英文原文名 forming and die design
中文譯名成形工藝及模具設計
英文原文版出處： 《模具設計與製造專業英語》 劉建雄王家惠廖丕博主編北京大學出版社 2023年3月第1版
譯文： 金屬加工是工程科學的乙個分支,它的製造金屬部件和結構通過塑性成形過程加工、焊接和鑄造來完成。這部分著重於在金屬沖壓成形工藝及其模具設計加工。
沖壓主要用於薄板成形,它不僅可以用在金屬成形,而且也可以用在非金屬形成。在沖壓成型,模具的作用下,內力變形發生在板上。當內力達到一定程度時，相應的塑性變形在空白區域發生。
因此一定形狀的變形部分，是生產規模的特性。
沖壓是通過衝模在壓力機上對金屬板料施加壓力使其產生塑性分離或變形從而得到滿足使用要求的加工方法，具有較高的生產效率。由於其操作簡單易於實現沖壓機械化和自動化。生產沖壓件的模具可以用來生產複雜的部分，所以可以用於其他加工方法難以加工的工件 。
沖壓件在使用中一般無需進一步加工。通常沖壓過程中不需加熱。因此，它不僅節約了材料，也節約了能量。
此外，沖壓件具有重量輕、剛度大的特點。
生產中為滿足沖壓零件形狀、尺寸、精度、批量、原材料效能等方面的要求，採用多種多樣的沖壓加工方法。概括起來沖壓加工可以分為分離工序與成形工序兩大類。分離工序是在沖壓過程中使沖壓件與板料沿一定的輪廓線相互分離的工序。
對分離的橫截面的表面質量必須滿足一定的要求。成型工序包括彎曲、拉深、翻邊、脹形、縮口、擠壓、擴口等，是毛坯在不被破壞的條件下產生塑性變形，形成所要求的形狀和尺寸精度的製件。沖壓工藝廣泛應用在表1-1列出。
表1-1的沖壓工藝分類及其特徵
1.2落料沖孔模
1.2.1衝裁
衝裁是利用模具使板料的一部分另一部分沿一定的輪廓形狀分離的沖壓方法，包括落料、沖孔、切斷、修邊、切舌、剖切等工序，其中落料和沖孔是最基本的衝裁工序。落料和沖孔是金屬片沿一封閉輪廓處分離的過程。經落料和沖孔板分為兩部分。
沿封閉輪廓處分離，且分離的目的是為了獲得封閉輪廓形狀以外內的部分（即落下來的是工件）則為落料，如果是為了得到封閉輪廓形狀以外的部分（即落下的是廢料，帶孔的是工件）則為沖孔。落料和沖孔的模具結構是相同的，通常落料和沖孔的變形過程也是相同的。通過衝裁工藝，可以生產成品與半成品的變形過程。
在圖1-1墊環顯示的情況下，得到的工件是φ22公釐的圓叫落料，它的衝裁變形過程在1.2.2中。
1.2.2衝裁變形過程
衝裁時把板料固定在凹模上，凸模向下移動與板料接觸並開始衝裁。由於凸、凹模之間存在間隙，凸模對凹模和板料的力主要集中在凸模的邊緣。
衝裁變形過程顯示在圖2中。如果模具間隙合適，在凸模和凹模的作用下，變形過程經歷三個階段，即，彈性變形，塑性變形和斷裂分離階段
1.彈性變形階段
在凸模壓力下，材料首先產生彈性壓縮，產生拉伸和彎曲變形，在這一階段，內部應力不超過彈性極限而不發生塑性變形，解除安裝壓力時變形恢復。
2.塑性變形階段
凸模繼續下壓，當材料內的應力滿足屈服準則時便開始進入塑性變形階段，在凸模和凹模的壓力下，對胚料的表面進行壓縮，由於凸模、凹模之間的間隙，使板料受到彎矩的的作用，產生彎曲變形，使凹模上的板料翹曲，兩者的過渡處（凸凹模刃口處）形成圓角。當凸模擠入板料的深度增大，材料的塑性變形程度增大，變形區材料硬化加劇。當刃口附近的材料由於拉應力作用出現裂紋時，衝裁變形抗力達到最大值，塑性變形結束。
