与n值列于表1.6中。
硬化指数n是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。图1.11所示是不同n值材料的硬化曲线。硬化指数n大时，表示冷变形时硬化显著，对后续变形工序不利，有时还不得不增加中间退火工序以消除硬化，使后续变形工序得以进行。但是n值大时也有有利的一面，对于以伸长变形为特点的成形工艺(如胀形、翻边等)，由硬化引起的变形抗力显著增加，可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能力的减弱。因而可以制止变薄处变形的进一步发展，而使之转移到尚未变形硬化的部位。这就提高了变形的均匀性，使变形后的制件壁厚均匀，刚性好，精度也高。
图1.10 几种金属在室温下的真实应力-应变曲线
图1.11 n值不同时的硬化曲线
表1.6 部分金属材料的K值与n值材 料
K/MPa
n
材 料
K/MPa
n
08F
708.8
0.185
LY12M
366.3
0.192
08Al(ZF)
553.5
0.252
LF2
165.6
0.164
20
709.1
0.166
T2
538.4
0.455
Q235
630.3
0.236
H62
773.4
0.513
1Cr18Ni9Ti
1093.6
0.347
QSn6.5-0.1
864.5
0.492
在冲压工艺中，有时也用到硬化直线。硬化直线是硬化曲线的简化形式，一般说来，和实际的硬化曲线存在较大的差别，尤其在变形程度很小和很大时，差别就更加显著，这些使硬化直线的应用受到一定的限制。
1.4.3.2 屈服条件从材料力学的研究范围来看，总的来说是弹性变形的范畴，不希望材料出现塑性变形，因为材料的塑性变形意味着破坏的开始。材料力学中的第三、第四强度理论阐述的就是引起塑性材料流动破坏的力学条件。然而从冲压工艺来看，恰恰是金属材料在模具作用下产生塑性变形的特点才使冲压成形工艺成为可能。金属塑性变形是各种塑性成形方法得以实现的基础。因此，金属塑性成形理论所研究的对象已超出弹性变形而进入塑性变形的范畴，屈服条件正是研究材料进入塑性状态的力学条件，因而它从形式上来讲和材料力学中的第三、第四强度理论是一致的。
当物体中某点处于单向应力状态时，只要该向应力达到材料的屈服点，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态。可是对于复杂应力状态，就不能仅仅根据一个应力分量来判断一点是否已经屈服，而是要同时考虑其他应力分量的作用。只有当各个应力分量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服。这种关系就称为屈服准则(或叫屈服条件、塑性条件)。
法国工程师H.Tresca(屈雷斯加)通过对金属挤压的研究，于1864年提出：当材料(质点)中的最大剪应力达到一定值时，材料就开始屈服。通过单向拉压等简单试验可以确定该值就是材料屈服点的一半(/2)。设≥≥，则按上述观点可得Tresca屈服准则的数学表达式为：
max=(－)/2=/2
或
－=
Tresca屈服准则形式简单，概念明确，较为满意地指出了塑性材料进入塑性状态的力学条件。在事先知道主应力次序的情况下，使用该准则是十分方便的。然而该准则显然忽略了中间主应力的影响，实际上在一般的三向应力状态下，中间主应力对于材料的屈服也是有影响的。
德国力学家Von Mises(米塞斯)于1913年提出另一屈服准则，该准则也可以表述为当材料(质点)中的等效应力达到某一定值时，材料就开始屈服。同样，通过单向拉压等简单试验，可以确定该值其实就是材料的屈服点。于是按此观点可写出Mises屈服准则的数学表达式如下：
或
以后的大量试验表明，对于绝大多数金属材料，Mises准则比Tresca准则更接近于实验数据。
这两个屈服准则实际上相当接近，在有两个主应力相等的应力状态下两者是一致的。为了使用上的方便，Mises准则可以改写成接近Tresca准则的形式：
(1-3)
式中的值的变化范围为1~1.155，体现了中间主应力的影响。
Tresca准则相当于式(1-3)中≡ 1的情况。当点的应力状态为单向应力叠加球张量时，两个准则是一致的；在平面应变状态，两个准则相差最大，为15.5%。
由以上分析可知，只要采用不同的值，式(1-3)也可成为两个准则的统一表达式。
冲压生产中使用的一般都是硬化材料。在冲压成形过程中，随着变形程度的增加，材料的屈服点不断上升，目前在工程上往往借助Mises准则的简化形式来表达硬化材料的屈服条件：
式中：——真实应力，即由实际变形程度所决定的产生加工硬化的材料的变形抗力，即
＝Kn
1.4.3.3 塑料变形时的应力应变关系
1,塑性变形时的体积不变规律金属材料在塑性变形时，球张量部分引起的体积变化很小，可以忽略不计。因此，一般认为塑性变形时体积不变。
设长方体试样的原始长宽厚为l0，b0，t0，在均匀塑性变形后成为l，b，t，根据体积不变条件，有
lbt/(l0b0t0)=1
等式两边取对数可得
以真实应变的形式表示，即为
＋＋＝0
上式就是塑性变形时的体积不变规律。就是说，在塑性变形时，3个主应变之和等于零。由此可知，塑性变形时，3个主应变分量不可能全部是同号的；而且只可能有三向和平面应变状态，不可能有单向应变状态。如用主应变图表示应变状态，那么主应变图只有3种，如图1.6所示。在平面应变状态下(图1.6(b))，根据体积不变规律，可以断定不为零的2个主应变绝对值相等，符号则相反。
2,塑性变形的全量理论及其应用在拉伸试验时的弹性变形阶段，无论加载或卸载，应力都与应变成正比。显然，弹性变形时，应力应变关系与加载历史无关。
进入塑性变形阶段，情况就不同了，在拉伸试验中，可以看到材料屈服以后，变形过程就不可逆了。加载、卸载应力与应变的关系沿着不同的路线变化。如图1.12所示，在同一个应力作用下，因为加载历史不同，与之相对应的应变可能是，′，″，反之，对应于同一个应变′，应力可能是，。这就难以在应力和应变之间找到一种确定的关系。
图1.12 加载历史不同，应力应变关系不确定示意图
为了揭示塑性变形时的应力应变关系，必须规定简单加载的条件。所谓简单加载，即指在加载过程中，只能加载，不能卸载，各应力分量按同一比例增加。
很显然，前面讨论的真实应力—应变曲线或幂函数的表达式，是在简单加载条件下获得的，表达的是单向应力和应变的关系。然而在绝大多数冲压成形过程中，并不具备简单加载的条件，毛坯的变形区很少处于单向应力状态，而是受到两向甚至三向的应力作用。在变形过程中的任一时刻，变形体的应力状态只与该时刻的受力情况有关，与整个加载过程无关，而此时的塑性应变值却是该时刻以前经历过的变形过程中应变的积累的结果，二者并不存在对应关系，二者的主轴方向也不可能一致。为了建立变形体受力和变形之间的关系，只有取某一微小时间段Δt来研究。在Δt内，受力的单元体的每个应变分量都将产生一个应变增量。研究表明，每个应变增量的分量与对应的偏应力分量成正比，这就是增量理论。
增量理论的数学表达式
(1-4)
上式可改成
可见，塑性变形时，每一瞬间的应力只与该瞬间的应变增量有关，而与该瞬间的应变值(全量应变)无关。但在简单加载的条件下，应力与应变增量的主轴方向不会发生变化，并与全量应力的主轴重合，可对式(1-4)进行积分，从而可得全量理论的表达式如下：
(1-5)
上式也可改写成
(1-6)
由式(1-6)可见，全量理论表达的应力应变关系为主应力差与主应变差成比例(比值 为正)。
增量理论具有普遍性，但在实用上不够方便。全量理论是在增量理论的基础上得到的，对于简单加载是正确的；对于非简单加载的大变形问题，只要变形过程中主轴方向的变化不是太大，应用全量理论也不会引起太大的误差；再加上使用上的方便，因此，在冲压工艺中就常常应用全量理论。
全量理论的应力应变关系式(1-5)、(1-6)是对压力加工中各种工艺参数进行计算的基础，除此之外，还可利用它们对某些冲压成形过程中毛坯的变形和应力的性质作出定性的分析和判断。例如：
(1) 在球应力状态时，有＝＝＝，由式(1-5)可得1＝2＝3＝0，这说明在球应力状态下，毛坯不产生塑性变形，仅有弹性变形存在。
(2) 在平面变形时，如设2＝0，根据体积不变规律，则有1＝－3，利用式(1-5)，可得－＝0，即有＝。这说明在平面变形时，在主应力与平均应力相等的方向上不产生塑性变形，而且这个方向的主应力即为中间主应力，其值是另外两个主应力的平均值(即=(++)/3，也可表达为=(+)/2)。宽板弯曲时，宽度方向的变形为零，即属于这种情况(见表1.5中的图例)。
(3) 平板毛坯胀形时，在发生胀形的中心部位，其应力状态是两向等拉，厚向应力很小，可视为零，即有＝＞0，＝0，属平面应力状态。利用式(1-5)可以判断变形区的变形情况，这时，＝＝－/2，在拉应力作用方向为伸长变形，而在厚向为压缩变形，其值为每一个伸长变形的2倍。由此可见，胀形区变薄是比较显著的(见表1.5中的图例)。
(4) 当毛坯变形区三向受压(0＞＞＞)时，由式(1-5)的分析可知，在最大的压应力(绝对值最大)方向上的变形一定是压缩变形，而在最小压应力(绝对值最小)方向上的变形必为伸长变形。
由(3)、(4)可见，判断毛坯变形区在哪个方向伸长，在哪个方向缩短，不是单纯根据应力的性质。换句话说，拉应力方向不一定是伸长变形，压应力方向不一定是压缩变形，而是要根据主应力的差值才能判定。
当作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，这种冲压变形可称为伸长类变形，一般以变形区板材变薄为特征。如冲压工艺中的胀形，圆孔翻边、扩口、拉形等属于伸长类变形；当作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，这种冲压变形称为压缩类变形，一般以变形区板厚增加为特征。如筒形件拉深和缩口等属于压缩类变形(参见表1.5)。
由于伸长类变形和压缩类变形在变形特点上有本质差别，因此在冲压过程中出现的问题也完全不同，如伸长类变形容易使变形区在拉应力作用下过度变薄而破坏，而压缩类变形易使变形区失稳而起皱，这就需要采取不同的方法来解决。
1.4.4 冲压成形中的变形趋向及其控制冲压成形过程中，在同一模具的作用下，同一毛坯的各个部分可能以不同的方式变形，即具有不同的变形趋向性。
冲压设备施加的作用力，通过模具作用于毛坯，使其发生塑性变形。通常可以把毛坯划分成变形区和非变形区，非变形区又可分为已变形区、待变形区和不变形区。若非变形区也受到力的作用，又可称其为传力区。作为相连的整体，变形区和传力区同时受到变形力F的作用，但是各部分的应力应变状态并不相同，随着变形力的增加，通常总有一个部分在有利的变形条件下先行屈服，进入塑性状态，产生塑性变形，因此可以认为这个部分是相对的弱区。例如在图5.23所示的缩口变形中，A区是弱区(变形区，所需的变形力F小)，B区是强区/传力区(上部为待变形区，下部为不变形区)，C区是已变形区。
为保证冲压过程的顺利进行，必须保证冲压工序中应该变形的部分——变形区成为弱区，以便把塑性变形局限于变形区，同时，排除传力区产生不必要的塑性变形的可能。由此可以得出一个十分重要的结论：在冲压成形过程中，需要最小变形力的区是个相对的弱区，弱区必先变形，变形区应为弱区。这个结论在冲压生产中具有很重要的实用意义。
当变形区和传力区有2种以上变形方式时，则首先发生的是需变形力最小的变形方式。因此，在工艺过程设计和模具设计时，除要保证变形区为弱区外，还要保证其所需的变形方式要求最小的变形力。例如，在缩口时，变形区可能产生的塑性变形是切向收缩的缩口变形或在切向压应力作用下的失稳起皱；传力区可能产生的塑性变形是镦粗或纵向失稳。在这4种变形趋向中，只有满足缩口所需的变形力最小这个条件，缩口才可能正常进行。
在成形过程中，变形区和传力区或者说弱区和强区在一定条件下可以互相转化，改变某些条件就可以实现对变形趋向性的控制，其措施如下。
(1) 改变毛坯各部分的相对尺寸。如图1.13(a)所示的毛坯，当其外径D0，内孔d0及凸模直径有不同的比例时，有3种可能的变形趋向：拉深、翻边和胀形，从而形成3种完全不同的制件。
图1.13(b)中，D0，d0都比较小，即D0/<(1.5~2.0)，d0/<0.15，宽度为(D0－)的外环部分成为弱区，于是得到外径收缩的拉深变形。
图1.13(c)中，D0，d0都比较大，即D0/>2.5，d0/>(0.2~0.3)，宽度为(－d0)的内环部分成为弱区，于是得到内孔的翻边变形。
图1.13(d)中，D0比较大，d0却比较小甚至等于零，即D0/>2.5，d0/<0.15，这时，毛坯外环的拉深变形和中间部分的翻边变形的阻力都增大了，使中间部分的胀形成为需要变形力最小，因而最易实现的变形方式，于是可得毛坯中间部分变薄的胀形变形。
图1.13 环形毛坯的变形趋向
F—冲压力；FQ—压边力；—凸模圆角半径；—凹模圆角半径图1.14是钢球活座套的冲压工艺实例，包括落料、拉深、冲孔、翻边4道冲压工序。在第2道工序——拉深时，毛坯的外环是弱区，变形后，其外径由59mm减小到52mm，但当冲出24mm的内孔后，毛坯中间部分转化为弱区，而变形后的外环部分转化为强区，结果使变形区转移到毛坯的中间部分，保证了第4道工序——内孔翻边变形的进行。
(2) 改变模具工作部分的几何形状和尺寸。这主要是指改变凸模和凹模圆角半径。圆角半径增大，可以减少变形时的阻力。如在图1.13(c)中，增大凸模的圆角半径，减小凹模的圆角半径，可使翻边的阻力减小，拉深变形的阻力增大，因而有利于翻边的进行。反之，减小，增大，则有利于拉深变形。生产中(调模)经常采用修磨圆角的方法以控制毛坯的变形趋向。
图1.14 钢球活座套的冲压工艺实例
(3) 改变毛坯和模具之间的摩擦阻力。例如，增大图1.13中所示的压边力FQ，使毛坯和压边圈及凹模端面之间的摩擦力增大，结果不利于拉深变形而有利于翻边或胀形的实现。减小压边圈的压力，在毛坯和凹模之间加润滑剂，可以减小毛坯和凹模表面的摩擦阻力，从而有利于拉深变形。
(4) 改变毛坯局部区域的温度。主要指局部加热或局部冷却的方法。例如，在拉深和缩口时，对变形区进行局部加热，使变形区得到软化，从而有利于变形的进行。又如在不锈钢制件的大变形拉深时，采用局部深冷传力区的方法，来增大其承载能力，防止拉裂。
1.5 冲压用板料冲压加工的对象可以是金属(如钢、铝合金、铜合金等)，也可以是非金属(如塑料、皮革、纸板等)，但主要是经热轧或冷轧成形的金属板料。金属板料是由冶炼的锭坯经过反复轧制加工得到的，使得板料的性能上有一些特殊的表现。了解板料的冲压性能、懂得合理选用板材，对制造高质量的冲压制件具有重大意义。
1.5.1 板料的冲压成形性能和评定方法板料的冲压成形性能是指其对各种冲压成形方法的适应能力。板料便于冲压加工，单个冲压工序的极限变形程度和总极限变形程度大，容易得到高质量的冲压件，就是成形性能好。板料的冲压成形性能是一个综合性概念，包括抗破裂性、贴模性、定形性(冻结性)。
抗破裂性涉及板料在各种冲压成形工艺中的最大变形程度(成形极限)，如极限拉深系数、极限胀形系数、极限翻边系数等。
贴模性是指板料在冲压成形过程中获得模具形状和尺寸并不产生板面缺陷的能力。若在冲压成形过程中，板料出现内皱、翘曲、塌陷、鼓起等缺陷，则其贴模性能不良。
定形性是指制件脱离模具后保持其在模具内既得形状和尺寸的能力。
板料冲压成形性能的评定方法很多，概括起来可分为直接试验和间接试验两类 (图1.15)。
图1.15 板料冲压成形性能评定方法体系实物冲压试验是利用实际生产设备与模具，在与生产完全相同的条件下进行实际冲压制件的性能评定，当然能够得到最可靠的效果。但是，这种方法不具有普遍意义，不能作为行业之间的通用标准进行信息交流。
模拟试验是把生产中实际存在的冲压成形方法作归纳与简化处理，变为轴对称的成形方法，消除许多过于复杂的因素，在保证试验中板料的变形性质与应力状态均与实际冲压成形相同的条件下进行冲压成形性能的评定工作。为了保证模拟试验结果的可靠性与通用性，国家标准《金属薄板成形性能与试验方法(GB/T 15825)》规定有十分具体的关于试验用工具的几何形状与尺寸、毛坯的尺寸、试验条件(冲压速度、润滑方法、压边力等)。目前使用较多、而且具有普遍意义的几种模拟试验方法的特点列于表1.7。
表1.7 常用模拟试验方法的特点试验方法
试验目的与评定内容
试验结果表示方法
Erichsen试验
胀形性能
Erichsen 值(mm)
拉深试验
拉深性能
极限拉深比LDR
扩孔试验
扩口性能
扩口系数
弯曲试验
塑性与应变梯度大时的抗缩颈能力
最小弯曲半径(mm)
间接试验法的特点是，在对板料在塑性变形过程中所表现出的基本性质与规律进行分析与研究的基础上，进一步把它们和具体的冲压成形中的板料的塑性变形参数联系起来，建立间接试验结果与具体的冲压成形性能(工艺参数)之间的相关性。
1.5.1.1 间接试验间接试验方法中的力学性能试验除了图1.15中列出的方法外，还有剪切试验、扭转试验等，其中单向拉伸试验简单易行，应用广泛。研究表明，单向拉伸试验所得结果能从不同角度反映板料的冲压成形性能，因而是一项很重要的试验方法。
