板料成形技术方法详解

板料成形（又称板料冲压）是利用压力装置和模具使板料产生分离或塑性变形，从而获得成形件或制品的成形方法。金属板料的厚度一般都在6mm以下，且通常是在常温下进行，故板料成形又常称冷成形（冷冲压）。只有当板料厚度超过8mm时，才采用热成形（热冲压）。

目前，几乎所有制造加工金属制品的工业部门中都广泛地采用板料成形，特别是在汽车、自行车、航空、电器、仪表、国防、日用器皿、办公用品等工业中，板料成形占有重要位置。由于板料成形模具较复杂，设计和制作费用高、周期长，故只有在大批量生产的情况下，才能显示其优越性。

板料成形所用的原材料，特别是制造杯状和钩环状等零件的原材料，须具有足够好的塑性。常用的金属材料如低碳钢，高塑性合金钢，铜、铝、镁合金等，非金属材料如石棉板、硬橡皮、绝缘纸等也广泛采用板材冲压成形。

板料冷成形（冷冲压）过程的一般流程如下：

板料成形按特征分为分离（又叫冲裁）过程及成形过程两大类。

1.板料的分离过程

分离过程使坯料一部分相对于另一部分产生分离而得到工件或者料坯，如落料、冲孔、切断、修整等。

分离过程用于生产有孔的、形状简单的薄板（一般铝板<3mm，钢板≤1.5mm）件，以及作为成形过程的先行工序或者成形过程制备料坯。除金属薄板外，还可是非金属板材。

分离过程所得的制品精度较好，通常不需切削加工，表面品质与原材料相同；所用设备为机械压力机。

（1）落料与冲孔 落料与冲孔又统称为冲裁，落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯料变形过程和模具结构相同，只是用途不同。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。为能顺利地完成冲裁过程，要求凸模和凹模都应有锋利的刃口，且凸模与凹模之间应有适当的间隙z。

冲裁件品质、冲裁模结构与冲裁时板料的塑性变形有关。

1）金属板料冲裁成形过程示意图如图3-44所示。

开始时，金属板料被凸模（又叫冲头）下压略有弯曲，凹模上的板料略有上翘；随着冲压力加大，在较大剪切应力作用下，金属板料在刃口处因塑性变形产生加工硬化，且在刃口边出现应力集中现象；金属的塑性变形进行到一定程度时，沿凸、凹模刃口处开始产生裂纹；当上下裂纹相遇重合时，坯料被分离。

冲裁件被剪断分离后，其断裂面分成两部分。塑性变形过程中，由冲头挤压切入所形成的表面很光滑，表面品质最佳，称为光亮带。材料在剪断分离时所形成的断裂表面较粗糙，称为剪裂带。

2）凸凹模间隙（z），凸凹模间隙不仅影响冲裁件断面品质，而且影响模具寿命、卸料力、冲裁力、冲裁件尺寸精度等。间隙过小，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向外错开，上下裂纹不能很好重合，导致毛刺增大；间隙过大，凸模刃口附近的剪裂纹较正常间隙时向内错开，因此光亮带小一些，剪裂带和毛刺均较大，如图3-45所示。

图3-44 冲裁成形过程示意图

1—凸模 2—坯料 3—凹模

图3-45 冲裁件周边品质

1—z正常 2—z太小 3—z太大 4—凸凹模未对准

冲裁过程中，凸模与冲孔之间、凹模与落料之间具有摩擦，间隙越小，摩擦越严重。实际生产中，模具受到制造误差和装配精度的限制，凸模不可能绝对垂直于凹模平面，间隙也不会均匀分布，所以过小的间隙对延长模具使用寿命很不利。因此，选择合理的间隙对冲裁生产是很重要的。选用时主要考虑冲裁件断面品质和模具寿命这两个因素。当冲裁件断面品质要求较高时，应选取较小的间隙值。对冲裁件断面品质无严格要求时，应尽可能加大间隙，以利于提高冲模寿命。

合理间隙z的数值可按经验公式计算。z=mδ

式中δ——材料厚度，单位为mm；

m——与材质及厚度有关的系数。

实际应用中，板材较薄时，m可按如下数据选用：低碳钢、纯铁，m=0.06～0.09；铜、铝合金，m=0.06～0.10；高碳钢，m=0.08～0.12。

3）凸、凹模刃口尺寸确定。设计落料时，凹模刃口尺寸即为落料尺寸，取凹模作为设计基准，然后根据间隙确定凸模尺寸，即用缩小凸模刃口尺寸来保证间隙值，即凸模刃口尺寸等于凹模尺寸减去2倍间隙值；设计冲模时，先按冲孔件确定凸模刃口尺寸，取凸模作为设计基准件，然后根据间隙确定凹模尺寸，凹模尺寸等于图样尺寸加上2倍间隙值。