3.斷裂分離階段
凸模的繼續下壓，頂部和底部的裂縫逐漸延伸到金屬板的內層，當上下裂紋重合時，板料便被剪斷分離，完成衝裁。
在衝裁過程中的斷裂帶的力量平衡圖1-3所示；f1、f2是凸、凹模對板料的垂直作用力，f3、f4是凸凹模對板料的側壓力；。μf1、μf2是凸凹模斷面與板料間的摩擦力，μf3、μf4μ是凸凹模側面與板料間的摩擦力；f1和f2的μ方向與凸模和凹模之間的間隙有關。
衝裁力的分析表明，f3和f4側向壓力必須小於垂直壓力f1和f2；而裂紋擴充套件更容易發生在壓力小的區域。因此，衝裁時初始裂紋發生在凹模的側面。裂紋萌生和發展通過電子顯微鏡掃瞄表明，當凸模向下擠壓的深度進入板料達到20%時，裂紋發生在凸模和凹模刃側表面，然後在頂部和底部的裂紋迅速擴充套件，當兩個裂紋重合，毛坯剪下和斷裂過程結束。
1.2.3衝裁件質量
衝裁件的質量主要是指割斷面狀況、尺寸精度和形狀誤差。工件的斷面質量是決定衝裁工藝是否成功乙個重要因素。
如圖，衝裁件斷面可分為四個區域：蹋角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺。
由於凸凹模刃口對板料進行塑性剪下而形成光亮帶，由於同時受到模具側面的擠壓力該區域不僅光亮且與板平面垂直，是斷面上質量最好的區域，當間隙合適時，光亮帶約佔板料厚度的1/2~1/3。
斷裂帶形成於衝裁變形的斷裂階段，是裂紋向板內部擴散的結果，是衝裁斷面上質量最差的部分，不僅粗糙且帶有斜度。
蹋角帶是由於刃口附近的材料產生拉伸彎曲的結果，材料塑性越好，蹋角帶約大。毛刺形成於斷裂分離階段，形成的毛刺是細長的且附在工件上。
影響斷面質量的因素很多，四個區域的比例（蹋角帶、光亮帶、斷裂帶和毛刺）隨沖裁條件的變化而變化，如工件材料、沖床、模具和裝置等。
圖1-5顯示影響衝裁件斷面質量的主要因素，圖1-6顯示影響衝裁件的尺寸精度的因素。研究分析表明，凸模和凹模之間的間隙是影響表面質量和衝裁工件尺寸精度的重要因素，提高衝裁工件的表面質量，是研究間隙對機制的影響具有重要的意義，從而找到計算凸模和凹模之間間隙的最佳的方法。
1.2.4衝裁模總體結構設計
1.衝裁模典型結構
（1）單工序模
單工序模也叫簡單模，是指壓力機的一次行程只完成一道沖壓工序的模具。其結構簡單（見圖1-7中所），所以它可以容易地製造，它是適用於小批量生產。
（2）級進模
壓力機在一次行程下在不同工位完成多道工序的模具叫級進模，如圖1-8所示。條料送進時， 定位銷2在沖孔之前定位，沖孔凸模4向下移動完成沖孔，產生工件8。當沖孔凸模返回時，凸模4上的板料通過卸料板6卸下廢料7，胚料前進乙個步距，然後開始第二個落料，重複以上步驟，板料的進距是通過定位銷來控制的。
（3）復合模
復合模是只有乙個工位，並在壓力機的一次行程過程中完成兩道或兩道以上的沖壓工序的模具稱為復合模，如圖1-9所示。該復合模的主要特點是有乙個凸凹模。凸模1的外圓衝裁凸模切邊，而內孔是拉深模。
凸模1跟滑塊向下移動，衝裁過程是通過沖壓模1和衝裁模4來完成的，衝裁工件的拉深凸模2推動工件，然後拉深模向下移動進行拉深。推桿5和卸料板3卸下拉深件9時，滑塊返回。復合模適用於大批量生產和高精度的衝裁。
2. 凸模和凹模
（1）凸模
有三種國家標準的凸模，如圖1-10， 在工作中應確定凸模的尺寸。一種圓形凸模採用d = 1.1 ~ 30.