为了适应鉴定板料冲压成形性能的要求，对传统的拉伸试验做了必要的补充与改进，制定有相应的方法与条件指导性标准。图1.16所示为从待试验的板料上截取的标准试样尺寸及其截取方位。
图1.16 板料单向拉伸标准试样及其截取方位图1.17是在万能材料试验机上进行的板料单向拉伸试验过程及试验测得的拉伸力与伸长值的关系曲线——拉伸曲线。现就其中几项指标说明如下：
图1.17 板料单向拉伸试验过程及拉伸曲线
(a) 拉伸前试样；(b) 均匀拉伸阶段；(c) 塑性失稳/缩颈；
(d) 破坏/厚度方向失稳；(e) 断裂截面畸变；(f) 拉伸曲线
(1) 延伸率 试样出现缩颈之前的延伸率叫做均匀延伸率；试样屈服阶段的延伸率叫做屈服延伸率；试样拉断之前的延伸率叫做总延伸率。延伸率大，板料允许的塑性变形程度也大，抗破裂性较好。
(2) 屈服强度 试验表明，屈服强度小，材料易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性较好。但屈服延伸率大，会在板料表面出现明显的滑移线痕迹，导致制件表面粗糙。
(3) 屈强比 屈服强度与抗拉强度之比/叫做屈强比。/数值小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶段长，抗破裂性好，有利于冲压成形；/数值小，回弹小，定形性好。可以说，/数值小对所有冲压成形都有利。我国标准规定，用于拉深最复杂制件的深拉深用ZF级钢板的/值不大于0.66。
(4) 硬化指数 硬化指数n表示板料在冷塑性变形中的硬化强度(参见表1.6)。n值大，硬化效应大，抗缩颈能力强，或者说，当某局部出现缩颈，由于硬化使得变形抗力增大，就不再继续缩颈；未出现缩颈部位尚未硬化，就容易变形，这就使得集中变形被分散、转移，从而整体变形更趋均匀；n值大，推迟破裂的到来，抗破裂性也强。尤其对胀形等伸长类变形有明显的减少毛坯局部变薄、增大成形极限的作用。n值的测试方法见国家标准GB 5028。
(5) 塑性应变比(板厚方向性系数) 由于板料在制造过程中要经历轧制与退火等工艺，杂质和偏析物会定向分布，使其形成结晶方位趋于一致的织构组织，在宏观上表现为各向异性。板料的各向异性对冲压成形性能有很大影响。在单向拉伸试验时，宽度b方向的应变不等于厚度t方向的应变，且这2个应变的数值也都不等于长度l方向应变的一半。
为此，用塑性应变比r值来表示板料的各向异性：
r=/= ln(b/b0)/ln(t/t0)
式中：b0，b，t0，t——分别为变形前、后试样的宽度和厚度。具体测试方法见GB 5027。
r值反映了板厚方向和板料平面方向之间变形难易程度的差异，又由于板料平面上存在各向异性，故常用加权平均值表达平均塑性应变比
式中：r0，r90，r45的角标分别为拉伸试样相对于轧制方向的角度值(见图1.16(b))。
值对拉深成形性能影响很大。值大，板料平面方向容易变形，板料厚度方向较难变形。就筒形件来说，筒壁在拉应力作用下不易变薄，不易拉破，而变形区凸缘上的切向压缩变形和径向伸长变形容易进行。起皱趋势小，压边力减小，反过来又使筒壁拉应力减小，使筒形件的拉伸极限变形程度增大。同样，对于曲面制件的拉深，值大，也使板料中间部分变薄量小且不容易起皱。因此，值大也反映了板料抗破裂性和贴模性的提高。
(6) 板平面各向异性指数 板平面各向异性指数用表示
||愈大，方向性愈明显，对冲压成形的影响也愈大。例如当弯曲件的折弯线与纤维方向垂直时，允许的极限变形程度就大；而折弯线平行于纤维方向时，允许的变形程度就小。方向性愈强，两者差距愈明显。又如筒形件拉深中，由于板平面方向性使拉深件出现口部不齐的凸耳现象(见图1.18)，方向性愈强，凸耳愈高。||愈大，在拉深、翻边、胀形等变形过程中能引起毛坯变形不均匀，其结果不但可以因为局部变形程度过大而使总体的极限变形程度减小，而且还可能引起壁厚不等而降低制件质量。可见，生产上应尽量选用||值小的板料。凸耳试验方法与装置见国家标准GB/T 15825.4。
图1.18 拉深件的凸耳表1.8是几种板料的值与值。
表1.8 几种板料的值与值材 料
r0
r 45
r 90
沸腾钢板铝镇静钢板不锈钢板铝(半硬)板纯铜(软)板黄铜(软)板钛板
1.23
1.68
1.02
0.41
0.90
0.94
4.00
0.91
1.19
1.19
1.12
0.94
1.12
5.49
1.58
1.90
0.98
0.81
0.77
1.01
7.05
1.16
1.49
1.10
0.87
0.89
1.05
5.51
0.51
0.60
－0.19
－0.51
－0.10
－0.14
0.04
间接试验还包括硬度检查和金相检查。其中通过检测硬度能在一定范围内迅速判断冲压成形性能的好坏，一般来说，硬度低，冲压成形性能较好，但过低的硬度在冲裁加工中容易出现毛刺；通过金相检查可以观察板料的晶粒度、纤维方向、夹杂等。
1.5.1.2 直接试验直接试验主要指模拟试验，是直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样，由于应力应变状态基本与实际生产相同，故试验结果能更确切地反映这类成形方式下板料的冲压成形性能。下面择要介绍几种。
1,弯曲试验测定或评价板料弯曲性能的方法常用反复弯曲试验，就是将试样夹持在专用钳口内，朝两个方向轮番反复折弯90°，直至出现破裂。弯曲半径愈小、能反复弯曲的次数愈多，其弯曲成形性能愈好。反复弯曲试验方法及试验装置详见国家标准GB 235。
国家标准GB/T 15825.5规定了采用一系列不同底部弧面半径的凸模(或不同厚度的垫模)，将试样按照规定的弯曲角成形后，检查其变形区外侧表面，以确定该表面不产生裂纹或显著凹陷的最小相对弯曲半径作为金属板料的弯曲性能指标。这种弯曲是一次性的。
2,Erichsen试验(胀形性能试验)
该试验装置如图1.19(a)所示。试验时将圆片状试样放在凹模平面上，用外环压住周边，用球形冲头将板料压入凹模。试验时试样外径不收缩，仅中间部分受到两向拉应力作用而胀形。试样发生裂纹时冲头的压入深度称为Erichsen值，深度愈大，胀形成形性能愈好。详见国家标准GB 4156。
Erichsen试验的结果受试样表面润滑的影响较大，所以对润滑剂与润滑方法都有一定的要求。后期出现的用液体压力代替球形刚体冲头的胀形性能试验方法，消除了润滑的影响，从道理上讲是合理的，但应用不普遍。
3,拉深试验测定或评价板料拉深性能的指标有LDR(Limiting Drawing Ratio，极限拉伸比)值、TZP(Tief Ziehen Prüfung)值、CCV(Conical Cup Value)值等，其中用冲杯试验(参见国家标准GB/T 15825.3)测定LDR值使用较多，其试验装置如图1.19(b)所示。
图1.19 Erichsen试验装置与冲杯试验装置
1—冲头；2—压边圈；3—凹模；4—试样用不同直径的圆片试样，在图示装置中进行拉深成形，取试样不致破裂时可能拉深成功的最大试样直径(D0)max与冲头直径dp之比值，作为极限拉深比，其计算式为
LDR=(D0)max/dp
LDR值愈大，板料拉深成形性能愈好。LDR值是第4章要学到的极限拉深系数mmin的倒数。
此外，为了分析板料的流动情况与变形方式，以便确定合理的毛坯形状尺寸、修改模具、改进润滑或提出改进零件设计的建议等，会用到应变分析网格法来进行更为细致深入的分析。就是，在毛坯表面预先制作出坐标网格(小方格或小圆圈)，冲压成形后，测量分析网格的变形。在分析复杂制件的成形中有非常广泛应用的FLD(Forming Limit Diagrams，成形极限图)就是用这种方法建立的。
1.5.2 常用板料
1.5.2.1 对冲压用板料的基本要求冲压用板料不仅要满足使用要求，还应能适应冲压工艺要求。
(1) 冲压成形性能方面对于分离工序，要求板料具有一定的塑性。对于成形工序，为了有利于加工成形和保证制件质量，板料应具有良好的抗破裂性、贴模性和定形性。
(2) 表面质量方面为了保证制件质量和模具使用寿命，板料的表面应光洁平整、无损伤缺陷。
(3) 厚度公差因为一定的模具间隙适用于一定厚度的板料，板料厚度公差太大，不仅直接影响制件的质量，还可能导致废品的出现。在校正弯曲、整形等工序中，板料厚度的正偏差过大，有可能引起模具或设备过载而损坏。所以，板料的厚度公差应符合有关标准。
1.5.2.2 板料的种类冲压用板料主要是金属材料，有时也用非金属材料。
常用的金属材料分黑色金属和有色金属2种。黑色金属包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、碳素工具钢、不锈钢、硅钢、电工纯铁等。有色金属包括纯铜、黄铜、青铜、白铜、铝合金等。
钢板是冲压生产中使用量最多的原材料，一般厚板(t＞4mm)为热轧板，薄板(t≤4mm)为冷轧板。冷轧板尺寸精度高、表面光亮，内部组织更致密，表1.9是冷轧钢板与热轧钢板在质量与性能方面的大致对比。
表1.9 冷轧钢板与热轧钢板的对比项 目
热轧钢板
冷轧钢板
表面粗糙度Ra/μm
20~25
0.25~2.5
厚度公差/mm
±(0.18~0.25)
±(0.08~0.13)
均匀延伸率/%
27~35
37~42
塑性应变比r值
0.8~0.95
1.1~1.8
表1.10与表1.11给出了部分黑色金属的力学性能，表1.12给出了部分有色金属的力学性能。板料的化学成分可查阅有关手册。
表1.10 部分黑色金属的力学性能材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
电工纯铁
DT1~DT3
已退火
177
225
26
电工硅钢
D11等
已退火未退火
441
549
普通碳素结构钢
Q215
Q235
Q255
未退火
265~333
304~373
333~412
333~412
432~461
481~511
216
235
255
26~31
21~25
19~23
优质碳素结构钢
08F
08
10F
10
15F
15
20F
20
25
30
35
40
45
50
已退火
216~304
255~353
216~333
255~333
245~363
265~373
275~383
275~392
314~432
353~471
392~511
412~530
432~549
432~569
275~383
324~441
275~412
294~432
314~451
333~471
333~471
353~500
392~539
441~588
490~637
511~657
539~686
539~716
177
196
186
206
225
225
245
275
294
314
333
353
373
32
32
30
29
28
26
26
25
24
22
20
18
16
14
186
194
198
196
206
198
197
197
209
200
216
60
70
已正火
539
588
≥686
≥745
402
422
13
11
204
206
10Mn2
65Mn
已退火
314~451
588
392~569
736
225
392
22
12
207
207
碳素工具钢
T7~T12A
已退火
588
736
≤10
续表材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
合金结构钢
25CrMnSiA
30CrMnSiA
已低温退火
392~549
432~588
490~686
539~736
18
16
弹簧钢
60Si2Mn
65Si2WA
已低温退火
706
883
10
196
不锈钢
2Cr13
4Cr13
已退火
314~392
392~471
392~490
490~588
441
490
20
15
206
206
1Cr18Ni9Ti
经热处理
451~511
569~628
196
35
196
表1.11 深拉深冷轧薄钢板的力学性能(GB 5213和GB 710)
钢号
钢板厚度/mm
拉深级别
力 学 性 能
/MPa
/MPa，≤
/%，≥
08Al
全部
ZF/最复杂
HF/很复杂
255~324
255~333
196
206
44
42
>1.2
1.2
<1.2
F/复杂
255~343
216
216
235
39
42
42
08F
≤4
Z/最深拉深
S/深拉深
P/普通拉深
275~363
275~383
275~383
—
34
32
30
08
≤4
Z
S
P
275~392
275~412
275~412
—
32
30
28
10
≤4
Z
S
P
294~412
294~432
294~432
—
30
29
28
15
≤4
Z
S
P
333~451
333~471
333~471
—
27
26
25
20
≤4
Z
S
P
353~490
353~500
353~500
—
26
25
24
表1.12 部分有色金属的力学性能材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
铝
L2~L7
已退火冷作硬化
78
98
74~108
118~147
49~78
25
4
71
防锈铝
LF21
已退火半硬化
69~98
98~137
108~142
152~196
49
127
19
13
70
LF2
已退火半硬化
127~158
158~196
177~225
225~275
98
206
69
硬铝
(杜拉铝)
LY12
已退火淬硬+自然时效淬硬+冷作硬化
103~147
275~304
275~314
147~211
392~432
392~451
361
333
12
15
10
71
71
纯铜
T1~T3
软硬
157
235
196
294
69
30
3
106
127
续表材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
黄铜
H62
软半硬硬
255
294
412
294
373
412
196
35
20
10
98
H68
软半硬硬
235
275
392
294
343
392
98
245
40
25
15
108
108
113
铅黄铜
HPb59-1
软硬
294
392
343
441
142
412
25
5
91
103
铍黄铜
QBe2
软硬
235~471
511
294~588
647
245~343
30
2
115
129~138
白铜
B19
软硬
235
353
392
784
35
5
140
钛合金
TA2
TA3
TA5
退火
353~471
432~588
628~667
441~588
539~736
785~834
25~30
20~25
15
102
为了满足某些特殊需要，冲压生产中可能会用到复合金属板，如钢-铜复合板、钢-铝复合板、钢-不锈钢复合板、不锈钢-铝复合板等。此外还有覆塑钢板、镀层钢板、双相钢板等。这些板料兼有其组分的力学性能和物理性能，但详细的数据资料还有待于完善。
常用的非金属材料有皮革、塑料、橡胶、云母、纤维板、胶合板、纸板等。
1.5.2.3 板料的规格冲压用板料包括板(状)料、卷料、带料、条料、箔料等。
板料的使用场合比较多。板料的尺寸规格用厚度×宽度×长度表示，表1.13为轧制薄钢板规格。一般中小制件的冲压使用条料，可用剪板机将板料剪裁成需要的宽度和长度。
表1.13 轧制薄钢板规格(GB 708) mm
500
600
(710)
750
800
850
900
950
1000
1100
1250
1400
1500
冷 轧
0.2，0.25，
0.3，0.4
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.5，0.55，
0.6
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.7，0.75
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.8，0.9
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
2000
2000
2200
2000
2500
1.0，1.1，1.2，
1.4，1.5，1.6，
1.8，2.0
1000
1500
2000
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1800
2000
2000
2000
2200
2000
2500
2800
3000
3500
2800
3000
3500
续表
500
600
(710)
750
800
850
900
950
1000
1100
1250
1400
1500
冷 轧
2.2，2.5，
2.8，3.0，
3.2，3.5，
3.8，4.0
1000
1500
2000
