[科普中国]-冲压加工

冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状，尺寸和性能的产品零件的生产技术。板料，模具和设备是冲压加工的三要素。冲压加工是一种金属冷变形加工方法。所以，被称之为冷冲压或板料冲压，简称冲压。它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。

分类生产中为满足冲压零件形状、尺寸、精度、批量、原材料性能等方面的要求，采用多种多样的冲压加工方法。概括起来冲压加工可以分为分离工序与成形工序两大类。

分离工序是在冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓线相互分离的工序。如下表所示：

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成形工序是毛坯在不被破坏的条件下产生塑性变形，形成所要求的形状和尺寸精度的制件。如下表所示：

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冲压模具介绍冲压所使用的模具称为冲压模具，简称冲模。冲模是将材料（金属或非金属）批量加工成所需冲件的专用工具。冲模在冲压中至关重要，没有符合要求的冲模，批量冲压生产就难以进行；没有先进的冲模，先进的冲压工艺就无法实现。冲压工艺与模具、冲压设备和冲压材料构成冲压加工的三要素，只有它们相互结合才能得出冲压件。

设计原则(1)设计的冲压件必须满足产品使用和技术性能，并能便于组装及修配。

(2)设计的冲压件必须有利于提高金属材料的利用率，减少材料的品种和规格，尽可能降低材料的消耗。在允许的情况下采用价格低廉的材料，尽可能使零件做到无废料及少废料冲裁。

(3)设计的冲压件必须形状简单，结构合理，以有利于简化模具结构、简化工序数量，即用最少、最简单的冲压工序完成整个零件的加工，减少再用其他方法加工，并有利于冲压操作，便于组织实现机械化与自动化生产，以提高劳动生产率。

(4)设计的冲压件，在保证能正常使用情况下，尽量使尺寸精度等级及表面粗糙度等级要求低一些，并有利于产品的互换，减少废品、保证产品质量稳定。

(5)设计的冲压件，应有利于尽可能使用现有设备、工艺装备和工艺流程对其进行加工，并有利于冲模使用寿命的延长。

优点与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。

(1) 冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。

（2） 冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。

（3） 冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。

（4） 冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。

最新技术复合冲压

本文所涉及的复合冲压, 并不是指落料、 拉伸、 冲孔等冲压工序的复合, 而是指冲压工艺同其他加工工艺的复合, 譬如说冲压与电磁成形的复合, 冲压与冷锻的结合, 冲压与机械加工复合等。

冲压与电磁成形的复合工艺

电磁成形是高速成形, 而高速成形不但可使铝合金成形范围得到扩展, 并且还可以使其成形性能得到提高。用复合冲压的方法成形铝合金覆盖件的具体方法是: 用一套凸凹模在铝合金覆盖件尖角处和难成形的轮廓处装上电磁线圈, 用电磁方法予以成形, 再用一对模具在压力机上成形覆盖件易成形的部分,然后将预成形件再用电磁线圈进行高速变形来完最终成形。 事实证明, 用这样复合成形方法可以获得用单一冲压方法难以得到的铝合金覆盖件。

最新研究表明镁合金是一种比强度高、 刚度好、电磁界面防护性能强的金属, 其在电子、 汽车等行业中应用前景十分看好, 大有取代传统的铁合金、 铝合金、 甚至塑胶材料的趋势。 目前汽车上采用的镁合金制件有仪表底板、 座椅架、 发动机盖等, 镁合金管类件还广泛应用于飞机、导弹和宇宙飞船等尖端工业领域。但镁合金的密排六方晶格结构决定了其在常温下无法冲压成形。现在人们研制了一种集加热与成形一起的模具来冲压成形镁合金产品。该产品成形过程为: 在冲床滑块下降过程中, 上模与下模夹紧对材料进行加热, 然后再以适当运动模式进行成形。

此种方法也适用于在冲床内进行成形品的联结及各种产品的复合成形。许多难成形的材料, 例如镁合金、 钛合金等产品, 都可用该种方法冲压成形。由于这种冲压要求冲床滑块在下降过程中具有停顿的功能, 以便对材料加热提供时间, 故人们研制一种全新概念的冲床—— —数控曲轴式伺服马达冲床, 利用该冲床还可在冲压模具内实现包括攻螺纹、铆接等工序的复合加工, 从而有力地拓展了冲压加工范围, 为镁合金在塑性加工业广泛应用奠定了坚实的基础。1

