第七章沖壓工藝設計

本章主要介紹沖壓工藝過程方案的編制及其實例。

沖壓件的生產過程包括：原材料淮備、沖壓和其他輔助工序(如退火、酸洗、表面處理等)。——對于某些組合沖壓件或精度要求較高的沖壓件，還需要經過切削、焊接或鉚接等加工，才能完成。編制沖壓工藝過程方案的任務：是根據本單位的生產條件，對以上這些工序做出合理的安排，找出一種技術上可行、經濟上合理的工藝方案。編制沖壓工藝過程的主要內容有：

(1)對沖壓件進行工藝分析。

(2)通過分析比較，確定最佳工藝方案。

(3)確定模具結構形式。

(4)合理造擇沖壓設備。

(5)編寫工藝文件和設計計算說明書。一、編制沖壓工藝過程的主要內容和步驟

1、對沖壓件的工藝分析：包括技術和經濟兩方面內容。

技術方面：根據產品圖紙，主要分析該沖壓件的形狀特點、尺寸大小、精度要求和材料性能等因素是否符合沖壓工藝的要求；

經濟方面：主要根據沖壓件的生產批量，分析產品成本，闡明采用沖壓生產可以耿得的經濟效益。

目的：沖壓件的工藝分析，主要目的是在不影響零件使用的前提下，能否以最筒單最經濟的方法沖壓出來。能夠做到的，表示該沖壓件的工藝性好，反之，工藝性差。

影響沖壓件工藝性的因素：

(1)沖壓件形狀和尺寸：

對于沖裁件：要求外形簡單對稱，最好是由圓弧和直線組成，應該避免沖裁件上過長的懸臂和狹槽，其寬度要大于料厚的兩倍，即b>2t，如圖7-1a所示。

要求：沖裁件外形不能有尖角，應采用ｒ>0.5t的圓角(ｒ為圓角半徑)，這有利于模具制造和提高模具壽命。沖裁時，為了防止凸模折斷或壓彎，沖孔尺寸不能太小，用一般沖孔?？梢詻_壓的最小孔徑見表7-1，凸模采用保護套結構可沖壓的最小孔徑見表7-2。沖裁件孔與孔、或孔與邊緣的間距b、b1，(圖7-1b，c)，與模具強度和壽命以及沖裁件的質量有關，其值不宜過小，一般取b≥1.5t，b1≥t。

對于彎曲件：直邊長度L、Ll不宜過小，一般其值應大于2t(見圖7-2)；彎曲處的圓角半徑不能小于最小彎曲半徑，其值見表3-7。彎曲時應防止孔的變形，要求孔壁與彎曲處有適當距離L(圖7-3)，在材料厚度t<2mm時，取L≥t；t≥2mm時，取L≥2t。若L值不能滿足上述規(guī)定，則應先壓彎后再沖孔。彎曲件形狀應盡量對稱，以避免壓彎時的毛坯偏移，如果形狀不對稱或彎曲時毛坯容易發(fā)生移動，則應考慮增加工藝孔定位，如圖7-4所示。多次彎曲的沖壓件，為防止材料移動，更需要考慮在沖壓件上設計出定位工藝孔。

對于拉深件：圓角半徑不能過小。底部與壁部之間的圓角半徑，一般取材料厚度的3～5倍；壁部與凸緣間的圓角半徑，取材料厚度的5～10倍。當圓角半徑小于上述規(guī)定時，需增加整形工序。拉深件形狀應盡可能對稱，避免急劇轉角或凸臺，拉深高度應盡可能小，以減少拉深次數，挺高沖壓件質量。

(2)

沖壓件精度沖壓件精度與模具結構型式及其制造精度等因素有關。

沖裁件：內、外形所能達到的經濟精度、兩孔之間的孔距公差、孔與邊距的尺寸公差、沖裁件的角度偏差以及剪斷面的近似粗糙度值分別如表7-3～表7-7所示。

彎曲件：彎曲件的精度與板料的機械性能、厚度、模具結構和模具精度、加工次數和先后順序以及沖壓件形狀和尺寸等因素有關。彎曲件外形尺寸與角度公差所能達到的精度，分別見表7-8和表7-9。