500
1200
1800
2000
600
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1800
2000
热 轧
0.35，0.4，
0.45，0.5，
0.55，0.6，
0.7,0.75
1000
1500
2000
1200
1500
1800
2000
1000
1420
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1700
2000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
0.8，0.9
1000
1500
1200
1420
1420
2000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
1.0，1.1，
1.2，1.25，
1.4，1.5，
1.6，1.8
1000
1500
2000
1200
1420
2000
1000
1420
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
2.0，2.2
2.5，2.8
500
1000
1500
600
1200
1500
1000
1420
2000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
3000
2200
3000
4000
2500
3000
4000
2800
3000
4000
3000
4000
3.0，3.2，
3.5，3.8，
4.0
500
1000
600
1200
1420
1200
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
2000
3000
4000
2200
3000
4000
2500
3000
4000
2800
3000
3500
4000
3000
3500
4000
注：资料来源为参考文献第11项的第32页。
为了提高材料利用率，生产量大的情况下，可选用卷料，以便根据需要在开卷剪切下料线上裁切成合适的长度；既可裁切成矩形，也可裁切成平行四边形、梯形、三角形等形状。
带料主要是薄料，宽度在300mm以下，长度可达数十米，成卷供应，用于大批量生产的自动送料，以提高生产效率。普通碳素结构钢冷轧带料的厚度范围为0.10~3.00mm，宽度范围为10~250mm(参见GB 716)。
箔料主要用于有色金属制件。
1.6 冲压设备简介用于冲压加工的设备与其他机械加工设备比较，有以下明显特点：工作机构只需作简单的往复运动，复杂的冲压工序主要靠模具完成；传动系统灵敏可靠，规律性强，易实现机械化和自动化。
根据传动方式不同，冲压设备共有曲柄压力机、液压机、气动压力机、电磁压力机4大类，其中曲柄压力机应用最广泛。
1.6.1 曲柄压力机
1.6.1.1 曲柄压力机的基本组成曲柄压力机是一种通用金属成形机床，图1.20所示为一种典型的曲柄压力机传动原理与外观。曲柄压力机由下列几部分组成：
图1.20 开式可倾压力机(J23-16)
1—电动机；2—皮带；3—飞轮；4—离合器；5—曲轴；6—连杆；7—滑块；
8—工作台垫板；9—工作台；10—制动器；11—机身；12—机座
(1) 机身 机身11是压力机的骨架，承受全部冲压力，并将压力机所有的零部件联结起来，保证全机所要求的精度、强度和刚度。机身上固定有工作台垫板8，用于安装下模。
(2) 工作机构 即为曲柄连杆机构。由曲轴5、连杆6、滑块7等组成。电动机1通过皮带把能量传给飞轮3，通过离合器4传给曲轴，并经连杆把曲轴的旋转运动变成滑块的上下往复运动。上模固定在滑块上。
(3) 操纵系统 由离合器4、制动器10、电子电器检测控制装置等组成，现代化设备上还装备了工业控制计算机。离合器是用来根据工艺操作需要连接或中断能源系统与工作机构的联系的装置。制动器是在当离合器分离时，使滑块停止在所需的位置上。离合器的离、合，即压力机的开、停是通过操纵系统控制的。
(4) 传动系统 包括由大、小皮带轮及皮带组成的带轮传动机构(大中型压力机还设有传动轴和大、小齿轮组成的齿轮传动机构)等。其作用是减速增力，将电动机的运动和能量传递给工作机构。
(5) 能源系统 指电动机与飞轮(带轮)。一般冲压加工的有效工作时间都很短，就是说曲柄压力机在一个工作循环中，只在较短的时间内承受高峰负荷，而在较长的时间内是无负荷空转，为了降低电动机功率并使其负荷均匀、运行平稳，在压力机上装有转动惯量很大的飞轮，压力机空载时，飞轮储存电动机提供的能量，压力机工作时飞轮释放能量。
除上述基本部分外，还有一些辅助装置，如：气路系统、润滑系统、保险装置、快速换模装置、气垫及计数装置等。
1.6.1.2 曲柄压力机的主要结构类型曲柄压力机的结构类型主要有以下几种。
(1) 按机身结构分按照压力机的机身结构，可以分为开式压力机(俗称冲床)和闭式压力机两种。图1.20(b)所示为开式机身压力机外观，图1.21所示为闭式机身压力机外观(偏心齿轮式)。
图1.21 闭式单点压力机(JC31-160)
1—飞轮；2—离合器储气筒；3—制动器；4—芯轴；5—连杆；6—机身；7—滑块；8—撞杆；9—退料杆；
10—控制面板；11—工作台垫板；12—工作台；13—脚踏开关；14 —压缩空气控制阀等；15—扶梯；16—维修台开式压力机机身前面、左面和右面3个方向是敞开的，操纵和安装模具都很方便。但是由于机身呈C字形，刚性较差。当冲压力较大时，机身易变形，影响模具寿命。因此只适用于中、小型压力机。开式机身有两种型式，一种是曲轴横置，双柱机身。其中的可倾式机身，可视需要后倾(小于25°，30°)，使制件及废料在自重作用下自动滑到压力机后面，便于自动化；另一种是曲轴(曲拐轴)纵置(图1.22)，单柱或双柱机身。由于在曲拐轴上设置了偏心套，通过调整偏心套的相对转角，使得单柱压力机的滑块行程可在一定范围内调节。有的小型单柱压力机的工作台可升降。
图1.22 开式固定台压力机(JB21-100B)
1—飞轮；2—偏心套；3—曲拐轴；4—连杆；5—滑块；6—机身；7—工作台垫板；8—工作台；9—操纵踏板闭式压力机机身两侧封闭，只能前后送料，操作不如开式压力机方便，但是机床刚性好，能承受较大的压力，适用于精度要求较高和大吨位的压力机。
(2) 按连杆的数目分按照压力机上连杆的数目，可分为单点、双点和四点压力机。单点压力机有一根连杆，双点和四点压力机分别有两根和4根连杆。单点压力机对压力中心偏移较敏感；多点压力机工作台面较宽大，便于安装大型模具或多副模具，且抗偏载能力较强。
(3) 按滑块数目分根据压力机上滑块的数目，可分为单动压力机、双动压力机和三动压力机。图1.20、图1.21和图1.22所示的压力机都只有一个滑块，均为单动压力机。双动及三动压力机一般用于复杂制件的拉深。其中上传动双动压力机外滑块用于安装压边圈，内滑块用于安装拉深凸模(参见图1.28)。下传动双动拉深压力机的两个滑块分别设在工作台的上方和下方。
(4) 按传动方式分压力机的传动系统可置于工作台之上(如图1.20、图1.21和图1.22所示)，也可置于工作台之下(如图1.23所示)。前者称为上传动，后者称为下传动。下传动的压力机重心低。运动平稳，能减少振动和噪音，机身的受力情况也得到改善。但压力机平面尺寸较大，总高度又和上传动差不多，故重量大，造价高。且传动部分的修理也不方便，故现有通用压力机一般为上传动。
图1.23 下传动双动拉深压力机(J44-80)
1—大齿轮；2—主轴；3—销轴；4—压边滑块；5—机身；6—控制面板；7—拉杆；8—中央螺杆；
9—工作台；10—拉深滑块；11—侧螺杆；12—平衡缸；13—滚轮；14—凸轮下传动双动拉深压力机的工作部分由拉深滑块10(装凸模)、压边滑块4(装凹模)、工作台9(装压边圈)组成。工作时，工作台不动；压边滑块在凸轮14的作用下上升将坯料压紧，并停留在此位置；拉深滑块由主轴2上的齿轮1及其偏心销3通过拉杆7驱使凸模向下对坯料进行拉深，直至下死点。然后，拉深滑块先向上回程，工作台下降，制件被顶出。这种压力机的工艺特点是，拉深行程长，可用于较大、较高零件的拉深，在搪瓷行业应用广泛。
按曲柄形式可分为曲轴式、曲拐轴式、偏心齿轮式。
(5) 按工作性质和用途分按压力机的工作性质和用途不同，可分为普通压力机、多工位自动压力机、高速压力机、数控冲模回转头压力机、剪板机、联合冲剪机等。
1.6.1.3 压力机连杆与滑块的结构及其调整为了适应模具高度的少量变化，压力机的装模高度应能在一定范围内调节，调节连杆长度是一种常用的方法，图1.24所示是一种调整装置。由图可见，连杆一端与曲轴相连，一端与滑块相连。将连杆设计成由连杆体1和调节螺杆2两部分，调节螺杆的下部有一个六方部分。松开锁紧螺钉3，用扳手扳动调节螺杆，即可调节连杆的长度。较大的压力机是通过电动机、齿轮或蜗轮机构来旋转调节螺杆的。
滑块的结构也反映在图1.24中。在滑块7中装有支承座4，并与调节螺杆的球头相接。为了防止压力机超载，在支承座下面装有保险块5。保险块的抗压强度是经过理论计算和实际试验决定的。当压力机负荷超过公称压力时，保险块被破坏，而压力机不受损坏。也有的压力机采用液压过载保护装置来防止压力机超载。
图1.24 JB23-63压力机的连杆与滑块
1—连杆体；2—调节螺杆；3—锁紧螺钉；4—支承座；5—保险块；6—曲轴；7—滑块；8—横杆；9—模柄夹持块为了从上模中卸下制件或废料，压力机的滑块中装有打料装置，如图1.25所示。滑块的矩形横向孔中放有横杆2，当滑块向上回程，横杆与机身上的止动螺钉1相碰时，即可通过上模中的推杆3将制件或废料4从上模5中推出。调节止动螺钉，可改变打料行程。
图1.25 打料装置及其动作
1—止动螺钉；2—横杆；3—推杆；4—制件或废料；5—上模
1.6.1.4 曲柄压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力，所能加工零件的尺寸范围以及有关生产率等的指标。这些参数也是模具设计中选择冲压设备，确定模具结构的重要依据。
(1) 公称压力(标称压力)
滑块下行时所提供的工作压力由压力机主要构件的强度所决定。由曲柄连杆机构的工作原理可知，滑块的压力在全行程中不是一个常数，而是随曲轴转角的大小而变化的，其规律可用图1.26所示的许用负荷图表示，图中阴影线以下是安全区。由图可知，曲轴旋转到离下死点还有约30°转角之后(直至下死点位置)，许用压力达到最大值Fmax。图中还示出了压力角所对应的滑块位移点，为使用方便，制造厂提供的资料一般已换算为滑块行程。公称压力就是指滑块下死点前某一特定距离(此特定距离称为公称压力行程ha)内，滑块所容许承受的最大作用力。
图1.26 曲柄压力机的许用负荷图公称压力是表示压力机规格的主参数。我国的压力机公称压力已经系列化了。例如63kN，100kN，160kN，250kN，400kN，630kN，800kN，1000kN，1250kN，1600kN，…(见表1.14至表1.16)。
冲压工艺所需的行程—力范围必须处于压力机许用负荷图的安全区之内，为拉深等受力行程长的工序选择设备时尤其要注意这一点。
(2) 滑块行程滑块行程是指滑块从上死点到下死点所经过的距离，其值为曲柄半径的2倍。除曲拐轴压力机外，一般压力机的行程是不可调的。滑块行程应能保证毛坯能顺利放入模具，制件能从模具内顺利取出。
(3) 滑块行程次数滑块行程次数是指滑块每分钟所完成的上下循环次数。滑块行程次数的多少，关系到生产率的高低。一般压力机的滑块行程次数都是固定的。
(4) 装模高度装模高度是指滑块在下死点时，滑块底平面到工作台上的垫板上平面的距离。当装模高度调节装置将滑块调整到最上位置时，装模高度达最大值，称为最大装模高度。装模高度调节装置所能调节的距离称为装模高度调节量。冲模的闭合高度应在压力机的最大与最小装模高度之间。
有些资料用封闭高度表示压力机安装模具的空间高度，它与装模高度之差是工作台垫板的厚度。
(5) 工作台面及滑块底面尺寸工作台面及滑块底面尺寸是指压力机装模空间的平面尺寸。为便于安装固定模具用的螺钉和压板，模具下模座的最大尺寸每边至少应比工作台面小(50~70)mm。
(6) 漏料孔尺寸当制件或废料需要穿过工作台漏料孔下落，或模具底部需要安装弹顶装置时，下落件或弹顶装置的外形尺寸必须小于工作台中间的漏料孔尺寸。
(7) 模柄孔尺寸滑块内安装模柄用孔的直径和模柄直径应一致，模柄的高度应小于模柄孔的深度。
(8) 电动机的功率必须保证压力机的电动机功率大于冲压时所需要的功率。
JB/T 14347规定了开式曲柄压力机基本参数。表1.14~1.16为常用曲柄压力机的主要技术参数(具体参数以设备使用说明书为准)。
表1.14 部分开式压力机主要技术参数技术参数
J23系列开式可倾压力机
J21系列开式固定台压力机
公称压力/kN
63
100
160
250
350
400
630
800
630
1000
1250
1600
2500
公称压力行程/mm
2
3
5
3
4
9
滑块行程长度/mm
35
45
65
80
80
100
110
130
120
140
140
160
180
滑块行程次数/spm
170
145
90
70
50
60
60
45
55
38
38
40
30
最大装模高度/mm
170
180
160
195
220
220
250
280
255
320
320
380
340
装模高度调节量/mm
30
35
50
50
60
60
70
90
90
100
100
120
120
主电机功率/kW
0.75
1.1
1.5
2.2
3
3
5.5
7.5
7.5
7.5
11
15
22
注：据上海第二锻压机床厂、四川内江锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
表1.15 部分J31系列闭式单点压力机主要技术参数技术参数
数 值
公称压力/kN
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
公称压力行程/mm
6.5
10
8.0
10
10
10.5
13
13
滑块行程长度/mm
130
150
160
200
200
300
250
550
滑块行程次数/spm
35
40
32
32
28
25
25
12
最大装模高度/mm
380
360
385
450
460
500
530
1000
装模高度调节量/mm
100
150
140
180
160
200
160
200
主电机功率/kW
11
11
11
18.5
22
30
30
55
注：据上海锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
表1.16 部分J44系列下传动双动拉深压力机主要技术参数技术参数
数 值
拉深滑块公称压力/ kN
400
550
800
1000
压边滑块公称压力/ kN
400
550
800
1000
拉深滑块行程长度/ mm
410
560
750
740
滑块行程次数/spm
11
9
6
8
最大坯料直径/ mm
600
780
1100
1200
最大拉深深度/ mm
230
280
450
460
最大拉深直径/ mm
400
550
700
700
主电机功率/kW
11
15
30
40
注：据上海锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
1.6.2 薄板拉深液压机液压机根据帕斯卡原理制成，以液体(大型机用水-乳化液、中小型机用油)为介质传递能量。液压机一般由液压系统和本体两部分组成。液压缸、相关容器、管道和各种阀、泵是液压系统的主要构件；本体的结构类型有梁柱式(典型结构为三梁四柱)、框架式、单臂式等，部分大型液压机的工作台可移出，以便安装大型模具。
根据液压机的工作原理，液压机具有以下优点：
(1) 结构上易于实现很大的作用力、较大的工作空间及较长的行程，因此适应性强，便于压制大型制件或较长较高的制件。
(2) 在行程的任何位置均可产生设定的压力，可以在下转换点长时间保压，这对许多工艺是十分需要的。
(3) 可以用简单的方法(各种压力控制阀)在一个工作循环中调压或限压，而不至于超载，有利于保护模具和设备。
(4) 滑块(动梁)的总行程可以在一定范围内任意改变，滑块行程的下转换点可以根据压力或行程的位置来控制或改变。
(5) 滑块速度可在一定范围内调节，从而适应不同工艺过程对滑块速度的不同要求。
(6) 与曲柄压力机相比，工作平稳，振动和噪声较小，对环境影响小。
液压机的缺点有：
(1) 快速性不如曲柄压力机。
(2) 突然卸载(如冲裁、剪切等)会产生振动，故在完成冲裁作业时，应留有较大的余地，且尽量在靠近上死点处工作。
(3) 调整、维修较曲柄压力机困难。
液压机与曲柄压力机的工艺特点比较列于表1.17。
表1.17 曲柄压力机与液压机工艺特点比较项 目
曲柄压力机
液压机
工作速度
