冲压模具制造工艺概述

冲压模具制品设计

随着现代化工业的发展, 越来越多的产品依赖模具加工, 模具工业已成为工业发展的基础。模具质量好坏直接影响产品的质量, 模具的质量不仅表现在制造质量, 也表现在安装调整维护保养等方面的后续工作质量。因此, 在模具在加工过程和质量控制中, 要采取相应的措施, 杜绝类似事故的发生。

1冲压制品设计概论

1.1模具的概念及其在工业生产中的作用

在工业生产中，用各种压力机和装在压力机上的专用工具，通过压力机的压力，使金属或非金属材料在专用工具内变形、流动获得所需形状和尺寸的工件，这种专用工具统称为模具。

模具是成型金属、塑料、橡胶、玻璃、陶瓷等制件的基础工艺设备，是工业生产中发展和实现少无切屑技术不可缺少的工具。如汽车、拖拉机、电器、电机、仪器仪表、电子等行业有60%～80%的零件需用模具加工，轻工日用品的生产需用模具更多，螺钉、螺母、垫圈等标准零件，没有模具就无法大量生产。由此看来，模具是工业生产中使用极为广泛的主要工艺设备之一。

模具是一种高效率的工艺设备，用模具进行各种材料的成型，可实现高速度的大批量生产，并能在大量生产条件下稳定的保证制件的质量、节约原材料。因此，在现代工业生产中，模具的应用日益广泛，是当代工业生产的重要手段和工艺发展方向。许多现代工业的发展和技术水平的提高，在很大程度上取决于模具工业的发展水平。模具工业的水平和

发展状况已被认为是衡量一个国家工业水平的重要标志之一

1.2 冲压加工工艺及其应用

冲压是指在常温下利用模具在压力机的作用下，对材料施加压力，将材料分离和变形，从而获得一定形状、尺寸和精度零件的一种加工方法，又可称为冷冲压或板料冲压。冲压加工与其它机械加工方法相比，具有很多优点：（1）生产效率高，可实现制品与零件的高速度大量的生产。（2）节约原材料，可实现少切屑、无切屑加工。（3）制件质量稳定，有良好的互换性。（4）操作工艺简单，利用模具生产制品时，不需要操作者有较高的技艺水平。（5） 利用模具批量生产的零件和制品成本低廉。（6）所加工出的零件与制品可一次成型，不需进行再加工。（7）能制造出其他加工工艺方法难以加工、形状比较复杂的零件制品。（8）容易实现生产的自动化及半自动化。

由于冲压工艺的这些特点，因此其应用范围极广，从精细的电子元件、仪表指针到汽车的覆盖件和大梁、高压容器封头及航空航天器的蒙皮、机身等，均需冲压加工。目前用冲压工艺所获得的制品，在现代汽车、拖拉机、电机电器、仪器仪表及无线电电子产品和人们日常生活中，都占有十分重要的地位。

当然，冲压工艺和其它加工方法一样，也有其自身的局限性，如：冲模结构比较复杂，制造周期长，模具价格偏高，在单件小批量、多品种生产时经济上不合算。

冲模是冲压生产中必不可少的工艺装备。其模具结构必须满足冲压生产的要求，不仅要冲压出合格的零件制品，而且要适应批量生产的需要，操作要方便、使用寿命要长、安全可靠、成本低廉，并能容易制造和维修。

1.3冲压所用材料及其性能

冲压所用的材料主要是金属材料，有普通碳素钢、优质碳素钢、不锈钢和黄铜板（带）、铝板（带）等，有时也用非金属材料，如胶木板、塑料板和纤维板等。冲压用材料大部分是各种规格的条料、带料、卷料和块料，有时也对某些型材及管材进行冲压加工。

用于冲压的材料不仅要满足制件的设计要求，还必须满足材料的冲压性能。

材料的冲压性能是指它们对各种冲压加工的适应能力，即具有良好的塑性、便于加工、容易得到高质量和高精度的冲压件，生产效率高、模具损耗低、不易出废品等。

金属材料的冲压性能，是各种材料的力学指数通过比较进行分析的。其力学性能的强度指数主要有材料的屈服强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb缩颈应力σj、断裂应力σf、材料的弹性模量E与屈服强度的比值E/σs，塑性指数有材料的总伸长率δ、均匀收缩率δu、断面收缩率ψ、均匀变形的单面收缩率ψu等。

一般地说，材料的σs/σb值愈小，形成过程中断裂的危险愈小，E/σs值愈大，材料成形过程中的回弹愈小，材料的δ与ψ值愈大，材料在破坏前的可塑性愈大，δw、ψw、δw/σ、ψw/ψ的值愈大，材料的温定性能愈好，因而其冲压性能也愈好。