冲压与冷锻的结合

一般板料冲压仅能成形等壁厚的零件, 用变薄拉伸的方法最多能获得厚底薄壁零件, 冲压成形局限性限制了其应用范围。而在汽车零件生产中常遇到一些薄壁但却不等厚的零件 , 用单一的冲压与冷锻相结合的复合塑性成形方法加以成形, 显得很容易, 因此, 用冲压与冷锻相结合的方法就能扩展板料加工范围。 其方法是先用冲压方法预成形, 再用冷锻方法终成形。用冲压冷锻复合塑性成形, 其优点为: 一是原材料容易廉价采购, 可以降低生产成本; 二是降低单一冷锻所需的大成形力, 有利于提高模具寿命。

微细冲压现在所谈论的微细加工指的是微零件加工技术。微零件的界定通常指的是至少有某一方向的尺寸小于 100μ m, 它比常规的制造技术有着无可比拟的应用前景。用该技术制作的微型机器人、微型飞机、 微型卫星、 卫星陀螺、 微型泵、 微型仪器仪表、 微型传感器、 集成电路等等, 在现代科学技术许多领都有着出色的应用, 他能给许多领域带来新的拓展和突破, 无疑将对我国未来的科技和国防事业有着深远的影响, 对世界科技发展的推动作用也是难以估量的。 譬如微型机器人可完成光导纤维的引线、 粘接、 对接等复杂操作和细小管道、 电路的检测, 还可以进行集成芯片生产、 装配等等, 仅此就不难窥见微细加工诱人的魅力。

发达工业国家对微细加工的研究开发十分重视, 投入了大量的人力、 物力、 财力, 一些有远见的著名大学和公司也加入了这一行列。我国在这方面也做了大量的研究工作, 有理由认为在 21 世纪, 微细加工一定会像微电子技术一样, 给整个世界带来巨大的变化和深刻的影响。

对于模具工业, 由于冲压零件的微型化及精度要求的不断提高, 给模具技术提出了更高的要求。原因是微零件比传统的零件成形要困难得多, 其理由是: ①零件越小, 表面积与体积比迅速增大; ②工件与工具间的粘着力, 表面张力等显著增大; ③晶粒尺度的影响显著, 不再是各向同性的均匀连续体; ④工件表面存储润滑剂相对困难。 微细冲压的一个重要方面是冲小孔, 譬如微型机械、 微型仪器仪表中就有很多需要冲压的小孔。 故研究小孔冲压应是微细冲压的一个极其重要的问题。冲小孔的研究着重于: 一是如何减小冲床尺寸;二是如何增大微小凸模的强度和刚度 (这方面除了涉及到制作的材料及加工的技术外, 最常用的便是增加微小凸模的导向及保护等)。 尽管在冲小孔上需要研究的问题还很多, 但也取得了不少可喜的成绩。有资料表明国外已经开发的微冲压机床长 111mm,宽 62mm, 高 170mm,装有一个交流伺服电机, 可产生 3kN的压力。该压力机床装有连续冲压模, 能实现冲裁和弯曲等。

日本东京大学利用一种 WFDG技术制作了微冲压加工的冲头与冲模, 利用该模具进行微细冲压, 可在 50μ m厚的聚酰胺塑料板上冲出宽为 40μ m的非圆截面微孔。在超薄壁金属筒形件拉深方面, 清华大学有了良好的开端。超薄壁拉深技术的关键是要有高精度的成形机。 他们在壁厚为 0.001mm～ 0.1mm的超薄壁金属圆筒成形中, 研制出一台有微机控制功能的精密成形试验机, 使冲头与凹模在加工过程中对中精度达到 1μ m, 有效地解决了超薄壁拉深中易出现起皱与断裂而不能正常操作的难题。利用该机对初始壁厚为 0.3mm 的黄铜和纯铝进行一系列变薄拉深加工, 加工出内径为 16mm, 壁厚为 0.015mm～0.08mm,长度为 30mm的一系列超薄壁金属圆筒。 经检测, 成形后的超薄壁筒壁厚差小于 2μ m, 表面粗糙度 Ra0.057μ m, 从而大大地提升了应用该超薄壁圆筒仪器仪表的精度, 相应地也提升了安装该仪器仪表整机的性能。