节拍快(50~200次/分)，不可调
慢，可调
压力变化
与行程相关，达到公称压力的行程短
整个行程都可达到设定压力
压力大小调节
难，不准确
可方便地调节
续表项 目
曲柄压力机
液压机
冲击作用
有冲击作用，振动、噪声较大
无冲击作用，工作平稳
保压作用
不能实现
可实现
过载的可能性
存在
不存在
行程终端位置
固定，一般不可调
不固定，可调，试模方便
工作空间
行程不能太长，空间较小
行程长，空间大
维修难度
较容易
较麻烦(泄漏)
工艺适应性
广泛
不适合于冲裁、剪切等工艺
图1.27所示为双动薄板拉深液压机外观，其结构特征是含有分别驱动的内外两个动梁(拉深滑块与压边滑块)。图1.28(a)表示了双动薄板拉深液压机工作过程：压边滑块先与毛坯接触并压紧，拉深滑块继续下行，进行拉深；拉深完成后，拉深滑块先回程，上行一段距离后，压边滑块再回程，直到二者都回到初始位置。此时顶出缸上行顶出制件后再回到 原位。
图1.27 双动薄板拉深液压机(Y28)
1—液压动力系统；2—立柱；3—拉深柱塞；4—压边柱塞；5—压边滑块(包容拉深滑块)；6—工作台一方面，拉深滑块与压边滑块的动作可按设定要求互相协调配合；另一方面，对压边滑块上多个压边缸的压力进行分别调节，就可以使得周边不同位置具有不同的压边力。这样的特点，可用来满足形状复杂而又不对称的制件(如大型覆盖件)和深桶形制件等的拉深工艺要求。此外，双动液压机也可用于单动，完成某些不需双动动作的冲压工艺。
拉深液压机一般设有液压垫，其作用力通过顶杆(穿过工作台)作用在模具上，既可以用来顶出，又可以用来压边。单动液压机使用倒装拉深模具，就是利用液压垫来压边，从而也可完成拉深作业(图1.28(b))。
图1.28 薄板拉深液压机动作过程示意图
1—拉深滑块；2—凸模；3—压边滑块；4—压边圈；5—坯料；6—凹模；7—顶杆；8—液压垫；9—制件
JB/T 8493规定了双动薄板拉深液压机基本参数。表1.18列出了部分薄板拉深液压机的主要技术参数。
表1.18 部分薄板拉深液压机主要技术参数技术参数
Y27系列单动薄板拉深液压机
Y28系列双动薄板拉深液压机
公称压力//kN
2000
3150
4000
5000
1800
3150
6300
8000
拉深压力/kN
1000
2000
4000
5000
压边压力/kN
800
3150
2300
3000
液压垫压力/kN
400
630
630
1600
315
630
1000
1250
拉深滑块行程长度/mm
710
800
900
900
710
800
1100
1100
压边滑块行程长度/mm
350
350
1000
1000
液压垫行程长度/mm
200
300
150
300
300
300
350
拉深滑块开口高度/mm
1120
1140
1250
1500
1460
1500
1800
2110
压边滑块开口高度/mm
1700
2000
电机功率/kW
15
22
37
60
22
44
110
160
注：据合肥锻压机床股份有限公司资料整理。
1.6.3 其他常用冲压设备
(1) 液压板料折弯机(如图1.29所示)。
(2) 数控冲模回转头压力机(如图1.30所示)。
(3) 联合冲剪机(如图1.31所示)。
(4) 卷板机(如图1.32所示)。
(5) 剪板机(如图1.33所示)。
图1.29 液压板料折弯机(W67Y)
1—电气系统；2—上模；3—下模；4—下横梁；5—机身；6—滑块
图1.30 数控冲模回转头压力机(1250H/20)
1—数控柜；2—机身；3—回转头；4—补充工作台；5—滑动托架(X轴)；6—滑座(Y轴)
图1.31 单偏心轴式联合冲剪机(Q35-16A)
1—飞轮；2—齿轮减速系统；3—冲孔工位；4—机身；5—操纵踏板；6—电气系统；
7—底座；8—板材剪切工位；9—型材剪切工位；10—调整手柄；11—模剪工位
图1.32 对称式三辊卷板机(W11-20×2000A)
1—减速机；2—传动轴；3—底座；4—机身；5—活动支座；6—压下辊；7—传动辊；8—压下辊翘起持平装置
图1.33 机械下传动式剪板机(Q11-3×1200)
1—减速皮带轮；2—连杆；3—操纵踏杆；4—传动轴；5—偏心轴；
6—减速齿轮；7—弹簧；8—滑块(刀架)；9—压料滑块；10—工作台
1.1 冲压的定义冲压是利用冲模在冲压设备上对板料施加压力(或拉力)，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(不用加热，显然处于再结晶温度以下)，故也称为冷冲压。
锻造和冲压合称为锻压，锻造加工的对象一般为金属棒料(或锭料)，必须考虑长、宽、高3个方向的变形，且通常是在再结晶温度以上进行，故常称为热锻。基于通常要施加一定的压力才能完成加工的共性，锻造、冲压与轧制、挤压、拉拔等总称为金属压力加工；金属压力加工迫使加工对象发生塑性变形，既改变了尺寸、形状，又改善了性能，故还称为塑性加工。轧制、拉拔、挤压等方法是将钢锭加工成棒料、板料、管材、型材、线材等制品，但通常不制成零件，称为一次塑性加工；锻压加工则是在一次塑性加工的基础上，将棒料、板料、管材、线材等制成具有特定用途的制件(或零件)，可称为二次塑性加工。20世纪后期又流行将塑性加工称为塑性成形。
冲模、冲压设备和板料是构成冲压加工的3个基本要素。所谓冲模就是加压将金属或非金属板料或型材分离、成形或接合而得到制件的工艺装备。没有设计和制造水平均很先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。
1.2 冲压工序分类为适应制件形状、尺寸、内外在质量、批量的不同，冲压工序的种类有很多。冲压工艺的基本工序可以分为分离工序与成形工序两大类。分离工序的共同目的是将坯料/工序件/半成品沿一定的轮廓相互分离；成形工序的共同目的是在材料不产生破坏的前提下使坯料/工序件/半成品发生塑性变形，成为所需制件。各工序简介见表1.1及表1.2。
冲压生产除了基本工序外，还会涉及其他工序，如接合工序(如铆接等)、装配工序、修饰包装工序，等等，由于篇幅所限，本书不作展开。
表1.1 冲压工艺中的分离工序工序名称
示 意 图
说 明
落料
分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为制件，轮廓外为废料，用于加工各种形状的平板型制件
续表工序名称
示 意 图
说 明
冲孔
分离轮廓为封闭曲线，轮廓内为废料，轮廓外为制件，用于在制件上加工各种形状的孔，落料与冲孔合称为冲裁
切断(剪切)
分离轮廓为不封闭曲/直线，用于将板料裁切成长条或加工成形状简单的平板型制件
修边(切边)
在工序件/半成品的曲/平面上沿内/外轮廓修切，以获得规则整齐的棱边、光洁的剪切面和较高的尺寸精度
剖切
将整体成形得到的工序件/半成品切开成数个制件，多用于不对称制件成组成形之后的分离
切口
将制件沿不封闭的轮廓部分地分离，并使部分板料产生弯曲变形
表1.2 冲压工艺中的成形工序工序名称
示 意 图
说 明
弯曲(压弯)
将坯料/型材/工序件/半成品沿直线压弯成具有一定曲率和角度的制件
辊弯
沿直线用辊子(2~4个)实现板料的逐步弯曲变形，一般用卷板机完成
卷弯
把板料端部卷成接近封闭的圆筒状
续表工序名称
示 意 图
说 明
辊形
(纵向辊弯)
用多对成形辊，沿纵向使带料逐渐弯曲变形
拉弯
在施加拉力的条件下实现弯曲变形
扭曲
将工序件/半成品的一部分相对于另一部分在某个面上扭转一定角度
拉深
变形区在一拉一压的应力作用下，使板料/浅的空心坯成形为空心件/深的空心件，而壁厚基本不变。用于将板料外缘全部/部分转移到制件侧壁，使板料成形为皿状制件
翻边
沿封闭/不封闭的轮廓曲线将板料的平面/曲面边缘部分翻成竖直边缘
缩口
将空心/管状工序件或半成品的某个端部的径向尺寸减小
胀形
使板料/空心工序件/半成品的局部变薄，从而使其表面积增大
扩口
将空心/管状工序件或半成品的某个端部的径向尺寸扩大
整形
对坯料/工序件/半成品的局部/整体施加法向接触压力，以提高制件尺寸精度/获得清晰的过渡形状
旋压
在坯料旋转的同时，用一定形状的辊轮施加压力使坯料的局部变形逐步扩展到整体，达到使坯料全部成形的目的。多用于回转体制件的 成形
1.3 冲压工艺的特点及其应用从技术先进性方面看，冲压工艺可以得到形状复杂、用其他加工方法难以加工的制件(如薄壳类件)，且能够把强度好、刚度大、重量轻等相互矛盾的特点融为一体(如液压胀形制造的皮带轮)。制件的精度由模具保证，互换性好，品质稳定。
从经济合理性方面看，通过合理设计、优化排样，冲压工艺可以获得很高的材料利用率；既不像切削加工那样在把金属切成碎屑时消耗大量的能量，也不像锻造那样需耗能对坯料加热；冲压加工操作比较简单，从而对操作工要求低，有条件时易实现自动化。一般的冲压工艺，生产效率为几件/分至几十件/分，自动化生产可达千件/分以上。
冲压工艺存在的不足之处有，对于批量较小的制件，模具费用使得成本明显增高，所以一般要有经济批量；同时，模具需要一个生产准备周期。冲压工艺尤其是冲裁存在颇为恼人的噪音和振动，劳动保护措施不到位时，还存在安全隐患。
总体上看，冲压是一种制件质量较好、生产效率高、成本低，其他加工方法无法替代的加工工艺，在机械、车辆、电机、电器、仪器仪表、农机、轻工、日用品、航空航天、电子、通信、船舶、铁道、兵器等制造业中获得了十分广泛的应用，表1.3为部分产品中冲压加工零件所占比例。图1.1所示为轿车车身部分冲压制件。
表1.3 各类产品中冲压加工零件所占比例产品
汽车
仪器仪表
电子
电机电器
家用电器
自行车、手表
比例/%
60~70
60~70
＞85
70~80
≤90
＞80
“冲压工艺与模具设计”是一门从事现代制造工程应该掌握的重要课程，学习本课程应注重理论与实践相结合，侧重培养工程实践能力。
图1.1 轿车车身
1—散热器框架；2—前围板；3—前风窗下横梁；4—前风窗上横梁；5—顶盖；6—后风窗上横梁；
7—上边梁；8—后风窗下横梁；9—后围板；10—前横梁；11—副车架；12—前纵梁；13—挡泥板；
14—挡泥板加强撑；15—前座椅横梁；16—地板通道；17—前地板；18—前立柱；19—门槛；
20—中立柱；21—后地板；22—地板后横梁；23—后纵梁；24—后轮罩；25—后翼子板；26—后立柱
1.4 冲压变形的理论基础
1.4.1 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，又能从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，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，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。
金属学研究成果表明，所有的固态金属都是晶体，各种固态金属的晶体结构并不完全相同。工业应用的金属中，除少数具有复杂的晶体结构外，最常见的金属晶体结构有面心立方结构﹑体心立方结构和密排六方结构。
晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向，每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向的原子间距是不同的。
单晶体的塑性变形主要通过滑移和孪生两种方式进行，最常见的方式为滑移，即晶体一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分产生滑移，这一晶面和晶向称为滑移面和滑移方向。一般来说，滑移面总是原子排列最密的面，滑移方向总是原子排列最密的方向。因为沿着原子分布最密的面和方向，滑移阻力最小。一种滑移面及其面上的一个滑移方向组成一个滑移系。每一个滑移系表示晶体在产生滑移时可能采取的空间位向。当其他条件相同时，金属晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移位向愈多，塑性就愈好。一般说来，面心立方和体心立方金属的滑移系较多，因此比密排六方金属的塑性好。
就理想的晶体结构而言，全部原子都是规则地排列在晶体的格点上，然而实际晶体总是存在着各种缺陷，引起晶格的畸变以及原子排列的不规则，最明显的是多晶体。这些缺陷包括位错﹑晶界﹑空位﹑间隙原子和异质原子等。研究表明，有些缺陷对金属塑性变形有很大的影响，如晶体的滑移变形就是在剪应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线。许多滑移线在一起形成滑移带。这种滑移带常可在拉伸变形后的金属试样上观察到。
工业上用于塑性成形的金属都是多晶体，组成多晶体的各晶粒类似于单晶体，它们的大小﹑形状﹑位向不同，晶粒之间又有晶界相连，因而多晶体的变形比单晶体要复杂得多。
多晶体的变形，就其中每个晶粒的变形来讲，不外乎滑移和孪生两种晶内变形方式。但就总体而言，多晶体内还存在着晶粒之间的相对滑动和转动。这种晶粒之间的变形称为晶间变形，所以多晶体的变形是晶内变形和晶间变形综合作用的结果。
由于晶粒是靠原子间的吸引力和晶粒间的机械连锁力互相联结的，因此，晶间变形比较困难。晶粒间的滑动即使非常微小，也容易引起晶界处的结构破损，从而导致金属的断裂。晶粒间的转动过程相当复杂，这是由于多晶体中不同位向的各个晶粒既有向有利于晶内滑移的方向转动的趋势，又受到相互牵制的缘故。晶粒转动的现象在粗晶粒的板料冲压成形后可以观察到，这就是冲压件表面显出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。
多晶体的塑性变形还受到晶界的影响。晶界内晶格畸变更甚，晶界的存在使多晶体的强度﹑硬度比单晶体高。多晶体内晶粒愈细，晶界区所占比率也就愈大，金属的强度﹑硬度也就愈高。此外，晶粒愈细，变形愈易分散在许多晶粒内进行，因此变形更为均匀，不易造成应力集中而导致金属破坏，这就是一般的细晶粒金属不仅强度﹑硬度高，而且塑性也较好的原因。
在金属塑性变形过程中，金属的性能和组织都可能发生变化。其中最重要的是加工硬化，随着变形程度的增加，变形阻力增大，强度和硬度升高，而塑性﹑韧性下降。同时，由于变形不均匀，晶粒内部和晶粒之间会存在不同的内应力。变形后作为残余应力，保留在金属内部，致使经冷变形后的零件在放置一段时间后，可能自动发生变形甚至开裂。金属塑性变形后的性能变化是其组织发生变化的结果。多晶体变形时各晶粒沿其变形最大的方向伸长，在变形程度很大时，则显著伸长，使得晶界过剩相沿主变形方向呈条状分布，形成热处理也改变不了的纤维组织。晶内变形会使晶粒破碎，形成许多小晶粒，即亚晶粒。晶间变形则在晶界造成许多破坏。另外，在变形程度很大时，多晶体内各个晶粒的位向会因滑移面的转向而逐渐趋向一致，形成变形织构。由于变形织构的形成，使轧制后的板料出现各向异性，即使退火，一般也难以消除。用这种材料经冲压变形得到的制件厚薄不均，口沿不齐，典型表现是在拉深成形的筒形制件口部形成凸耳(参见图1.18)。由此可见，金属塑性变形过程中的这些变化对冲压成形工艺有相当大的影响。
1.4.2 影响塑性及变形抗力的主要因素
1.4.2.1 塑性与变形抗力的概念
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。塑性可用材料在不被破坏条件下能获得的塑性变形的最大值来评定。同一种材料，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：金属本身的晶格类型﹑化学成分和金相组织等；变形时的外部条件，如变形温度﹑变形速度以及变形方式等。
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(参见1.4.3节)。
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反映塑性变形的难易程度。
1.4.2.2 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
C对碳钢的性能影响最大。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量愈高，碳钢的塑性愈差。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国家标准(GB 710)加以控制，S的含量不超过0.040%，P的含量控制更严。
(2) 合金元素对钢的塑性变形的影响合金元素加入钢中，不仅改变钢的使用性能，而且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。
表1.4列出了几种主要元素对08钢冲压性能的影响。
表1.4 几种主要元素对08钢冲压性能的影响元素
对冲压性能的影响
C
增加Fe3C的数量，提高钢板的抗拉强度和屈服强度，降低塑性，使冲压性能恶化，特别是当Fe3C出现于晶界时，对冲压性能的不利影响更大