拉深件的徑向尺寸精度以及圓筒形拉深件和帶法蘭筒形拉深件所能達到的高度方向尺寸精度，分別見表7-10～表7-12。

(3)尺寸標注：沖壓件的尺寸標注應符合沖壓工藝的要求。圖7-5a所示的沖裁件尺寸標注方法是不合理的，因為這樣標注兩孔的中心距公差會隨模具磨損而增大，應改為圖7-5b的標法，兩孔的間距才與模具磨損無關，其公差值也可減少。

圖7-6彎曲件的尺寸注法：會影響沖壓工序的先后安排。圖7-6a：先落料、沖孔，然后壓彎成形——工藝比較簡單、合理。圖7-6b：沖孔應安排在壓彎后進行——增加了工序。

圖7-5沖裁件的尺寸標注圖7-6彎曲件的尺寸標注

拉深件的徑向尺寸，應注明是保證內壁尺寸，還是保證外壁尺寸，內、外壁尺寸不能同時標注。帶臺階的拉深件，其高度方向的尺寸標注，一般應以底部為基準，若以上部為基準，高度尺寸不易保證，如圖7-7a、b所示。

(4)

生產批量

模具制造費用很高，約占沖壓件總成本的10%～30%。因此，生產量小時，采用其他加工方法可能比沖壓方法更為經濟，只有在大批量生產條件下，沖壓加工才能取得明顯的經濟效益。一般來說，大批量生產時，可選用連續(xù)模和高效沖壓設備，以提高生產效率；中小批量生產時，常采用單工序簡單模或復合模，以降低模具制造費用。

(5)

其它

沖壓件的工藝分析，還應分析沖壓件厚度、板料性能以及沖裁、彎曲和拉深等基本工序中常見的生產問題對沖壓工藝性的影響?？稍诓挥绊懯褂靡蟮臈l件下，對沖壓件形狀、尺寸、精度和原材料選用進行必要的修改，用以改善零件沖壓工藝性能和提高經濟效果。實例：如圖7-8所示沖壓件：在不改變三孔相對位置的前提下，將沖壓件外形修改為圖7-8b的形狀，進行無廢料沖壓，材料利用率可提高40%，生產率提高一倍。

圖7-9b所示的接頭沖壓件，外形經過適當修改，可以進行少廢料生產圖7-9a，材料可節(jié)省35%～40%，生產率提高一倍。

圖7-10所示形狀的彎曲件，彎曲處材料容易撕裂，工藝性較差，若在彎曲前的毛坯上預先沖出工藝槽或工藝孔(圖7-l0a、b)，彎曲處的缺陷就可以得到克服。

圖7-11所示的消聲器后蓋拉深件，在不影響使用要求的前提下，幾何形狀和尺寸稍加修改后，沖壓工序可由八道降為兩道，材料節(jié)省50%。

由此可見：進行沖壓件工藝分析時，要求考慮的問題是多方面的，目的是使沖壓件易于加工和具有良好的經濟效益。

2、確定沖壓件的最佳工藝方案

確定沖壓工藝方案的主要內容如下：

(1)

沖壓性質剪裁、落料、沖孔、切邊、彎曲、拉深、翻邊等是常見的沖壓工藝，各有其不同的性質、特點和用途。編制沖壓工藝時，可以根據產品圖紙和生產批量等要求，合理地選揮這些工序。一般產品的形狀可直觀地反映出所需的工序性質，但是某些沖壓件的工序性質，必須經過分析和計算，才能確定。

實例：圖7-12a和b為油封內夾圈和外夾圈沖壓件：直邊高度分別為8.5mm和13.5mm。

內夾圈：選用落料沖孔和翻邊，共兩道工序，翻邊系數為0.8。

外夾圈：如果采用與內夾圈相同的沖壓工序，則翻邊前的孔徑很小，翻邊系數只有0.68，超過了圓孔翻邊的極限變形程度，工藝上是不允許的。但是通過計算和分析可知，對該零件選用落料、拉深、沖孔和翻邊等四道工序來制造是比較合理的。

(2)