2公釐，b型為d = 3 ~ 30.2公釐，快速變化的圓凸模為d = 5 ~ 29公釐。固定在凸模固定板的圓形穿孔，孔底採用過渡配合h6為a和b類圓形凸模，基孔間隙配合h6為快速變化的圓形凸模。
該凸模長度應該由模具結構確定。使用的固定卸料板和導料板（見1-11），該衝頭長度l：
l =h1+h2+h3+ h
式中，h1是凸模固定板厚度；h2是卸料板的厚度；h3是導料板厚度；h是由凸修模量及凸模進入凹模的深度（0.5 ~ 1公釐），一般去經驗值（10 ~ 20公釐）包括模具閉合時凸模固定板與卸料板之間的安全距離。
非標準凸模及其固定模式如圖1-12所示，同一模具凸模之間的距離很小，鉚接結構可用於圓形凸模圖1-12（a），乙個結構通常用於小沖孔如圖1-12（b），快速更換式衝模一般用於易磨損的沖孔如圖1-12（c），；對非圓凸模，如果它的大小是大了一點，它可以直接通過螺栓固定在模套上，而不是通過固定板 、銷釘、螺栓、定位槽固定如圖1-12（d）；如果凸模的工作部分是非圓形的，圓形台階結構用於緊固部分，乙個停止計應加如圖1-12（e）。
對於小的沖孔，也可以由低熔點合金固定在凸模固定板，無機環氧樹脂膠粘劑，如圖1-13所示。
（2）凹模
衝裁模的結構形式如圖1-14。圖1-14（a）和圖1-14（b）為直壁切邊模具。切削刃的強度很高，其工作部分的尺寸保持不變後修補和製造方便。
它適用於沖壓工件形狀複雜或高公差要求的工件，但在這種情況下，工件廢料易積累在切割邊緣的孔內，因此增加材料的擴充套件性和反衝力使孔壁穿孔。切削刃的磨損形式呈倒錐形狀，這可能會引起工件從孔開口跳到模具表面，造成操作困難。該圖1-14（a）模型切削刃是適用於非圓工件，且圖1-14（b）模型適用於圓形工件，使工件或廢料需要被噴出的模具，或復合衝裁模。
圖1-14（c）和圖1-14（d）為錐形切削刃模具，工件或廢料容易落下。從模孔，工件或廢料不會積累在切割邊緣的孔內。摩擦和擴大的孔壁上施加力小，因此穿模以及模具修補操作量小。
但是切削刃的強度低一點，切削刃的修補後的尺寸增加，但一般工件尺寸對模具壽命的影響小。用錐形切削刃模具適用於沖壓形狀簡單的薄板工件和較低的公差要求的工件。
1.2.5 衝裁工具
根據衝裁原理相對於另乙個導向型的工具，分為導料板、導料銷、側壓裝置。
乙個自由的衝裁工具的結構類似於圖1-15中的顯示。模具的剪衝裁元件不會遵循各自的引導；對模具的導向一般是由壓力機滑塊引導控制。乙個***的沖壓件和導向結構可以在引導下負載。
衝裁工具在低成本的基礎上，設計簡單衝裁模具。因此適合用於小批量的生產。這很難在模具初始設定時調整周圍均勻的間隙，這可能會導致較大的磨損，特別是在小的厚度≤1公釐的板 ，間隙可以為0.
01公釐。
在乙個引導工具設定的情況下（圖1-16）落料衝模由導料板引導。建立加工位置誤差可以避免。沖壓的微弱導向效果由於軸承間隙和c型壓力機角偏轉通過引導衝減。
對凸模導向的另乙個優勢是長臂彎曲阻力。導向板也被用作乙個卸料板。
乙個衝裁單元作為乙個導向性的原理可能會帶來一些缺點。如果不採取適當措施，材料顆粒粘模或凸模會導致更快的磨損。同時對大型複雜模具精確制導孔加工困難，成本更高。
在案件的支柱引導衝裁模具（圖1-17）的導向作用和剪下彼此分開。支柱引導使這個工具準確，與其他原理的減少刀具磨損相應的設計。不需要考慮軸承間隙誤差，在設定支柱引導的高精度模具，設定工具簡單、耗時少。
支柱引導工具，如引導板的模具，可以有助於軸承負荷間隙和沖壓的角偏轉減少缺陷。基本支柱引導被視為工具來幫助建立和製造精確的工具。通常用支柱引導採取強側推力引起的非中心載入的工具和傾斜運動的g型機不允許位移過大。
因此，支柱引導不是不準確的按下引導替代和較小的剛性壓力機。
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