Si
溶于铁素体中，强化作用很大，增加强度，降低塑性。含量愈低愈好，深拉深钢板不能用Si脱氧
Mn
直接影响不大，和S形成MnS夹杂物，其数量和形态对冲压性能有影响
P
显著地增加强度和脆性，并有偏析倾向，易于形成带状组织，对冲压性能不利
S
硫化物数量、形态和分布对冲压性能有很大影响，数量多、呈细长条状分布的硫化物对冲压不利
Al
是镇静钢的最终脱氧剂，可与N形成氮化铝(AlN)，显著降低钢板的“应变时效”倾向，容易得到“饼形”铁素体晶粒，改善冲压性能。钢中Al的最佳含量为0.03%~0.05%
注：沸腾钢板平整后存放一段时间，拉伸曲线上会重新出现屈服伸长的现象称为应变时效。
2,组织的影响金属材料的组织状态和其化学成分有密切关系，但这不是完全由化学成分所决定，它还和制造工艺(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。
如前所述，基体为面心立方晶格(Al、Cu、γ-Fe、Ni)塑性最好；体心立方晶格(α-Fe、Cr、W、Mo)塑性次之；密排六方晶格(Mg、Zn、Cd、α-Ti)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，则阻碍晶内滑移变形，显著提高变形能力。
1.4.2.3 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，发生了回复与再结晶。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。温度愈高，热塑性愈大。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。
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。但往往对制件表面造成不利影响。
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。
1.4.2.4 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；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。
1.4.2.5 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板料毛坯，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) 点的应力状态模具对材料施加的外力引起材料内产生内力，一极小面积上的内力F与内力作用面积A比值的极限称为全应力S
S
全应力S可以分解成两个分量，垂直于作用面的叫做正应力，用表示；平行于作用面的叫做剪应力，用表示。
坯料内每一点上的受力情况，通常称为点的应力状态。一点的应力状态是通过在该点周围截取的微小六面体——单元体上各个互相垂直面上的应力来表示的，一般可沿坐标方向将这些应力分解成9个应力分量，即3个正应力和6个剪应力(图1.2(a))。但是，由于其中3对剪应力是相等的(=，=，=)，实际上只需要6个应力分量，即3个正应力和3个剪应力，就可以确定该点的应力状态。
必须指出的是，图1.2(a)中的坐标系x，y，z的方向是任意的，如果坐标系选取的方向不同，那么，虽然该点的应力状态没有改变，但是用来表示该点应力状态的9个应力分量就会与原来的数值不同。不过，这些属于不同坐标系的应力量之间是可以用一定的线性关系来换算的。这种关系符合数学上张量的特性，所以点的应力状态可以用张量表示，叫做应力张量。
图1.2 点的应力状态对任何一种应力状态来说，总存在这样一组坐标系，使得单元体表面上只出现正应力，而没有剪应力(图1.2(b))。这时，3个坐标轴称为主轴，3个坐标轴的方向就叫做主方向，3个正应力叫做主应力，一般按其代数值大小依次用，和表示，即≥≥。带正号的为拉应力，带负号的为压应力。3个主应力的作用面称为主平面。实际上，主方向的确定可通过对变形过程的分析近似确定或通过试验确定。以主应力表示应力状态，可以大大简化分析、运算工作。
以主应力表示点的应力状态称为主应力状态。表示主应力个数及其符号的简图，称为主应力状态简图，简称主应力图。可能出现的主应力图共有9种，其中两种单向的，3种双向的，4种三向的，如图1.3所示。用主应力图可以帮助人们定性分析各种应力状态下塑性的高低。图1.3自左至右，材料的塑性由好变坏，其中第二行与第一行同列的效果相当。
图1.3 9种主应力图在一般情况下，单元体的3个主方向都有应力，这种应力状态称为三向应力状态。如果3个主应力大小都相等(==)，则称为球应力状态。这种应力状态不可能产生剪应力，故所有方向都可看作是主方向，而且所有方向的主应力都相等。液体中微小物体所处的就是这样一种应力状态(三向等压)，所以，习惯上常将三向等压应力称为静水压力。
单元体上3个正应力的平均值称为平均应力，用表示。平均应力的大小取决于该点的应力状态，而与坐标轴的选取无关，即
=(++)=(++)
很显然，当点的应力状态确定时，是个不变量。
任何一种应力状态都可以看成是由2种应力状态叠加而成的，如图1.4所示。一种是各应力分量大小等于平均应力的球应力状态，称为应力球张量；另一种称为应力偏张量，它的主轴方向和原应力张量相同，主轴方向的3个分量叫做应力偏量，即为－，－，－。应力球张量不产生剪应力，故不能改变物体的形状，只能使物体的体积有微小的变化。应力偏张量却相反，它所产生的剪应力与原应力张量所产生的剪应力完全相同，故只有应力偏张量才使物体发生形状的改变；而应力偏张量的平均应力为零，所以，它不会引起物体体积的变化。
图1.4 应力张量的分解除主平面不存在剪应力外，单元体其他方向截面上都有剪应力，而且在与主平面成45°角的截面上，剪应力达到极大值，称为主剪应力。主剪应力的作用面称为主剪应力面。主剪应力及其作用面共有3组，如图1.5所示，其主剪应力值分别为：
图1.5 主剪应力面及主剪应力方向(用阴影线表示)
其中绝对值最大的剪应力称为该点的最大剪应力，用表示。因为≥≥，则
=±(－)/2
最大剪应力在金属塑性变形中有重要意义。
这里，还要提及的一个重要概念是等效应力(也称为应力强度)，在主轴坐标系中有
= (1-1)
从形式上看，等效应力综合考虑了3个主剪应力的影响，它在产生变形的效果上所起的作用“等效”于整个应力状态中的偏张量部分。
单向应力状态时，≠0，==0，代入式(1-1)，即可得到=||，可见等效应力就等于单向应力值。
(2) 点的应变状态变形体内存在应力必定伴随应变，点的应变状态也是通过单元体的变形来表示的。与点的应力状态一样，点的应变状态也是一个张量。当采用主轴坐标系时，单元体就只有3个主应变分量，和，而没有剪应变分量。用主轴坐标系表示的应变状态简图称为主应变图。如图1.6所示。
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(1at=98.066kPa)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Pt，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。
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。
为什么静水压力愈大，金属的塑性会愈好呢？这可由下列理由来解释：
(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，晶间变形愈加困难，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。
图1.6 3种主应变图
图1.7 滑移面的破损受拉应力及压应力作用示意图
(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。
(4) 三向压缩作用还能抵消由于不均匀变形所引起的附加拉应力，防止表面裂纹的产生。
在板料成形中，厚度方向的应力与其他两个方向的应力比较，往往可以忽略不计，因而，可以把厚度方向应力看作零。这种应力状态就可以视为平面应力状态。平面应力问题的分析计算比三向应力问题简单，这就为研究冲压成形问题提供了方便。冲压变形的基本形式及其特点列于表1.5。
表1.5 冲压变形的基本形式名 称
应力简图
特 点
与冲压成形工序的关系
拉深变形
主要表现为压缩类成形特点
圆筒形工件拉深时的变形区或非轴对称制件拉深时的变形区内局部
胀形变形
属伸长类成形
平板毛坯或中空毛坯胀形时的变形区、翻边成形时的变形区
续表名 称
应力简图
特 点
与冲压成形工序的关系
缩口变形
属压缩类成形
空心毛坯缩口时的变形区
剪切变形
接近与压缩类成形
非轴对称制件成形时变形区内某局部
弯曲变形
应力与变形在厚度方向上分布不均
各种弯曲工序和各种成形工序中毛坯与模具曲面或圆角接触的部位
1.4.3 金属塑性变形的力学条件
1.4.3.1 真实应力—应变曲线(硬化曲线)
1,弹塑性变形共存规律在塑性变形过程中不可避免地会有弹性变形存在。可以用最简单的拉伸试验来说明这种弹塑性变形的共存现象。
低碳钢试样在单向拉伸时，可由记录器直接记录外力F和试样的绝对伸长l，从而得到如图1.8所示的拉伸试验曲线图。图中A为屈服点，为屈服强度，B点载荷最大，对应的为抗拉强度，同时，B点开始缩颈，之后为集中塑性变形，直至断裂。
由图1.8可知，在弹性变形阶段OA，外力与变形成正比关系，如果在这一阶段卸载，则外力和变形按原路退回原点，不产生任何永久变形。
在A点以后继续拉伸，材料进入均匀塑性变形阶段(AB′B)，如果在这一阶段的B′点卸载，那么外力与变形并不按原路B′AO退回到原点，而是沿与OA平行的斜线退回到C点，这时试样的绝对伸长量由加载到B′点时的Δlb减小到卸载结束时的Δlc，Δlb和Δlc之差即为弹性变形量，而Δlc为加载到B′点时的塑性变形量。这就是说，在材料进入塑性变形阶段时，同时存在着弹性变形和塑性变形，这就是弹塑性变形共存规律。很显然，在外力除去后，弹性变形得以恢复，塑性变形得以保留。
冲压时，由于弹性变形的存在，使得分离或成形后的冲压件的形状和尺寸与模具的形状和尺寸不尽相同，这是影响冲压件精度的重要原因之一。
2,真实应力、真实应变概念
(1) 真实应力材料开始塑性变形时的应力称为屈服应力。一般金属材料在塑性变形过程中产生硬化，屈服应力不断变化，这种变化着的实际屈服应力就是真实应力(亦称变形抗力)。
室温条件下，低速拉伸金属试样，使之均匀变形时，真实应力就是作用于试样瞬时断面积上的应力。真实应力也可在其他变形条件下测定，视实际需要而定。
(2) 真实应变在拉伸试验时，应变常以试样的相对伸长表示：
=Δl/l0=(l1－l0)/l0
式中,l0——试样原始标距长度；
l1——拉伸后标距长度。
不能反映试样大变形过程中瞬时变形的真实积累情况，于是需引入真实应变概念。
拉伸过程中，某瞬时的真实应变(即应变增量)为
=dl/l
式中：l——试样的瞬时长度；
dl——瞬时长度改变量。
当试样从l0拉伸至l1时，总的真实应变为
真实应变在正确反映瞬态变形的基础上，真实地反映了塑性变形的积累过程，因而得到了广泛的应用。由于它具有对数形式，因此亦称为对数应变。在均匀拉伸阶段，真实应变和相对伸长存在以下关系：
(1-2)
将式(1-2)按泰勒级数展开，得
…
由上式可知，在变形较小时，，如=0.1，则仅比小0.5%。
(3) 真实应力-应变曲线(硬化曲线)及其表达式如图1.8所示为材料力学所讨论的低碳钢的拉伸图，表达了拉伸时应力与应变的关系。图中的应力都是按变形前试样的原始截面积A0计算的条件应力(=F/A0)，而没有考虑变形过程中试样截面积的减小；图中的应变(亦称条件应变)用的是相对伸长，由于材料力学研究的弹性变形属于小变形，应力应变采用上述的表达方式并不会引起多大的误差。但对塑性变形中的大变形阶段来说就不够准确。
图1.9为低碳钢拉伸时的真实应力-应变曲线，对照图1.8，可以看到真实应力-应变曲线更直观更真实地反映了加工硬化导致变形抗力不断升高的事实。
金属塑性成形理论中，普遍采用真实应力和对数应变表示的真实应力-应变曲线。由于真实应力和对数应变更真实地反映了变形的真实情况，真实应力-应变曲线也就更真实地反映了金属材料塑性变形的硬化现象及其规律。了解和掌握这一规律对指导冲压实践有重要意义。
图1.10是几种金属的真实应力-应变曲线(亦称硬化曲线)，从中可以了解这些金属的硬化趋势。这些硬化曲线可在拉伸、压缩等实验中获得，而且基本上是一致的。一般说来，对这些硬化曲线所表达的应力-应变关系难以建立简单的函数形式。
为了使用的方便，希望把硬化曲线以函数形式表达出来。实验研究表明，很多金属的硬化曲线近似于抛物线形状，对于立方晶格的退火金属(如Fe、Cu、Al等)，其硬化曲线可相当精确地用幂函数曲线表示，其数学表达式为：
式中：K——与材料有关的系数(MPa)；
n——硬化指数。
K与n的值与材料的种类和性能有关，都可通过拉伸试验求得，部分金属材料的K值与n值列于表1.6中。
硬化指数n是表明材料冷变形硬化的重要参数，对板料的冲压性能以及冲压件的质量都有较大的影响。图1.11所示是不同n值材料的硬化曲线。硬化指数n大时，表示冷变形时硬化显著，对后续变形工序不利，有时还不得不增加中间退火工序以消除硬化，使后续变形工序得以进行。但是n值大时也有有利的一面，对于以伸长变形为特点的成形工艺(如胀形、翻边等)，由硬化引起的变形抗力显著增加，可以抵消毛坯变形处局部变薄而引起的承载能力的减弱。因而可以制止变薄处变形的进一步发展，而使之转移到尚未变形硬化的部位。这就提高了变形的均匀性，使变形后的制件壁厚均匀，刚性好，精度也高。
图1.10 几种金属在室温下的真实应力-应变曲线
图1.11 n值不同时的硬化曲线
表1.6 部分金属材料的K值与n值材 料
K/MPa
n
材 料
K/MPa
n
08F
708.8
0.185
LY12M
366.3
0.192
08Al(ZF)
553.5
0.252
LF2
165.6
0.164
20
709.1
0.166
T2
538.4
0.455
Q235
630.3
0.236
H62
773.4
0.513
1Cr18Ni9Ti
1093.6
0.347
QSn6.5-0.1
864.5
0.492
在冲压工艺中，有时也用到硬化直线。硬化直线是硬化曲线的简化形式，一般说来，和实际的硬化曲线存在较大的差别，尤其在变形程度很小和很大时，差别就更加显著，这些使硬化直线的应用受到一定的限制。
1.4.3.2 屈服条件从材料力学的研究范围来看，总的来说是弹性变形的范畴，不希望材料出现塑性变形，因为材料的塑性变形意味着破坏的开始。材料力学中的第三、第四强度理论阐述的就是引起塑性材料流动破坏的力学条件。然而从冲压工艺来看，恰恰是金属材料在模具作用下产生塑性变形的特点才使冲压成形工艺成为可能。金属塑性变形是各种塑性成形方法得以实现的基础。因此，金属塑性成形理论所研究的对象已超出弹性变形而进入塑性变形的范畴，屈服条件正是研究材料进入塑性状态的力学条件，因而它从形式上来讲和材料力学中的第三、第四强度理论是一致的。
当物体中某点处于单向应力状态时，只要该向应力达到材料的屈服点，该点就开始屈服，由弹性状态进入塑性状态。可是对于复杂应力状态，就不能仅仅根据一个应力分量来判断一点是否已经屈服，而是要同时考虑其他应力分量的作用。只有当各个应力分量之间符合一定的关系时，该点才开始屈服。这种关系就称为屈服准则(或叫屈服条件、塑性条件)。
法国工程师H.Tresca(屈雷斯加)通过对金属挤压的研究，于1864年提出：当材料(质点)中的最大剪应力达到一定值时，材料就开始屈服。通过单向拉压等简单试验可以确定该值就是材料屈服点的一半(/2)。设≥≥，则按上述观点可得Tresca屈服准则的数学表达式为：
max=(－)/2=/2
或
－=
Tresca屈服准则形式简单，概念明确，较为满意地指出了塑性材料进入塑性状态的力学条件。在事先知道主应力次序的情况下，使用该准则是十分方便的。然而该准则显然忽略了中间主应力的影响，实际上在一般的三向应力状态下，中间主应力对于材料的屈服也是有影响的。
德国力学家Von Mises(米塞斯)于1913年提出另一屈服准则，该准则也可以表述为当材料(质点)中的等效应力达到某一定值时，材料就开始屈服。同样，通过单向拉压等简单试验，可以确定该值其实就是材料的屈服点。于是按此观点可写出Mises屈服准则的数学表达式如下：
或
以后的大量试验表明，对于绝大多数金属材料，Mises准则比Tresca准则更接近于实验数据。
这两个屈服准则实际上相当接近，在有两个主应力相等的应力状态下两者是一致的。为了使用上的方便，Mises准则可以改写成接近Tresca准则的形式：
(1-3)
式中的值的变化范围为1~1.155，体现了中间主应力的影响。
Tresca准则相当于式(1-3)中≡ 1的情况。当点的应力状态为单向应力叠加球张量时，两个准则是一致的；在平面应变状态，两个准则相差最大，为15.5%。