沖壓次數和沖壓順序

沖壓次數：定義——是指同一性質的工序重復進行的次數。

拉深件——可根據它的形狀和尺寸，以及板料許可的變形程度，計算出拉深次數；彎曲件或沖裁件——根據具體形狀和尺寸以及極限變形程度來決定。

沖壓順序安排原則：工序的變形特點和質量要求。

(a)

對于帶孔的或有缺口的沖裁件：簡單模：先落料、再沖孔或切口。連續(xù)模：先沖孔或切口，后落料。

(b)

對于帶孔的彎曲件——若孔邊與彎曲區(qū)的間距較大：先沖孔，后彎曲。如果孔邊在彎曲區(qū)附近：必須在零件壓彎后再沖孔。孔與基準面的間距有嚴格耍求時：也應先壓彎后沖孔。

(c)

對于帶孔的拉深件：一般都是先拉深，后沖孔，但是孔的位置在零件底部，且孔徑尺寸要求不高時，也可以先在毛坯上沖孔，后拉深。

(d)

多角彎曲件：應從材料變形和彎曲時材料移動兩方面安排彎曲的先后順序。一般：先彎外角，再彎內角。

(e)

對于形狀復雜的拉深件：為便于材料變形和流動，應先成形內部形狀，再拉深外部形狀。

(f)

整形或校平工序：應在沖壓件基本成形以后進行。

(3)工序的組合方式——這主要取決于沖壓件的生產批量、尺寸大小和精度等因素。

生產批量大：沖壓工序應盡可能地組合在一起，進行復合?；蜻B續(xù)模沖壓；

小批量生產：常選用單工序簡單?！珜τ诔叽邕^小的沖壓件，考慮到單工序模上料不方便和生產率低，也常選用復合?；蜻B續(xù)模生產；當選用的幾個單工序模制造費用比復合模還高，而兩生產批量又不大時，也可以考慮將工序組合起來，選用復合模生產。

對于有精度要求的零件，為了避免多次沖壓的定位誤差，也應選用復合模沖壓。

工序組合方式：可以選用復合?；蜻B續(xù)模。一般的，復合模的沖壓精度比連續(xù)模高，但是，連續(xù)模的生產率較高，操作比較安全，若裝有自動送料裝置，可適用于小件的自動沖壓。復合模和連續(xù)模的工序組合方式，可分別按表7-13和表7-14選用。表7-13復合模的工序組合方式模具型式簡圖模具型式簡圖落料和沖孔拉深和成形切邊和沖孔切邊和成形落料和壓?。ǔ尚危┞淞?、拉深和沖孔切斷和彎曲落料、拉深和成形沖孔和翻邊落料、拉深和切邊落料和首次拉深四個或更多的復合工序拉深和沖孔落料和雙重拉深接上圖表7-14連續(xù)模的工序組合方式模具型式簡圖模具型式簡圖沖孔和落料彎曲、切斷和最后彎曲沖孔和切斷連續(xù)拉深和落料沖孔和剖切連續(xù)拉深、沖孔和落料接上圖沖孔、壓印和落料沖孔、翻邊和落料沖孔、切口、彎曲和切斷連續(xù)拉深、沖孔、翻邊和落料切口、沖孔、彎曲和切斷

(4)

其它輔功工序

對于某些組合沖壓件或有特殊要求的沖壓件，尚須考慮非沖壓輔助工序：如鉆孔、鉸孔、車削等機械加工，焊接、鉚合、熱處理、表面處理、清理和去毛刺等工序。輔助工序可根據沖壓件結構特點和使用要求選用，安排在各沖壓工序之間進行，也可置于沖壓工序前或后加工。

(5)

經濟核算

根據上述步驟所列出的各種沖壓工藝方案，除技術上合理、可能以外，還必須考慮各方案的經濟效益，進行成本核算。

沖壓件生產成本：主要包括：原材料費用、模具費用、工時費用、設備折舊和其它生產費用，可根據各生產單位財務核算方法計算。

通過以上技術和經濟分析，并結合本單位生產條件，才能確定出一種適合于生產條件的最佳工藝方案。

3、確定模具的結構形式

在選定工序性質、沖壓次數和順序以及工序組合方式的基礎上，通過綜合分析、比較，得出最佳工藝方案。根據方案選用的模具種類(簡單、復合、連續(xù)或連續(xù)復合模等)，確定模具的具體結構形式，繪出模具工作部分動作原理圖。