冲模在工作过程中必有磨损，落料件尺寸会随凹模刃口的磨损而增大；而冲孔件尺寸则随凸模的磨损而减小。为保证零件的尺寸要求，提高模具的使用寿命，落料时取凹模刃口的尺寸应靠近落料件公差范围的最小尺寸；而冲孔时则取凸模刃口的尺寸靠近孔的公差范围的最大尺寸。

（2）冲裁力的计算 冲裁力是选用设备吨位和检验模具强度的一个重要依据。计算准确，有利于发挥设备的潜力；计算不准确，则有可能使设备超载而损坏，严重时造成事故。

对于平刃冲模的冲裁力可按下式计算。P=kLδτ

式中P——冲裁力，单位为N；

L——冲裁周边长度，单位为mm；

δ——板料厚度，单位为mm；

τ——材料抗剪切强度，单位为MPa；

k——系数。

系数k是考虑到实际生产中的各种因素而给出的一个修正系数。这些因素有模具间隙的波动和不均匀、刃口的钝化、板料力学性能及厚度的变化等。根据经验一般取k=1.3。

（3）切断 切断是指用剪刃或冲模将板料或其他型材沿不封闭轮廓进行分离的工序。常用设备是剪板机或联合冲剪机。剪塑性好的材料时间隙不能太大，否则会产生扭曲变形，很难校正。切断用以制取形状简单、精度要求不高的平板类工件或下料被剪下。

（4）修整 如果零件的精度和表面质量要求较高，则需用修整工序对冲裁后的孔或落料的周边进行修整，以切掉普通冲裁时在冲裁件断面上存留的剪裂带和毛刺，但比机械加工的生产率高得多。

2.板料的成形过程

成形过程使坯料发生塑性变形而形成一定形状和尺寸的工件。主要工序有拉深、弯曲与卷边、翻孔、成形与缩口、滚弯（含卷板）等。

（1）拉深 拉深是将平板板料放在凹模上，冲头推压金属料通过凹模形成环形的中空工件。

拉深过程特点是一维成形，拉伸应力状态。一般可获得较好的精度（公差<0.5%D，D为坯料直径）和接近原材料的表面品质。材料要求具有足够的塑性，如果变形较大，工件应进行中间退火。

图3-46 拉深过程示意图

图3-47 二次拉深示意图

1—凸模 2—压边圈 3—凹模

机械设备广泛使用的是液压机，也可使用机械压力机。

冷拉深广泛用于生产各种壳、柱状和棱柱状等工件，如瓶盖、仪表盖、罩、机壳、食品容器等；热拉深通常用于生产厚壁筒形件，如氧气瓶、炮弹壳、桶盖、短管等。

拉深过程示意图如图3-46所示。进行拉深时，平板坯料放在凸模和凹模之间，并由压边圈适度压紧，以防止坯料厚度方向变形。在凸模的推压力作用下，金属坯料被拉入凹模，而后变形成为筒状或匣状的中空工件。

拉深用的模具构造与冲裁模相似，主要区别在于工作部分的凸模与凹模的间隙不同，而且拉深的凸凹模上没有锋利的刃口，凸模与凹模之间的间隙z应大于板料厚度S，一般z=（1.1～1.3）S。z过小，模具与拉深件间的摩擦增大，易拉裂工件，擦伤工件表面，降低模具寿命；z过大，又易使拉深件起皱，影响拉深件精度。拉深模的凸凹模端部的边缘都有适当的圆角，r_凹≥（0.6～1）r_凸，圆角过小，则易拉裂产品。

由图3-46可见，在拉深过程中，工件的底部并未发生变形，而工件的周壁部分则经历了很大程度的塑性变形，引起了相当大的加工硬化作用。坯料直径D与工件直径d相差越大，则金属的加工硬化作用就越强，拉深的变形阻力就越大，凸模圆角半径过小，可能把工件底部拉穿。因此，d与D的比值m（称为拉深系数）应有一定的限制，一般m=0.5～0.8。拉深塑性高的金属，拉深系数m可以取较小值。若在拉深系数的限制下，较大直径的坯料不能一次被拉成较小直径的工件，则应采用多次拉深。二次拉深如图3-47所示。每次拉深前必须进行退火，以消除金属因塑性变形所产生的加工硬化，恢复塑性，以利于进一步拉深。(www.xing528.com)

为减小摩擦，降低拉深件壁部的拉应力，减少模具的磨损，拉深时通常加润滑剂。

拉深过程中常见的一种缺陷是起皱，如图3-48所示。这是法兰部分在切向压应力作用下易发生的现象。拉深件若严重起皱，则法兰部分的金属不能正常通过凸凹模间隙，致使坯料被拉断而报废；轻微起皱，法兰部分勉强通过间隙，但在产品侧壁留下起皱痕迹，影响产品品质。实践证明，当板料厚度δ与坯料直径D满足δ/D×100<2时，必须应用压边圈，否则坯料边缘会因起皱而造成废品。