智能化冲压板料冲压从手工操作到半机械化、 机械化、 自动化操作, 均是冲压发展到每个阶段的标志, 而今板料冲压又进入到了智能化阶段, 因此, 可以说智能化冲压是板料冲压技术发展的必然趋势。板料成形智能化研究起源于 20 世纪 80 年代初的美国, 继后, 日本塑性加工界也开始板料智能化研究。该项技术研究之初的十余年间, 全部力量集中于弯曲回弹的成形控制, 直至 1990 年后该项技术的研究才扩展到筒形零件的拉深变形, 进而再扩展至汽车覆盖件成形、 级进模智能成形等。所谓智能化冲压, 乃是控制论、 信息论、 数理逻辑、 优化理论、 计算机科学与板料成形理论有机相结合而产生的综合性技术。板料智能化是冲压成形过程自动化及柔性化加工系统等新技术的更高阶段。其令人赞叹之处是能根据被加工对象的特性, 利用易于监控的物理量, 在线识别材料的性能参数和预测最优的工艺参数, 并自动以最优的工艺参数完成板料的冲压。这就是典型的板料成形智能化控制的四要素: 实时监控、 在线识别、 在线预测、 实时控制加工。 智能冲压从某种意义上说, 其实是人们对冲压本质认识的一次革命。它避开了过去那种对冲压原理的无止境探求, 转而模拟人脑来处理那些在冲压中实实在在发生的事情。 它不是从基本原理出发, 而是以事实和数据作为依据, 来实现对过程的优化控制。智能化控制的当然是最优的工艺参数, 故最优的工艺参数确定是智能化控制的关键所在。所谓最优工艺参数, 就是在满足各种临界条件的前提下所能够采用的最为合理的工艺参数。要实现最优的工艺参数的在线预测, 就必须对成形过程的各种临界条件有明确的认识, 并能够给出定量的准确描述, 在此基础上才能够确定智能化的控制。而定量描述的精度又决定着智能化系统的识别精度和预测精度。 这就表明系统的识别精度、预测精度和控制精度均依赖于定量描述精度的提高, 故要不断予以修改、 提高。且检测精度、 识别精度、 预测精度和监控精度系统本身也要不断完善提高。 这样, 智能化冲压才能达到应有的水平。有关研究表明在拉深过程的智能化控制中, 最优工艺参数的预测最终归结为压边力变化规律的确定, 而压边力的控制又基于压边力的预测研究。 预测拉深成形压边力的传统方法主要有两种: 实验法和理论计算法。近年来又把人工神经网络和模糊论等人工智能理论引入压边力最佳控制曲线的预测研究中, 目前变压边力控制技术已成为学术界和工业界的一个研究热点。而压边力变化规律的理论根据就是确定起皱或破裂的临界条件, 可见拉深中法兰起皱和破裂的临界条件的正确确定不可不重视。进一步研究还表明, 对锥形件拉深而言, 法兰起皱区几乎被侧壁起皱区所包围, 故克服了侧壁起皱同时也就克服了法兰起皱, 所以对锥形件拉深来说, 其主要矛盾集中于工件破裂和侧壁起皱。故其压边力大小范围要控制在侧壁不起皱(最小极限)和侧壁不破裂最大极限)之间。2

绿色冲压绿色制造是一个综合考虑环境影响与资源效率的现代制造模式, 而绿色冲压亦是如此, 实质上就是人类可持续发展战略在现代冲压中的具体体现。它应包括在模具设计, 制造、 维修及生产应用等各个方面。

1、绿色设计 所谓绿色设计即在模具设计阶段就将环境保护和减小资源消耗等措施纳入产品设计中, 将可拆卸性、 可回收性、 可制造性等作为设计目标并行考虑并保证产品功能、 质量寿命和经济性。随着模具工业的发展, 对金属板料成形质量和 模具设计效率要求越来越高, 传统的基于经验的设计方法已无法适应现代工业的发展。 近年来, 用有限元法对板料成形过程进行计算机数值模拟, 是模具设计领域的一场革命。用计算机数值模拟能获得成形过程中工件的位移、 应力和应变分布。 通过观察位移后工件变形形状能预测可能发生的起皱; 根椐离散点上的主应变值在板料成形极限曲线上的位置或利用损伤力学模型进行分析, 可以预测成形过程中可能发生的破裂; 将工件所受外力或被切除部分的约束力解除, 可对回弹过程进行仿真, 得到工件回弹后的形状和残余应力的分布。 这一切, 就为优化冲压工艺和模具设计提供了科学依据, 是真正意义上的绿色模具设计。