4、合理選擇沖壓設備

根據工序性質、沖壓力(包括壓料力、卸料力等)、變形功、模具結構形式、模具閉合高度和輪廓尺寸以及生產批量等因素，結合本單位現有的設備條件，合理選擇沖壓設備類型和噸位。

5、編寫工藝文件和設計計算說明書

沖壓件工藝文件：一般以工藝過程卡形式表示，內容包括：工序名稱、工序次數、工序草圖(半成品形狀和尺寸)、模具種類和型式、選用設備、工序檢驗要求、板料規(guī)格和性能、毛坯形狀和尺寸等。

設計計算說明書是編寫工藝過程卡和指導生產的主要依據，也是一項重要的技術文件。其主要內容有；沖壓件的工藝分析，毛坯尺寸計算，排樣及裁板方式的經濟性分析，工序性質和沖壓次數的確定，半成品過渡形狀和尺寸計算，工藝方案的技術和經濟綜合分析比較，模具結構形式分析，凸、凹模工作部分尺寸與公差確定，模具主要零件的強度計算，壓力中心確定，彈性元件的選用和核算以及沖壓設備的選用依據等。二、沖壓件工藝過程方案編制實例

圖7-13：汽車備輪架加固板沖壓件。材料：08鋼板，厚度為4mm，屬大量生產，要求編制沖壓工藝方案。

1、沖壓件的工藝分析

該零件材料較厚，零件外形對稱，無尖角、凹陷或其他形狀突變，系典型的板料沖壓件。零件外形尺寸無公差要求，壁部圓角半徑ｒ5，相對圓角半徑r/t為1.25，大于最小彎曲半徑值，因此可以彎曲成形。φ11mm的八個小孔和兩個腰圓孔分別均布在零件的三個平面上，孔距有位置要求，但孔徑無公差配合。φ21的圓孔精度不高，彎曲角為90°，也無公差要求。

可以看出：該零件為普通的厚板彎曲件，尺寸精度要求不高，主要是輪廓成形問題，又屬大量生產，因此可以用沖壓方法生產。

2、確定工藝方案

(1)

計算毛坯尺寸該零件的毛坯展開尺寸可按式(3-40)計算。即式中：圓角半徑r=5mm；板料厚度t=4mm；

x0為中性層系數，由表3-1查得x0=0.42；

L1、L2為直邊尺寸，由圖7-13可知：

L1=2〔116-(r+t)〕=214mm，L2=140-2(r+t)=122mm。將這些數值代入，得毛坯寬度方向的計算尺寸L=356.8mm，考慮到彎曲時板料纖維的伸長，經過試壓修正，實際毛坯尺寸取L=355mm。同理，可計算出其他部位尺寸，最后得出如圖7-l4所示的彎曲前毛坯的形狀和尺寸。

(2)

確定排樣方式和計算材料利用率

圖7-14的毛坯形狀和尺寸較大，為便于手工送料，選用單排沖壓。有三種排樣方式，見圖7-15a，b，c。由表2-11查得：沿送進方向的搭邊d=4mm，側向搭邊α1=5mm，因此，三種單排方式的材料利用率分別為64%、64%、70%。第三種排樣方式，落料時需二次送進，但材料利用率最高，為此，本實例可選用第三種排樣方法。

(3)

沖壓工序性質和工序次數的選擇

沖壓該零件，需要的基本工序和次數有：

(a)

落料；

(b)

沖φ11孔6個；

(c)

沖底部φ11孔2個；

(d)

沖φ21孔；

(e)

沖2個腰圓孔；

(f)首次彎曲成形；

(g)

二次彎曲成形。

(4)

工序組合及其方案比較完成工作：落料工藝

工作：沖底部兩個φ11孔、一個φ21圓孔和2個腰圓形孔方案一：

(a)落料，如圖7-16所示。

(b)沖壁部φ11孔6個。

(c)沖底部兩個φ11孔、一個φ21圓孔和2個腰圓形孔，見圖7-19。

(d)首次彎曲成形，如圖7-17所示。

(e)二次彎曲成形，如圖7-18所示。特點：從生產效率、模具結構和壽命方面考慮，將落料和零件上的孔組合在三套模具上沖壓，有利于降低沖裁力和提高模具壽命，同時模具結構比較簡單，操作也較方便。但是，該方案的二次彎曲均安排在沖孔以后進行，彎曲回彈后孔距不易保證，影響零件精度。方案二：