由以上分析可知，只要采用不同的值，式(1-3)也可成为两个准则的统一表达式。
冲压生产中使用的一般都是硬化材料。在冲压成形过程中，随着变形程度的增加，材料的屈服点不断上升，目前在工程上往往借助Mises准则的简化形式来表达硬化材料的屈服条件：
式中：——真实应力，即由实际变形程度所决定的产生加工硬化的材料的变形抗力，即
＝Kn
1.4.3.3 塑料变形时的应力应变关系
1,塑性变形时的体积不变规律金属材料在塑性变形时，球张量部分引起的体积变化很小，可以忽略不计。因此，一般认为塑性变形时体积不变。
设长方体试样的原始长宽厚为l0，b0，t0，在均匀塑性变形后成为l，b，t，根据体积不变条件，有
lbt/(l0b0t0)=1
等式两边取对数可得
以真实应变的形式表示，即为
＋＋＝0
上式就是塑性变形时的体积不变规律。就是说，在塑性变形时，3个主应变之和等于零。由此可知，塑性变形时，3个主应变分量不可能全部是同号的；而且只可能有三向和平面应变状态，不可能有单向应变状态。如用主应变图表示应变状态，那么主应变图只有3种，如图1.6所示。在平面应变状态下(图1.6(b))，根据体积不变规律，可以断定不为零的2个主应变绝对值相等，符号则相反。
2,塑性变形的全量理论及其应用在拉伸试验时的弹性变形阶段，无论加载或卸载，应力都与应变成正比。显然，弹性变形时，应力应变关系与加载历史无关。
进入塑性变形阶段，情况就不同了，在拉伸试验中，可以看到材料屈服以后，变形过程就不可逆了。加载、卸载应力与应变的关系沿着不同的路线变化。如图1.12所示，在同一个应力作用下，因为加载历史不同，与之相对应的应变可能是，′，″，反之，对应于同一个应变′，应力可能是，。这就难以在应力和应变之间找到一种确定的关系。
图1.12 加载历史不同，应力应变关系不确定示意图
为了揭示塑性变形时的应力应变关系，必须规定简单加载的条件。所谓简单加载，即指在加载过程中，只能加载，不能卸载，各应力分量按同一比例增加。
很显然，前面讨论的真实应力—应变曲线或幂函数的表达式，是在简单加载条件下获得的，表达的是单向应力和应变的关系。然而在绝大多数冲压成形过程中，并不具备简单加载的条件，毛坯的变形区很少处于单向应力状态，而是受到两向甚至三向的应力作用。在变形过程中的任一时刻，变形体的应力状态只与该时刻的受力情况有关，与整个加载过程无关，而此时的塑性应变值却是该时刻以前经历过的变形过程中应变的积累的结果，二者并不存在对应关系，二者的主轴方向也不可能一致。为了建立变形体受力和变形之间的关系，只有取某一微小时间段Δt来研究。在Δt内，受力的单元体的每个应变分量都将产生一个应变增量。研究表明，每个应变增量的分量与对应的偏应力分量成正比，这就是增量理论。
增量理论的数学表达式
(1-4)
上式可改成
可见，塑性变形时，每一瞬间的应力只与该瞬间的应变增量有关，而与该瞬间的应变值(全量应变)无关。但在简单加载的条件下，应力与应变增量的主轴方向不会发生变化，并与全量应力的主轴重合，可对式(1-4)进行积分，从而可得全量理论的表达式如下：
(1-5)
上式也可改写成
(1-6)
由式(1-6)可见，全量理论表达的应力应变关系为主应力差与主应变差成比例(比值 为正)。
增量理论具有普遍性，但在实用上不够方便。全量理论是在增量理论的基础上得到的，对于简单加载是正确的；对于非简单加载的大变形问题，只要变形过程中主轴方向的变化不是太大，应用全量理论也不会引起太大的误差；再加上使用上的方便，因此，在冲压工艺中就常常应用全量理论。
全量理论的应力应变关系式(1-5)、(1-6)是对压力加工中各种工艺参数进行计算的基础，除此之外，还可利用它们对某些冲压成形过程中毛坯的变形和应力的性质作出定性的分析和判断。例如：
(1) 在球应力状态时，有＝＝＝，由式(1-5)可得1＝2＝3＝0，这说明在球应力状态下，毛坯不产生塑性变形，仅有弹性变形存在。
(2) 在平面变形时，如设2＝0，根据体积不变规律，则有1＝－3，利用式(1-5)，可得－＝0，即有＝。这说明在平面变形时，在主应力与平均应力相等的方向上不产生塑性变形，而且这个方向的主应力即为中间主应力，其值是另外两个主应力的平均值(即=(++)/3，也可表达为=(+)/2)。宽板弯曲时，宽度方向的变形为零，即属于这种情况(见表1.5中的图例)。
(3) 平板毛坯胀形时，在发生胀形的中心部位，其应力状态是两向等拉，厚向应力很小，可视为零，即有＝＞0，＝0，属平面应力状态。利用式(1-5)可以判断变形区的变形情况，这时，＝＝－/2，在拉应力作用方向为伸长变形，而在厚向为压缩变形，其值为每一个伸长变形的2倍。由此可见，胀形区变薄是比较显著的(见表1.5中的图例)。
(4) 当毛坯变形区三向受压(0＞＞＞)时，由式(1-5)的分析可知，在最大的压应力(绝对值最大)方向上的变形一定是压缩变形，而在最小压应力(绝对值最小)方向上的变形必为伸长变形。
由(3)、(4)可见，判断毛坯变形区在哪个方向伸长，在哪个方向缩短，不是单纯根据应力的性质。换句话说，拉应力方向不一定是伸长变形，压应力方向不一定是压缩变形，而是要根据主应力的差值才能判定。
当作用于毛坯变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，这种冲压变形可称为伸长类变形，一般以变形区板材变薄为特征。如冲压工艺中的胀形，圆孔翻边、扩口、拉形等属于伸长类变形；当作用于毛坯变形区内的压应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，这种冲压变形称为压缩类变形，一般以变形区板厚增加为特征。如筒形件拉深和缩口等属于压缩类变形(参见表1.5)。
由于伸长类变形和压缩类变形在变形特点上有本质差别，因此在冲压过程中出现的问题也完全不同，如伸长类变形容易使变形区在拉应力作用下过度变薄而破坏，而压缩类变形易使变形区失稳而起皱，这就需要采取不同的方法来解决。
1.4.4 冲压成形中的变形趋向及其控制冲压成形过程中，在同一模具的作用下，同一毛坯的各个部分可能以不同的方式变形，即具有不同的变形趋向性。
冲压设备施加的作用力，通过模具作用于毛坯，使其发生塑性变形。通常可以把毛坯划分成变形区和非变形区，非变形区又可分为已变形区、待变形区和不变形区。若非变形区也受到力的作用，又可称其为传力区。作为相连的整体，变形区和传力区同时受到变形力F的作用，但是各部分的应力应变状态并不相同，随着变形力的增加，通常总有一个部分在有利的变形条件下先行屈服，进入塑性状态，产生塑性变形，因此可以认为这个部分是相对的弱区。例如在图5.23所示的缩口变形中，A区是弱区(变形区，所需的变形力F小)，B区是强区/传力区(上部为待变形区，下部为不变形区)，C区是已变形区。
为保证冲压过程的顺利进行，必须保证冲压工序中应该变形的部分——变形区成为弱区，以便把塑性变形局限于变形区，同时，排除传力区产生不必要的塑性变形的可能。由此可以得出一个十分重要的结论：在冲压成形过程中，需要最小变形力的区是个相对的弱区，弱区必先变形，变形区应为弱区。这个结论在冲压生产中具有很重要的实用意义。
当变形区和传力区有2种以上变形方式时，则首先发生的是需变形力最小的变形方式。因此，在工艺过程设计和模具设计时，除要保证变形区为弱区外，还要保证其所需的变形方式要求最小的变形力。例如，在缩口时，变形区可能产生的塑性变形是切向收缩的缩口变形或在切向压应力作用下的失稳起皱；传力区可能产生的塑性变形是镦粗或纵向失稳。在这4种变形趋向中，只有满足缩口所需的变形力最小这个条件，缩口才可能正常进行。
在成形过程中，变形区和传力区或者说弱区和强区在一定条件下可以互相转化，改变某些条件就可以实现对变形趋向性的控制，其措施如下。
(1) 改变毛坯各部分的相对尺寸。如图1.13(a)所示的毛坯，当其外径D0，内孔d0及凸模直径有不同的比例时，有3种可能的变形趋向：拉深、翻边和胀形，从而形成3种完全不同的制件。
图1.13(b)中，D0，d0都比较小，即D0/<(1.5~2.0)，d0/<0.15，宽度为(D0－)的外环部分成为弱区，于是得到外径收缩的拉深变形。
图1.13(c)中，D0，d0都比较大，即D0/>2.5，d0/>(0.2~0.3)，宽度为(－d0)的内环部分成为弱区，于是得到内孔的翻边变形。
图1.13(d)中，D0比较大，d0却比较小甚至等于零，即D0/>2.5，d0/<0.15，这时，毛坯外环的拉深变形和中间部分的翻边变形的阻力都增大了，使中间部分的胀形成为需要变形力最小，因而最易实现的变形方式，于是可得毛坯中间部分变薄的胀形变形。
图1.13 环形毛坯的变形趋向
F—冲压力；FQ—压边力；—凸模圆角半径；—凹模圆角半径图1.14是钢球活座套的冲压工艺实例，包括落料、拉深、冲孔、翻边4道冲压工序。在第2道工序——拉深时，毛坯的外环是弱区，变形后，其外径由59mm减小到52mm，但当冲出24mm的内孔后，毛坯中间部分转化为弱区，而变形后的外环部分转化为强区，结果使变形区转移到毛坯的中间部分，保证了第4道工序——内孔翻边变形的进行。
(2) 改变模具工作部分的几何形状和尺寸。这主要是指改变凸模和凹模圆角半径。圆角半径增大，可以减少变形时的阻力。如在图1.13(c)中，增大凸模的圆角半径，减小凹模的圆角半径，可使翻边的阻力减小，拉深变形的阻力增大，因而有利于翻边的进行。反之，减小，增大，则有利于拉深变形。生产中(调模)经常采用修磨圆角的方法以控制毛坯的变形趋向。
图1.14 钢球活座套的冲压工艺实例
(3) 改变毛坯和模具之间的摩擦阻力。例如，增大图1.13中所示的压边力FQ，使毛坯和压边圈及凹模端面之间的摩擦力增大，结果不利于拉深变形而有利于翻边或胀形的实现。减小压边圈的压力，在毛坯和凹模之间加润滑剂，可以减小毛坯和凹模表面的摩擦阻力，从而有利于拉深变形。
(4) 改变毛坯局部区域的温度。主要指局部加热或局部冷却的方法。例如，在拉深和缩口时，对变形区进行局部加热，使变形区得到软化，从而有利于变形的进行。又如在不锈钢制件的大变形拉深时，采用局部深冷传力区的方法，来增大其承载能力，防止拉裂。
1.5 冲压用板料冲压加工的对象可以是金属(如钢、铝合金、铜合金等)，也可以是非金属(如塑料、皮革、纸板等)，但主要是经热轧或冷轧成形的金属板料。金属板料是由冶炼的锭坯经过反复轧制加工得到的，使得板料的性能上有一些特殊的表现。了解板料的冲压性能、懂得合理选用板材，对制造高质量的冲压制件具有重大意义。
1.5.1 板料的冲压成形性能和评定方法板料的冲压成形性能是指其对各种冲压成形方法的适应能力。板料便于冲压加工，单个冲压工序的极限变形程度和总极限变形程度大，容易得到高质量的冲压件，就是成形性能好。板料的冲压成形性能是一个综合性概念，包括抗破裂性、贴模性、定形性(冻结性)。
抗破裂性涉及板料在各种冲压成形工艺中的最大变形程度(成形极限)，如极限拉深系数、极限胀形系数、极限翻边系数等。
贴模性是指板料在冲压成形过程中获得模具形状和尺寸并不产生板面缺陷的能力。若在冲压成形过程中，板料出现内皱、翘曲、塌陷、鼓起等缺陷，则其贴模性能不良。
定形性是指制件脱离模具后保持其在模具内既得形状和尺寸的能力。
板料冲压成形性能的评定方法很多，概括起来可分为直接试验和间接试验两类 (图1.15)。
图1.15 板料冲压成形性能评定方法体系实物冲压试验是利用实际生产设备与模具，在与生产完全相同的条件下进行实际冲压制件的性能评定，当然能够得到最可靠的效果。但是，这种方法不具有普遍意义，不能作为行业之间的通用标准进行信息交流。
模拟试验是把生产中实际存在的冲压成形方法作归纳与简化处理，变为轴对称的成形方法，消除许多过于复杂的因素，在保证试验中板料的变形性质与应力状态均与实际冲压成形相同的条件下进行冲压成形性能的评定工作。为了保证模拟试验结果的可靠性与通用性，国家标准《金属薄板成形性能与试验方法(GB/T 15825)》规定有十分具体的关于试验用工具的几何形状与尺寸、毛坯的尺寸、试验条件(冲压速度、润滑方法、压边力等)。目前使用较多、而且具有普遍意义的几种模拟试验方法的特点列于表1.7。
表1.7 常用模拟试验方法的特点试验方法
试验目的与评定内容
试验结果表示方法
Erichsen试验
胀形性能
Erichsen 值(mm)
拉深试验
拉深性能
极限拉深比LDR
扩孔试验
扩口性能
扩口系数
弯曲试验
塑性与应变梯度大时的抗缩颈能力
最小弯曲半径(mm)
间接试验法的特点是，在对板料在塑性变形过程中所表现出的基本性质与规律进行分析与研究的基础上，进一步把它们和具体的冲压成形中的板料的塑性变形参数联系起来，建立间接试验结果与具体的冲压成形性能(工艺参数)之间的相关性。
1.5.1.1 间接试验间接试验方法中的力学性能试验除了图1.15中列出的方法外，还有剪切试验、扭转试验等，其中单向拉伸试验简单易行，应用广泛。研究表明，单向拉伸试验所得结果能从不同角度反映板料的冲压成形性能，因而是一项很重要的试验方法。
为了适应鉴定板料冲压成形性能的要求，对传统的拉伸试验做了必要的补充与改进，制定有相应的方法与条件指导性标准。图1.16所示为从待试验的板料上截取的标准试样尺寸及其截取方位。
图1.16 板料单向拉伸标准试样及其截取方位图1.17是在万能材料试验机上进行的板料单向拉伸试验过程及试验测得的拉伸力与伸长值的关系曲线——拉伸曲线。现就其中几项指标说明如下：
图1.17 板料单向拉伸试验过程及拉伸曲线
(a) 拉伸前试样；(b) 均匀拉伸阶段；(c) 塑性失稳/缩颈；
(d) 破坏/厚度方向失稳；(e) 断裂截面畸变；(f) 拉伸曲线
(1) 延伸率 试样出现缩颈之前的延伸率叫做均匀延伸率；试样屈服阶段的延伸率叫做屈服延伸率；试样拉断之前的延伸率叫做总延伸率。延伸率大，板料允许的塑性变形程度也大，抗破裂性较好。
(2) 屈服强度 试验表明，屈服强度小，材料易屈服，成形后回弹小，贴模性和定形性较好。但屈服延伸率大，会在板料表面出现明显的滑移线痕迹，导致制件表面粗糙。
(3) 屈强比 屈服强度与抗拉强度之比/叫做屈强比。/数值小，板料由屈服到破裂的塑性变形阶段长，抗破裂性好，有利于冲压成形；/数值小，回弹小，定形性好。可以说，/数值小对所有冲压成形都有利。我国标准规定，用于拉深最复杂制件的深拉深用ZF级钢板的/值不大于0.66。
(4) 硬化指数 硬化指数n表示板料在冷塑性变形中的硬化强度(参见表1.6)。n值大，硬化效应大，抗缩颈能力强，或者说，当某局部出现缩颈，由于硬化使得变形抗力增大，就不再继续缩颈；未出现缩颈部位尚未硬化，就容易变形，这就使得集中变形被分散、转移，从而整体变形更趋均匀；n值大，推迟破裂的到来，抗破裂性也强。尤其对胀形等伸长类变形有明显的减少毛坯局部变薄、增大成形极限的作用。n值的测试方法见国家标准GB 5028。
(5) 塑性应变比(板厚方向性系数) 由于板料在制造过程中要经历轧制与退火等工艺，杂质和偏析物会定向分布，使其形成结晶方位趋于一致的织构组织，在宏观上表现为各向异性。板料的各向异性对冲压成形性能有很大影响。在单向拉伸试验时，宽度b方向的应变不等于厚度t方向的应变，且这2个应变的数值也都不等于长度l方向应变的一半。
为此，用塑性应变比r值来表示板料的各向异性：
r=/= ln(b/b0)/ln(t/t0)
式中：b0，b，t0，t——分别为变形前、后试样的宽度和厚度。具体测试方法见GB 5027。
r值反映了板厚方向和板料平面方向之间变形难易程度的差异，又由于板料平面上存在各向异性，故常用加权平均值表达平均塑性应变比
式中：r0，r90，r45的角标分别为拉伸试样相对于轧制方向的角度值(见图1.16(b))。
值对拉深成形性能影响很大。值大，板料平面方向容易变形，板料厚度方向较难变形。就筒形件来说，筒壁在拉应力作用下不易变薄，不易拉破，而变形区凸缘上的切向压缩变形和径向伸长变形容易进行。起皱趋势小，压边力减小，反过来又使筒壁拉应力减小，使筒形件的拉伸极限变形程度增大。同样，对于曲面制件的拉深，值大，也使板料中间部分变薄量小且不容易起皱。因此，值大也反映了板料抗破裂性和贴模性的提高。
(6) 板平面各向异性指数 板平面各向异性指数用表示
||愈大，方向性愈明显，对冲压成形的影响也愈大。例如当弯曲件的折弯线与纤维方向垂直时，允许的极限变形程度就大；而折弯线平行于纤维方向时，允许的变形程度就小。方向性愈强，两者差距愈明显。又如筒形件拉深中，由于板平面方向性使拉深件出现口部不齐的凸耳现象(见图1.18)，方向性愈强，凸耳愈高。||愈大，在拉深、翻边、胀形等变形过程中能引起毛坯变形不均匀，其结果不但可以因为局部变形程度过大而使总体的极限变形程度减小，而且还可能引起壁厚不等而降低制件质量。可见，生产上应尽量选用||值小的板料。凸耳试验方法与装置见国家标准GB/T 15825.4。
图1.18 拉深件的凸耳表1.8是几种板料的值与值。
表1.8 几种板料的值与值材 料
r0
r 45
r 90
沸腾钢板铝镇静钢板不锈钢板铝(半硬)板纯铜(软)板黄铜(软)板钛板
1.23
1.68
1.02
0.41
0.90