2 绿色制造 在模具制造中, 应采用绿色制造。 现在有一种激光再制造技术, 它是以适当的合金粉末为材料, 在具有零件原形 CAD/CAM软件支持下, 采用计算机控制激光头修复模具。具体过程是当送粉机和加工机床按指定空间轨迹运动, 光束辐射与粉末输送同步,使修复部位逐步熔敷, 最后生成与原形零件近似的三维体, 且其性能可以达到甚至超过原基材水平, 这种方法在冲模修复尤其是在覆盖件冲模修复中用途最广。 由于该项技术不以消耗大量自然资源为目标,故称为绿色制造。 此外, 在冲压生产中应尽量减少冲压工艺废料及结构废料, 最大限度地利用材料和最低限度地产生废弃物。减少工艺废料, 就是通过优化排样来解决, 例如采用对排、 交叉排样等方法, 还可以采用少无废料排样方法, 以大幅度提高材料利用率。 所谓优化排样就是要解决两个问题: 一是如何将它表示成数学模型; 二是如何根据数学模型尽快求出最优解,其关键就是算法问题。现代优化技术已发展到智能优化算法, 主要包括人工神经网络、 遗传算法、 模拟退火、 禁忌搜索等。 可以相信优化排样将会有一个突破性进展, 对结构废料多的工件可采用套裁方法, 从而能达到废物利用, 变废为宝。

此外, 还可以通过改产品结构的方法来加以解决也不是完全不可能的。对于套裁, 人人皆知的有大垫片套裁中垫片, 中垫片再套裁小垫片等。

高强度钢冲压当今高强钢、超高强钢很好的实现了车辆的轻量化，提高了车辆的碰撞强度和安全性能，因此成为车用钢材的重要发展方向。但随着板料强度的提高，传统的冷冲压工艺在成型过程中容易产生破裂现象，无法满足高强度钢板的加工工艺要求。在无法满足成型条件的情况下，目前国际上逐渐研究超高强度钢板的热冲压成形技术。该技术是综合了成形、传热以及组织相变的一种新工艺，主要是利用高温奥氏体状态下，板料的塑性增加，屈服强度降低的特点，通过模具进行成形的工艺。但是热成型需要对工艺条件、金属相变、CAE分析技术进行深入研究，目前该技术被国外厂商垄断，国内发展缓慢。

当材料被冲压成形时，会变硬。不同的钢材，变硬的程度不同，一般高强度低合金钢只略有3 KSI增加，不到10%。注意：双相钢的屈服强度有20KSI增加，增加了40%多！金属在成形过程中，会变得完全不同，完全不像冲压加工开始之前。 这些钢材在受力后，屈服强度增加很多。材料较高的屈服应力加上加工硬化，等于流动应力的大大增加。----这会引起需要更多的吨位来制作部件----它会使金属的变形温度增加（可能会燃烧或破坏不恰当的润滑剂），硬点会增加模具磨损----涂层可能会于事无补或无法持续到和预期的时间一样长。综上所述，高强钢成形的高压力要求、回弹的增加、加工硬度的增加、高成型温度下的操作对模具及润滑都提出了挑战。

过去在生产深冲或者重冲工件，大家都认为耐压型(EP) 润滑油是保护模具的最好选择。硫和氯EP添加剂被混合到纯油中来提高模具寿命已经有很长的历史了。但是随着新金属--高强度钢的出现，环保要求的严格，EP油基润滑油的价值已经减少，甚至失去市场。

在高温下高强度钢的成型，EP油基润滑油失去了它的性能，无法在极温应用中提供物理的模具保护隔膜。而极温型的IRMCO高固体聚合物润滑剂则可以提供必要的保护。随着金属在冲压模具中变形，温度不断升高，EP油基润滑油都会变薄，有些情况下会达到闪点或者烧着（冒烟）。IRMCO高分子聚合物润滑剂一般开始喷上去时稠度低得多。随着成形过程中温度的上升，会变得更稠更坚韧。实际上高分子聚合物极温润滑剂都有“热寻性”而且会粘到金属上，形成一个可以降低摩擦的隔膜。这个保护屏障可以允许工件延展，在最高要求的工件成型时没有破裂和粘接，以此来控制摩擦和金属流动。有效的保护了模具，延长了模具使用寿命，提高了冲压的强度。

主要应用由于冲压具有如此优越性，冲压加工在国民经济各个领域应用范围相当广泛。例如，在宇航，航空，军工，机械，农机，电子，信息，铁道，邮电，交通，化工，医疗器具，日用电器及轻工等部门里都有冲压加工。不但整个产业界都用到它，而且每个人都直接与冲压产品发生联系。像飞机，火车，汽车，拖拉机上就有许多大，中，小型冲压件。小轿车的车身，车架及车圈等零部件都是冲压加工出来的。据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；还有食品金属罐壳，钢精锅炉，搪瓷盆碗及不锈钢餐具，全都是使用模具的冲压加工产品；就连电脑的硬件中也缺少不了冲压件。3

但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益的。

当然，冲压加工也存在着一些问题和缺点。主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快得到完善的解决。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学