(a)落料和沖2個腰圓孔。

(b)沖底部兩個φ11孔、壁部六個φ11孔和φ21孔。

(c)首次彎曲成形

(d)二次彎曲成形。特點：落料和沖腰圓孔組合以及底部兩個φ11孔和壁部六個φ11孔組合沖出，可以節(jié)省一道工序，但是模具結構比方案一復雜，同時多凸模厚板沖孔模容易磨損，刃磨次數增多，模具壽命低。二次彎曲工序均在沖孔后進行，產生與方案一相同的缺點。

方案三：

(a)落料和沖零件上的全部孔。

(b)首次彎曲成形。見圖7-17。

(c)二次彎曲成形。見圖7-18。特點：

落料和零件上的孔采用復合模組合沖壓，優(yōu)點是節(jié)省了工序和設備，可以提高生產效率，但模具結構復雜，且壁部6個φ11孔處的孔邊與落料外緣間距僅8mm，模壁強度較差，楔具容易磨損或破壞，因此不宜采用。方案四：

(a)落料。見圖7-l6

(b)沖底部兩個φ11孔、一個φ21孔和二個腰圓孔。

(c)首次彎曲成形。見圖7-17

(d)二次彎曲成形。見圖7-18

(e)沖壁部兩個φ11孔。

(f)沖另一面壁部四個孔。特點：壁部六個φ11孔安排在彎曲后進行，可以提高孔距精度，保證零件質量，但是壁部沖孔的操作不便，同時彎曲后二次沖孔的模具費用也較高。方案五：

(a)

落料。見圖7-16

(b)

首次彎曲成形。見圖7-17

(c)

二次彎曲成形。見圖7-l8

(d)

沖底部兩個φ11孔和一個φ21孔。

(e)

沖腰圓孔。

(f)

沖側壁六個φ11孔。特點：

全部沖孔工序安排在彎曲成形后進行，可以保證零件的各孔距尺寸，缺點是成形后沖孔，模具結構復雜，刃磨和修理比較困難，上、下料操作也不方便。方案六：

(a)

落料。見圖7-16

(b)

沖底部兩個φ11孔、一個φ21孔和2個腰圓孔。圖7-19。

(c)

首次彎曲成形。見圖7-17

(d)

二次彎曲成形。見圖7-18

(e)

鉆壁部六個φ11孔。特點：

情況與方案四基本相同，但壁部六個φ11孔改為鉆孔，可以保證孔間尺寸，提高了零件精度，同時可減少兩套沖孔模，有利于降低零件的生產成本。缺點是增加了鉆孔工序，增加工序時間。

綜合考慮：通過以上的方案分析，可以看出，在一定的生產批量條件下，選用方案六是比較合理的。

3、各工序模具結構形式的確定

4、計算各工序沖壓力和選擇沖壓設備

(1)

第一道工序——落料(圖7-16)

(a)平刃口模具沖裁時，落料力按下式計算：數據：L=1395mm，t=4mm，08#鋼的τ=260MPa代人上式，得

為了降低落料力，改用斜刃口模具，落料力：式中，L1為模具斜刃口部分長度。L2表示平刃口部分的長度(如果模具刃口全部做成斜口的，則L2=0)，如圖7-16所示。數據：L2=2×80=160mm，L1=1395-160=l235mm；由式(2-12)可知，K=0.4。代入上式，得

(b)

推件力設同時梗塞在凹模內的零件數n=2，系數K1查表2-10得為0.045，代人上式，得

(c)

選用沖壓設備這一工序的落料力F落=884200N，推件力F推=79500N，因此，工序所需的總壓力為：

應選用1000kN壓力機，但是1000kN壓力機的工作臺，對加固板落料模尺寸偏小，不能安裝，故應選擇1600kN壓力機。

(2)

第二道工序——沖孔(圖7-19)

(a)

沖壓兩個φ11孔，沖孔力

(b)

沖壓φ21孔，沖孔力