选择设备时，应结合拉深件所需的拉深力来确定，设备能力（吨位）应比拉深力大。对于圆筒件，最大拉深力可按下式计算。

式中P_max——最大拉深力，单位为N；

σ_b——材料的抗拉强度，单位为MPa；

σ_s——材料的屈服强度，单位为MPa；

D——坯料直径，单位为mm；

d——拉深凹模直径，单位为mm；

r_凹——拉深凹模圆角半径，单位为mm；

δ——板料厚度，单位为mm。

对于坯料尺寸的计算，可按拉深前后的面积不变原则进行计算。具体计算中可把拉深件划分成若干容易计算的几何体，分别求出各部分的面积，相加后即得所需坯料的总面积，然后再求出坯料直径。

对于有些拉深件还可以用旋压的方法来制造。旋压过程的特点是整体成形，剪切应力状态。旋压在专用的旋压机上进行，也可以在车床上进行，图3-49所示为旋压工件简图。工作时先将预先下好的坯料2用顶柱3压在芯模1的端部，通常用木质的芯模固定在旋转卡盘上；推动压杆4，使坯料在压力作用下变形，最后获得与芯模形状一样的成品。常用于生产碗形件、钟形件、灯口、反光罩、炊具、空心轴等。这种方法的优点是不需要复杂的冲模，变形力较小。故一般用于中小批量生产。

图3-48 拉深起皱

图3-49 旋压工件简图

1—芯模 2—坯料 3—顶柱 4—压杆（压轮）

（2）弯曲与卷边 弯曲是用模具把金属坯料弯折成所需形状的工序。弯曲可以在各类机械或液压压力机上进行。弯曲过程简图如图3-50所示。金属坯料在凸模的压力作用下，按凸凹模的形状发生整体弯曲变形。工件弯折部分的内侧被压缩，外侧则被伸长。这种塑性变形程度的大小与弯曲半径r的大小有关，r越小，变形程度越大，金属的加工硬化作用越强。r太小，就有可能在工件弯曲部分的外侧发生开裂。因此规定r值应符合（0.25～1）δ，弯曲塑性高的金属，弯曲半径r可取较小值。

弯曲时应注意金属板料的纤维分布方向，如图3-51所示。

当弯曲变形完毕后，凸模回程后，工件所弯的角度会因金属弹性变形的恢复而略有增加，称为回弹现象。它主要与材质有关，某些材质的回弹角度甚至高达10°，故在设计模具时应考虑到它的影响。

图3-50 弯曲过程示意图

1—凸模 2—工件 3—凹模

图3-51 弯曲线与纤维方向

a）合理 b）不合理 1—弯曲线2—工件

卷边也是弯曲的一种。板材经卷边成形可做成铰接耳，起加固和增强作用，且美观。卷边示意图如图3-52所示。

（3）翻孔 翻孔是在带孔的坯料上获得凸缘的工序，如图3-53所示。当工件所需凸缘的高度较大，用一次翻孔成形可能会使孔的边缘造成破裂，则可采用先拉深、后冲孔、再翻孔成形的过程来实现。

图3-52 卷边示意图

图3-53 翻孔简图

1—凸模 2、4—工件 3—凹模

（4）成形与缩口 成形是利用局部变形使坯料或半成品改变形状的工序，如图3-54所示。主要用于成形刚性筋条，或增大半成品的局部半径等。成形过程中，工件毛坯置于一模具中，对介质（弹性介质、液体介质）施加高压，能量通过介质传递到工件上使其成形。要求材料具有足够高的塑性失稳应变。特点是成品精度较好，表面品质主要取决于原坯料品质。设备主要使用各类机械压力和液压机。

缩口是使中空件口部缩小的过程，如图3-55所示。

图3-54 成形简图

图3-55 缩口简图

（5）滚弯（含卷板）滚弯是板料送入可调上辊与两个固定辊间，根据上下辊的相对位置不同，对板施以连续的塑性弯曲成形，如图3-56所示。改变上辊的位置可改变板材滚弯的曲率。

滚弯用于生产圆环、容器、各种各样的波纹板以及高速公路护栏等，尤其是厚壁件（锅炉筒体）。要求材料有足够的塑性，防止工件表面断裂。精度一般符合要求，表面品质主要取决于原材料。设备用专门的滚弯机（卷板机）。

利用板料制造各种冲压产品零件时，各种工序的选择、过程顺序的安排和各工序的应用次数，都是以产品零件的形状和尺寸及每道工序中材料所允许的变形程度为依据的。形状比较复杂或者特殊的零件，往往要用几个基本工序多次冲压才能完成；变形程度较大时，还要进行中间退火等。

图3-57所示为一零件冲压过程示意图，材质为Q235，图3-58为黄铜（H59）弹壳的冲压过程示意图，工件壁厚要经过多次减薄拉深，由于变形程度较大，工序间要进行多次退火。

图3-56 滚弯简图

图3-57 某零件的冲压过程

1—落料 2—拉深 3—第二次拉深 4—冲孔 5—翻孔

图3-58 弹壳冲压过程

1—落料 2—拉深 3—第二次拉深 4—多次拉深 5—成形 6—缩口