0.94
4.00
0.91
1.19
1.19
1.12
0.94
1.12
5.49
1.58
1.90
0.98
0.81
0.77
1.01
7.05
1.16
1.49
1.10
0.87
0.89
1.05
5.51
0.51
0.60
－0.19
－0.51
－0.10
－0.14
0.04
间接试验还包括硬度检查和金相检查。其中通过检测硬度能在一定范围内迅速判断冲压成形性能的好坏，一般来说，硬度低，冲压成形性能较好，但过低的硬度在冲裁加工中容易出现毛刺；通过金相检查可以观察板料的晶粒度、纤维方向、夹杂等。
1.5.1.2 直接试验直接试验主要指模拟试验，是直接模拟某一类实际成形方式来成形小尺寸的试样，由于应力应变状态基本与实际生产相同，故试验结果能更确切地反映这类成形方式下板料的冲压成形性能。下面择要介绍几种。
1,弯曲试验测定或评价板料弯曲性能的方法常用反复弯曲试验，就是将试样夹持在专用钳口内，朝两个方向轮番反复折弯90°，直至出现破裂。弯曲半径愈小、能反复弯曲的次数愈多，其弯曲成形性能愈好。反复弯曲试验方法及试验装置详见国家标准GB 235。
国家标准GB/T 15825.5规定了采用一系列不同底部弧面半径的凸模(或不同厚度的垫模)，将试样按照规定的弯曲角成形后，检查其变形区外侧表面，以确定该表面不产生裂纹或显著凹陷的最小相对弯曲半径作为金属板料的弯曲性能指标。这种弯曲是一次性的。
2,Erichsen试验(胀形性能试验)
该试验装置如图1.19(a)所示。试验时将圆片状试样放在凹模平面上，用外环压住周边，用球形冲头将板料压入凹模。试验时试样外径不收缩，仅中间部分受到两向拉应力作用而胀形。试样发生裂纹时冲头的压入深度称为Erichsen值，深度愈大，胀形成形性能愈好。详见国家标准GB 4156。
Erichsen试验的结果受试样表面润滑的影响较大，所以对润滑剂与润滑方法都有一定的要求。后期出现的用液体压力代替球形刚体冲头的胀形性能试验方法，消除了润滑的影响，从道理上讲是合理的，但应用不普遍。
3,拉深试验测定或评价板料拉深性能的指标有LDR(Limiting Drawing Ratio，极限拉伸比)值、TZP(Tief Ziehen Prüfung)值、CCV(Conical Cup Value)值等，其中用冲杯试验(参见国家标准GB/T 15825.3)测定LDR值使用较多，其试验装置如图1.19(b)所示。
图1.19 Erichsen试验装置与冲杯试验装置
1—冲头；2—压边圈；3—凹模；4—试样用不同直径的圆片试样，在图示装置中进行拉深成形，取试样不致破裂时可能拉深成功的最大试样直径(D0)max与冲头直径dp之比值，作为极限拉深比，其计算式为
LDR=(D0)max/dp
LDR值愈大，板料拉深成形性能愈好。LDR值是第4章要学到的极限拉深系数mmin的倒数。
此外，为了分析板料的流动情况与变形方式，以便确定合理的毛坯形状尺寸、修改模具、改进润滑或提出改进零件设计的建议等，会用到应变分析网格法来进行更为细致深入的分析。就是，在毛坯表面预先制作出坐标网格(小方格或小圆圈)，冲压成形后，测量分析网格的变形。在分析复杂制件的成形中有非常广泛应用的FLD(Forming Limit Diagrams，成形极限图)就是用这种方法建立的。
1.5.2 常用板料
1.5.2.1 对冲压用板料的基本要求冲压用板料不仅要满足使用要求，还应能适应冲压工艺要求。
(1) 冲压成形性能方面对于分离工序，要求板料具有一定的塑性。对于成形工序，为了有利于加工成形和保证制件质量，板料应具有良好的抗破裂性、贴模性和定形性。
(2) 表面质量方面为了保证制件质量和模具使用寿命，板料的表面应光洁平整、无损伤缺陷。
(3) 厚度公差因为一定的模具间隙适用于一定厚度的板料，板料厚度公差太大，不仅直接影响制件的质量，还可能导致废品的出现。在校正弯曲、整形等工序中，板料厚度的正偏差过大，有可能引起模具或设备过载而损坏。所以，板料的厚度公差应符合有关标准。
1.5.2.2 板料的种类冲压用板料主要是金属材料，有时也用非金属材料。
常用的金属材料分黑色金属和有色金属2种。黑色金属包括普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢、弹簧钢、碳素工具钢、不锈钢、硅钢、电工纯铁等。有色金属包括纯铜、黄铜、青铜、白铜、铝合金等。
钢板是冲压生产中使用量最多的原材料，一般厚板(t＞4mm)为热轧板，薄板(t≤4mm)为冷轧板。冷轧板尺寸精度高、表面光亮，内部组织更致密，表1.9是冷轧钢板与热轧钢板在质量与性能方面的大致对比。
表1.9 冷轧钢板与热轧钢板的对比项 目
热轧钢板
冷轧钢板
表面粗糙度Ra/μm
20~25
0.25~2.5
厚度公差/mm
±(0.18~0.25)
±(0.08~0.13)
均匀延伸率/%
27~35
37~42
塑性应变比r值
0.8~0.95
1.1~1.8
表1.10与表1.11给出了部分黑色金属的力学性能，表1.12给出了部分有色金属的力学性能。板料的化学成分可查阅有关手册。
表1.10 部分黑色金属的力学性能材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
电工纯铁
DT1~DT3
已退火
177
225
26
电工硅钢
D11等
已退火未退火
441
549
普通碳素结构钢
Q215
Q235
Q255
未退火
265~333
304~373
333~412
333~412
432~461
481~511
216
235
255
26~31
21~25
19~23
优质碳素结构钢
08F
08
10F
10
15F
15
20F
20
25
30
35
40
45
50
已退火
216~304
255~353
216~333
255~333
245~363
265~373
275~383
275~392
314~432
353~471
392~511
412~530
432~549
432~569
275~383
324~441
275~412
294~432
314~451
333~471
333~471
353~500
392~539
441~588
490~637
511~657
539~686
539~716
177
196
186
206
225
225
245
275
294
314
333
353
373
32
32
30
29
28
26
26
25
24
22
20
18
16
14
186
194
198
196
206
198
197
197
209
200
216
60
70
已正火
539
588
≥686
≥745
402
422
13
11
204
206
10Mn2
65Mn
已退火
314~451
588
392~569
736
225
392
22
12
207
207
碳素工具钢
T7~T12A
已退火
588
736
≤10
续表材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
合金结构钢
25CrMnSiA
30CrMnSiA
已低温退火
392~549
432~588
490~686
539~736
18
16
弹簧钢
60Si2Mn
65Si2WA
已低温退火
706
883
10
196
不锈钢
2Cr13
4Cr13
已退火
314~392
392~471
392~490
490~588
441
490
20
15
206
206
1Cr18Ni9Ti
经热处理
451~511
569~628
196
35
196
表1.11 深拉深冷轧薄钢板的力学性能(GB 5213和GB 710)
钢号
钢板厚度/mm
拉深级别
力 学 性 能
/MPa
/MPa，≤
/%，≥
08Al
全部
ZF/最复杂
HF/很复杂
255~324
255~333
196
206
44
42
>1.2
1.2
<1.2
F/复杂
255~343
216
216
235
39
42
42
08F
≤4
Z/最深拉深
S/深拉深
P/普通拉深
275~363
275~383
275~383
—
34
32
30
08
≤4
Z
S
P
275~392
275~412
275~412
—
32
30
28
10
≤4
Z
S
P
294~412
294~432
294~432
—
30
29
28
15
≤4
Z
S
P
333~451
333~471
333~471
—
27
26
25
20
≤4
Z
S
P
353~490
353~500
353~500
—
26
25
24
表1.12 部分有色金属的力学性能材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
铝
L2~L7
已退火冷作硬化
78
98
74~108
118~147
49~78
25
4
71
防锈铝
LF21
已退火半硬化
69~98
98~137
108~142
152~196
49
127
19
13
70
LF2
已退火半硬化
127~158
158~196
177~225
225~275
98
206
69
硬铝
(杜拉铝)
LY12
已退火淬硬+自然时效淬硬+冷作硬化
103~147
275~304
275~314
147~211
392~432
392~451
361
333
12
15
10
71
71
纯铜
T1~T3
软硬
157
235
196
294
69
30
3
106
127
续表材料名称
牌号
状态
/MPa
/MPa
/MPa
/%
E/103MPa
黄铜
H62
软半硬硬
255
294
412
294
373
412
196
35
20
10
98
H68
软半硬硬
235
275
392
294
343
392
98
245
40
25
15
108
108
113
铅黄铜
HPb59-1
软硬
294
392
343
441
142
412
25
5
91
103
铍黄铜
QBe2
软硬
235~471
511
294~588
647
245~343
30
2
115
129~138
白铜
B19
软硬
235
353
392
784
35
5
140
钛合金
TA2
TA3
TA5
退火
353~471
432~588
628~667
441~588
539~736
785~834
25~30
20~25
15
102
为了满足某些特殊需要，冲压生产中可能会用到复合金属板，如钢-铜复合板、钢-铝复合板、钢-不锈钢复合板、不锈钢-铝复合板等。此外还有覆塑钢板、镀层钢板、双相钢板等。这些板料兼有其组分的力学性能和物理性能，但详细的数据资料还有待于完善。
常用的非金属材料有皮革、塑料、橡胶、云母、纤维板、胶合板、纸板等。
1.5.2.3 板料的规格冲压用板料包括板(状)料、卷料、带料、条料、箔料等。
板料的使用场合比较多。板料的尺寸规格用厚度×宽度×长度表示，表1.13为轧制薄钢板规格。一般中小制件的冲压使用条料，可用剪板机将板料剪裁成需要的宽度和长度。
表1.13 轧制薄钢板规格(GB 708) mm
500
600
(710)
750
800
850
900
950
1000
1100
1250
1400
1500
冷 轧
0.2，0.25，
0.3，0.4
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.5，0.55，
0.6
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.7，0.75
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
1500
2000
0.8，0.9
1000
1500
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
2000
2000
2200
2000
2500
1.0，1.1，1.2，
1.4，1.5，1.6，
1.8，2.0
1000
1500
2000
1200
1800
2000
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1800
2000
2000
2000
2200
2000
2500
2800
3000
3500
2800
3000
3500
续表
500
600
(710)
750
800
850
900
950
1000
1100
1250
1400
1500
冷 轧
2.2，2.5，
2.8，3.0，
3.2，3.5，
3.8，4.0
1000
1500
2000
500
1200
1800
2000
600
1420
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1500
1800
2000
1800
2000
热 轧
0.35，0.4，
0.45，0.5，
0.55，0.6，
0.7,0.75
1000
1500
2000
1200
1500
1800
2000
1000
1420
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1700
2000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
0.8，0.9
1000
1500
1200
1420
1420
2000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
1.0，1.1，
1.2，1.25，
1.4，1.5，
1.6，1.8
1000
1500
2000
1200
1420
2000
1000
1420
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
2.0，2.2
2.5，2.8
500
1000
1500
600
1200
1500
1000
1420
2000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
1500
2000
3000
2200
3000
4000
2500
3000
4000
2800
3000
4000
3000
4000
3.0，3.2，
3.5，3.8，
4.0
500
1000
600
1200
1420
1200
1000
1500
1800
2000
1500
1600
2000
1500
1700
2000
1000
1500
1800
2000
1500
1900
2000
2000
3000
4000
2200
3000
4000
2500
3000
4000
2800
3000
3500
4000
3000
3500
4000
注：资料来源为参考文献第11项的第32页。
为了提高材料利用率，生产量大的情况下，可选用卷料，以便根据需要在开卷剪切下料线上裁切成合适的长度；既可裁切成矩形，也可裁切成平行四边形、梯形、三角形等形状。
带料主要是薄料，宽度在300mm以下，长度可达数十米，成卷供应，用于大批量生产的自动送料，以提高生产效率。普通碳素结构钢冷轧带料的厚度范围为0.10~3.00mm，宽度范围为10~250mm(参见GB 716)。
箔料主要用于有色金属制件。
1.6 冲压设备简介用于冲压加工的设备与其他机械加工设备比较，有以下明显特点：工作机构只需作简单的往复运动，复杂的冲压工序主要靠模具完成；传动系统灵敏可靠，规律性强，易实现机械化和自动化。
根据传动方式不同，冲压设备共有曲柄压力机、液压机、气动压力机、电磁压力机4大类，其中曲柄压力机应用最广泛。
1.6.1 曲柄压力机
1.6.1.1 曲柄压力机的基本组成曲柄压力机是一种通用金属成形机床，图1.20所示为一种典型的曲柄压力机传动原理与外观。曲柄压力机由下列几部分组成：
图1.20 开式可倾压力机(J23-16)
1—电动机；2—皮带；3—飞轮；4—离合器；5—曲轴；6—连杆；7—滑块；
8—工作台垫板；9—工作台；10—制动器；11—机身；12—机座
(1) 机身 机身11是压力机的骨架，承受全部冲压力，并将压力机所有的零部件联结起来，保证全机所要求的精度、强度和刚度。机身上固定有工作台垫板8，用于安装下模。
(2) 工作机构 即为曲柄连杆机构。由曲轴5、连杆6、滑块7等组成。电动机1通过皮带把能量传给飞轮3，通过离合器4传给曲轴，并经连杆把曲轴的旋转运动变成滑块的上下往复运动。上模固定在滑块上。
(3) 操纵系统 由离合器4、制动器10、电子电器检测控制装置等组成，现代化设备上还装备了工业控制计算机。离合器是用来根据工艺操作需要连接或中断能源系统与工作机构的联系的装置。制动器是在当离合器分离时，使滑块停止在所需的位置上。离合器的离、合，即压力机的开、停是通过操纵系统控制的。
(4) 传动系统 包括由大、小皮带轮及皮带组成的带轮传动机构(大中型压力机还设有传动轴和大、小齿轮组成的齿轮传动机构)等。其作用是减速增力，将电动机的运动和能量传递给工作机构。
(5) 能源系统 指电动机与飞轮(带轮)。一般冲压加工的有效工作时间都很短，就是说曲柄压力机在一个工作循环中，只在较短的时间内承受高峰负荷，而在较长的时间内是无负荷空转，为了降低电动机功率并使其负荷均匀、运行平稳，在压力机上装有转动惯量很大的飞轮，压力机空载时，飞轮储存电动机提供的能量，压力机工作时飞轮释放能量。
除上述基本部分外，还有一些辅助装置，如：气路系统、润滑系统、保险装置、快速换模装置、气垫及计数装置等。
1.6.1.2 曲柄压力机的主要结构类型曲柄压力机的结构类型主要有以下几种。
(1) 按机身结构分按照压力机的机身结构，可以分为开式压力机(俗称冲床)和闭式压力机两种。图1.20(b)所示为开式机身压力机外观，图1.21所示为闭式机身压力机外观(偏心齿轮式)。
图1.21 闭式单点压力机(JC31-160)
1—飞轮；2—离合器储气筒；3—制动器；4—芯轴；5—连杆；6—机身；7—滑块；8—撞杆；9—退料杆；
10—控制面板；11—工作台垫板；12—工作台；13—脚踏开关；14 —压缩空气控制阀等；15—扶梯；16—维修台开式压力机机身前面、左面和右面3个方向是敞开的，操纵和安装模具都很方便。但是由于机身呈C字形，刚性较差。当冲压力较大时，机身易变形，影响模具寿命。因此只适用于中、小型压力机。开式机身有两种型式，一种是曲轴横置，双柱机身。其中的可倾式机身，可视需要后倾(小于25°，30°)，使制件及废料在自重作用下自动滑到压力机后面，便于自动化；另一种是曲轴(曲拐轴)纵置(图1.22)，单柱或双柱机身。由于在曲拐轴上设置了偏心套，通过调整偏心套的相对转角，使得单柱压力机的滑块行程可在一定范围内调节。有的小型单柱压力机的工作台可升降。
图1.22 开式固定台压力机(JB21-100B)
1—飞轮；2—偏心套；3—曲拐轴；4—连杆；5—滑块；6—机身；7—工作台垫板；8—工作台；9—操纵踏板闭式压力机机身两侧封闭，只能前后送料，操作不如开式压力机方便，但是机床刚性好，能承受较大的压力，适用于精度要求较高和大吨位的压力机。
(2) 按连杆的数目分按照压力机上连杆的数目，可分为单点、双点和四点压力机。单点压力机有一根连杆，双点和四点压力机分别有两根和4根连杆。单点压力机对压力中心偏移较敏感；多点压力机工作台面较宽大，便于安装大型模具或多副模具，且抗偏载能力较强。
(3) 按滑块数目分根据压力机上滑块的数目，可分为单动压力机、双动压力机和三动压力机。图1.20、图1.21和图1.22所示的压力机都只有一个滑块，均为单动压力机。双动及三动压力机一般用于复杂制件的拉深。其中上传动双动压力机外滑块用于安装压边圈，内滑块用于安装拉深凸模(参见图1.28)。下传动双动拉深压力机的两个滑块分别设在工作台的上方和下方。
(4) 按传动方式分压力机的传动系统可置于工作台之上(如图1.20、图1.21和图1.22所示)，也可置于工作台之下(如图1.23所示)。前者称为上传动，后者称为下传动。下传动的压力机重心低。运动平稳，能减少振动和噪音，机身的受力情况也得到改善。但压力机平面尺寸较大，总高度又和上传动差不多，故重量大，造价高。且传动部分的修理也不方便，故现有通用压力机一般为上传动。
图1.23 下传动双动拉深压力机(J44-80)
1—大齿轮；2—主轴；3—销轴；4—压边滑块；5—机身；6—控制面板；7—拉杆；8—中央螺杆；
9—工作台；10—拉深滑块；11—侧螺杆；12—平衡缸；13—滚轮；14—凸轮下传动双动拉深压力机的工作部分由拉深滑块10(装凸模)、压边滑块4(装凹模)、工作台9(装压边圈)组成。工作时，工作台不动；压边滑块在凸轮14的作用下上升将坯料压紧，并停留在此位置；拉深滑块由主轴2上的齿轮1及其偏心销3通过拉杆7驱使凸模向下对坯料进行拉深，直至下死点。然后，拉深滑块先向上回程，工作台下降，制件被顶出。这种压力机的工艺特点是，拉深行程长，可用于较大、较高零件的拉深，在搪瓷行业应用广泛。
按曲柄形式可分为曲轴式、曲拐轴式、偏心齿轮式。
(5) 按工作性质和用途分按压力机的工作性质和用途不同，可分为普通压力机、多工位自动压力机、高速压力机、数控冲模回转头压力机、剪板机、联合冲剪机等。
1.6.1.3 压力机连杆与滑块的结构及其调整为了适应模具高度的少量变化，压力机的装模高度应能在一定范围内调节，调节连杆长度是一种常用的方法，图1.24所示是一种调整装置。由图可见，连杆一端与曲轴相连，一端与滑块相连。将连杆设计成由连杆体1和调节螺杆2两部分，调节螺杆的下部有一个六方部分。松开锁紧螺钉3，用扳手扳动调节螺杆，即可调节连杆的长度。较大的压力机是通过电动机、齿轮或蜗轮机构来旋转调节螺杆的。
滑块的结构也反映在图1.24中。在滑块7中装有支承座4，并与调节螺杆的球头相接。为了防止压力机超载，在支承座下面装有保险块5。保险块的抗压强度是经过理论计算和实际试验决定的。当压力机负荷超过公称压力时，保险块被破坏，而压力机不受损坏。也有的压力机采用液压过载保护装置来防止压力机超载。
图1.24 JB23-63压力机的连杆与滑块
1—连杆体；2—调节螺杆；3—锁紧螺钉；4—支承座；5—保险块；6—曲轴；7—滑块；8—横杆；9—模柄夹持块为了从上模中卸下制件或废料，压力机的滑块中装有打料装置，如图1.25所示。滑块的矩形横向孔中放有横杆2，当滑块向上回程，横杆与机身上的止动螺钉1相碰时，即可通过上模中的推杆3将制件或废料4从上模5中推出。调节止动螺钉，可改变打料行程。
图1.25 打料装置及其动作
1—止动螺钉；2—横杆；3—推杆；4—制件或废料；5—上模
1.6.1.4 曲柄压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力，所能加工零件的尺寸范围以及有关生产率等的指标。这些参数也是模具设计中选择冲压设备，确定模具结构的重要依据。
(1) 公称压力(标称压力)
滑块下行时所提供的工作压力由压力机主要构件的强度所决定。由曲柄连杆机构的工作原理可知，滑块的压力在全行程中不是一个常数，而是随曲轴转角的大小而变化的，其规律可用图1.26所示的许用负荷图表示，图中阴影线以下是安全区。由图可知，曲轴旋转到离下死点还有约30°转角之后(直至下死点位置)，许用压力达到最大值Fmax。图中还示出了压力角所对应的滑块位移点，为使用方便，制造厂提供的资料一般已换算为滑块行程。公称压力就是指滑块下死点前某一特定距离(此特定距离称为公称压力行程ha)内，滑块所容许承受的最大作用力。
图1.26 曲柄压力机的许用负荷图公称压力是表示压力机规格的主参数。我国的压力机公称压力已经系列化了。例如63kN，100kN，160kN，250kN，400kN，630kN，800kN，1000kN，1250kN，1600kN，…(见表1.14至表1.16)。
冲压工艺所需的行程—力范围必须处于压力机许用负荷图的安全区之内，为拉深等受力行程长的工序选择设备时尤其要注意这一点。
(2) 滑块行程滑块行程是指滑块从上死点到下死点所经过的距离，其值为曲柄半径的2倍。除曲拐轴压力机外，一般压力机的行程是不可调的。滑块行程应能保证毛坯能顺利放入模具，制件能从模具内顺利取出。
(3) 滑块行程次数滑块行程次数是指滑块每分钟所完成的上下循环次数。滑块行程次数的多少，关系到生产率的高低。一般压力机的滑块行程次数都是固定的。
(4) 装模高度装模高度是指滑块在下死点时，滑块底平面到工作台上的垫板上平面的距离。当装模高度调节装置将滑块调整到最上位置时，装模高度达最大值，称为最大装模高度。装模高度调节装置所能调节的距离称为装模高度调节量。冲模的闭合高度应在压力机的最大与最小装模高度之间。
有些资料用封闭高度表示压力机安装模具的空间高度，它与装模高度之差是工作台垫板的厚度。
(5) 工作台面及滑块底面尺寸工作台面及滑块底面尺寸是指压力机装模空间的平面尺寸。为便于安装固定模具用的螺钉和压板，模具下模座的最大尺寸每边至少应比工作台面小(50~70)mm。
(6) 漏料孔尺寸当制件或废料需要穿过工作台漏料孔下落，或模具底部需要安装弹顶装置时，下落件或弹顶装置的外形尺寸必须小于工作台中间的漏料孔尺寸。
(7) 模柄孔尺寸滑块内安装模柄用孔的直径和模柄直径应一致，模柄的高度应小于模柄孔的深度。
(8) 电动机的功率必须保证压力机的电动机功率大于冲压时所需要的功率。
JB/T 14347规定了开式曲柄压力机基本参数。表1.14~1.16为常用曲柄压力机的主要技术参数(具体参数以设备使用说明书为准)。
表1.14 部分开式压力机主要技术参数技术参数
J23系列开式可倾压力机
J21系列开式固定台压力机
公称压力/kN
63
100
160
250
350
400
630
800
630
1000
1250
1600
2500
公称压力行程/mm
2
3
5
3
4
9
滑块行程长度/mm
35
45
65
80
80
100
110
130
120
140
140
160
180
滑块行程次数/spm
170
145
90
70
50
60
60
45
55
38
38
40
30
最大装模高度/mm
170
180
160
195
220
220
250
280
255
320
320
380
340
装模高度调节量/mm
30
35
50
50
60
60
70
90
90
100
100
120
120
主电机功率/kW
0.75
1.1
1.5
2.2
3
3
5.5
7.5
7.5
7.5
11
15
22
注：据上海第二锻压机床厂、四川内江锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
表1.15 部分J31系列闭式单点压力机主要技术参数技术参数
数 值
公称压力/kN
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
公称压力行程/mm
6.5
10
8.0
10
10
10.5
13
13
滑块行程长度/mm
130
150
160
200
200
300
250
550
滑块行程次数/spm
35
40
32
32
28
25
25
12
最大装模高度/mm
380
360
385
450
460
500
530
1000
装模高度调节量/mm
100
150
140
180
160
200
160
200
主电机功率/kW
11
11
11
18.5
22
30
30
55
注：据上海锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
表1.16 部分J44系列下传动双动拉深压力机主要技术参数技术参数
数 值
拉深滑块公称压力/ kN
400
550
800
1000
压边滑块公称压力/ kN
400
550
800
1000
拉深滑块行程长度/ mm
410
560
750
740
滑块行程次数/spm
11
9
6
8
最大坯料直径/ mm
600
780
1100
1200
最大拉深深度/ mm
230
280
450
460
最大拉深直径/ mm
400
550
700
700
主电机功率/kW
11
15
30
40
注：据上海锻压机床厂、山东荣成锻压机床有限公司资料整理。
1.6.2 薄板拉深液压机液压机根据帕斯卡原理制成，以液体(大型机用水-乳化液、中小型机用油)为介质传递能量。液压机一般由液压系统和本体两部分组成。液压缸、相关容器、管道和各种阀、泵是液压系统的主要构件；本体的结构类型有梁柱式(典型结构为三梁四柱)、框架式、单臂式等，部分大型液压机的工作台可移出，以便安装大型模具。
根据液压机的工作原理，液压机具有以下优点：
(1) 结构上易于实现很大的作用力、较大的工作空间及较长的行程，因此适应性强，便于压制大型制件或较长较高的制件。
(2) 在行程的任何位置均可产生设定的压力，可以在下转换点长时间保压，这对许多工艺是十分需要的。
(3) 可以用简单的方法(各种压力控制阀)在一个工作循环中调压或限压，而不至于超载，有利于保护模具和设备。
(4) 滑块(动梁)的总行程可以在一定范围内任意改变，滑块行程的下转换点可以根据压力或行程的位置来控制或改变。
(5) 滑块速度可在一定范围内调节，从而适应不同工艺过程对滑块速度的不同要求。
(6) 与曲柄压力机相比，工作平稳，振动和噪声较小，对环境影响小。
液压机的缺点有：
(1) 快速性不如曲柄压力机。
(2) 突然卸载(如冲裁、剪切等)会产生振动，故在完成冲裁作业时，应留有较大的余地，且尽量在靠近上死点处工作。
(3) 调整、维修较曲柄压力机困难。
液压机与曲柄压力机的工艺特点比较列于表1.17。
表1.17 曲柄压力机与液压机工艺特点比较项 目
曲柄压力机
液压机
工作速度
节拍快(50~200次/分)，不可调
慢，可调
压力变化
与行程相关，达到公称压力的行程短
整个行程都可达到设定压力
压力大小调节
难，不准确
可方便地调节
续表项 目
曲柄压力机
液压机
冲击作用
有冲击作用，振动、噪声较大
无冲击作用，工作平稳
保压作用
不能实现
可实现
过载的可能性
存在
不存在
行程终端位置
固定，一般不可调
不固定，可调，试模方便
工作空间
行程不能太长，空间较小
行程长，空间大
维修难度
较容易
较麻烦(泄漏)
工艺适应性
广泛
不适合于冲裁、剪切等工艺
图1.27所示为双动薄板拉深液压机外观，其结构特征是含有分别驱动的内外两个动梁(拉深滑块与压边滑块)。图1.28(a)表示了双动薄板拉深液压机工作过程：压边滑块先与毛坯接触并压紧，拉深滑块继续下行，进行拉深；拉深完成后，拉深滑块先回程，上行一段距离后，压边滑块再回程，直到二者都回到初始位置。此时顶出缸上行顶出制件后再回到 原位。
图1.27 双动薄板拉深液压机(Y28)
1—液压动力系统；2—立柱；3—拉深柱塞；4—压边柱塞；5—压边滑块(包容拉深滑块)；6—工作台一方面，拉深滑块与压边滑块的动作可按设定要求互相协调配合；另一方面，对压边滑块上多个压边缸的压力进行分别调节，就可以使得周边不同位置具有不同的压边力。这样的特点，可用来满足形状复杂而又不对称的制件(如大型覆盖件)和深桶形制件等的拉深工艺要求。此外，双动液压机也可用于单动，完成某些不需双动动作的冲压工艺。
拉深液压机一般设有液压垫，其作用力通过顶杆(穿过工作台)作用在模具上，既可以用来顶出，又可以用来压边。单动液压机使用倒装拉深模具，就是利用液压垫来压边，从而也可完成拉深作业(图1.28(b))。
图1.28 薄板拉深液压机动作过程示意图
1—拉深滑块；2—凸模；3—压边滑块；4—压边圈；5—坯料；6—凹模；7—顶杆；8—液压垫；9—制件
JB/T 8493规定了双动薄板拉深液压机基本参数。表1.18列出了部分薄板拉深液压机的主要技术参数。
表1.18 部分薄板拉深液压机主要技术参数技术参数
Y27系列单动薄板拉深液压机
Y28系列双动薄板拉深液压机
公称压力//kN
2000
3150
4000
5000
1800
3150
6300
8000
拉深压力/kN
1000
2000
4000
5000
压边压力/kN
800
3150
2300
3000
液压垫压力/kN
400
630
630
1600
315
630
1000
1250
拉深滑块行程长度/mm
710
800
900
900
710
800
1100
1100
压边滑块行程长度/mm
350
350
1000
1000
液压垫行程长度/mm
200
300
150
300
300
300
350
拉深滑块开口高度/mm
1120
1140
1250
1500
1460
1500
1800
2110
压边滑块开口高度/mm
1700
2000
电机功率/kW
15
22
37
60
22
44
110
160
注：据合肥锻压机床股份有限公司资料整理。
1.6.3 其他常用冲压设备
(1) 液压板料折弯机(如图1.29所示)。
(2) 数控冲模回转头压力机(如图1.30所示)。
(3) 联合冲剪机(如图1.31所示)。
(4) 卷板机(如图1.32所示)。
(5) 剪板机(如图1.33所示)。
图1.29 液压板料折弯机(W67Y)
1—电气系统；2—上模；3—下模；4—下横梁；5—机身；6—滑块
图1.30 数控冲模回转头压力机(1250H/20)
1—数控柜；2—机身；3—回转头；4—补充工作台；5—滑动托架(X轴)；6—滑座(Y轴)
图1.31 单偏心轴式联合冲剪机(Q35-16A)
1—飞轮；2—齿轮减速系统；3—冲孔工位；4—机身；5—操纵踏板；6—电气系统；
7—底座；8—板材剪切工位；9—型材剪切工位；10—调整手柄；11—模剪工位
图1.32 对称式三辊卷板机(W11-20×2000A)
1—减速机；2—传动轴；3—底座；4—机身；5—活动支座；6—压下辊；7—传动辊；8—压下辊翘起持平装置
图1.33 机械下传动式剪板机(Q11-3×1200)
1—减速皮带轮；2—连杆；3—操纵踏杆；4—传动轴；5—偏心轴；
6—减速齿轮；7—弹簧；8—滑块(刀架)；9—压料滑块；10—工作台