1.4冲模的组成

冲模主要由以下几部分组成：

1.工作零件 工作零件用以直接和板料接触，由其施加给板料压力后使之分离或变形完成板料冲压过程。工作零件主要包括凸模、凹模、凸凹模等

2.定位零件 定位零件的作用是确定板料或胚件相对于冲模的正确位置，以保证冲件质量。主要包括挡料销、定距侧刀、导正销、定位板、定位销、导料板和导向槽等

3.卸料装置零件 卸料零件主要用来卸除套在凸模上的零件或废料。主要包括卸料板、卸料杆、废料刀等。

4.压料装置及零件 用来压住胚料或胚件以保证在冲压时，使材料能顺利的进行变形。它主要包括压料板、压边圈等，主要用于拉深模结构。

5.导向零件 导向零件主要用以保证凸模与凹模之间具有准确位置。主要包括导套、导柱、导板等。

6.推件装置与零件 推件零件主要用来将冲后的零件制品及废料，从凹模或凹凸模里推出。包括推杆、推板、打料杆及各类推件器等。

7.支撑及支持零件 支撑及支持零件主要用来连接及固定工作零件，使之成为完整的模具结构。主要包括上、下模板，模柄，凸、凹模固定板，垫板，限位器等。

8.紧固零件 紧固零件主要用来紧固、连接各类冲模零件，如各类螺钉、销钉等，其中模具中的圆柱销还起稳固定位的作用。

9.缓冲零件 缓冲零件主要包括弹簧、压簧、缓冲橡皮等。模具中的缓冲零件主要利用其弹力，起卸退料作用

通常情况下，模具的工作零件、定位零件、卸、推料零件称为模具的艺零件，而导向零件、支撑及支持零件、紧固零件、缓冲零件称为冲模的辅助零件。

实际上，对于每一套冲模，它们都必然形成完整的独立整体，是由各种不同零件结合而成的。根据每个零部件的作用、要求可以进行基本分类。对于同样作用的零部件，由于使用条件不同，其结构形式也多种多样。目前，我国对冲压模具以制定了国家标准（简称国标），其中包括：模架、典型组合、零部件、模架技术条件、典型组合技术条件、零部件技术条件等。这对简化模具设计与制造、提高模具寿命、降低成本、缩短模具制造周期都有十分重要的意义。

1.5冲模的工作部分零件必须具备的性能

冲模的工作部分零件又称成型零件，它主要包括凸模、凹模及凸凹模等。由于冲压有冷冲压与热冲压，而冲压工序又分为分离工序（冲裁）与成型工序（弯曲、拉深、成形）两大类。在分离工序的工作过程中，除承受使材料分离所需的冲压力外，还承受着与材料断面间的剧烈摩擦；在成形工序的工作过程中，冲模除承受材料塑性变形所需的冲压力外，其表面也受到材料的塑性流动而产生的强力摩擦。因此，这就要求冲模的工作部位要具备耐冲击、耐磨损的高强度、高硬度性能。而在材料加热状态下使用的冲模，工作零件还要求具有耐热性能，这样才能保证其冲模的耐用度及使用寿命。

根据冲模的上述要求，冲模的工作部分一般采用碳素工具钢或合金工具钢制成。对于高速冲压或要求高寿命的冲模，其工作部分可采用硬质合金制作。

1.6冲模的成形特点

冲模是指在室温下把金属或非金属板料放在模具内，通过压力机和模具对板料施加压力，使板料发生分离或变形制成所需零件的模具。各类冷冲模的成形特点是：

1)冲裁模。冲裁模的成形特点是：将一部分材料与另一部分材料分离。落料冲裁模的成型特点是将材料封闭的轮廓分开，而最终得到的是一平整的零件。而冲孔冲裁模的成型特点是将零件内的材料与封闭的轮廓分离，使零件得到孔。

2）弯曲模。弯曲模的成形特点是：将板料或冲裁后的胚料通过压力在模具内弯成一定的角度和形状。

3)深模。拉深模的成形特点是：将经过冲裁所得到的平板胚料，压制成开口的空心零件。

4）形模。成形模的成形特点是：用各种局部变形的方法来改变零件或胚料的形状。

5)冷挤压模。冷挤压模的成形特点是：在室温下，在模具型腔内将金属胚料加压，使其产生塑性变形，挤压成所需的形状、尺寸及性能的零件制品。

2冲压模具加工过程中的问题与质量控制

2.1 冷冲压模具安装的问题

模具的安装分成两部分: 一是把模具装到模架上;二是把已装到模架上的整副模具装入冲床内。

2.1.1装配到模架 在装配前对模架安装表面进行去毛刺处理。装配时检查所需的固定螺钉, 特别是一副模具拆下来后,有很多的螺钉,规格长短不一,紧固用的螺栓插入螺栓孔中的长度应大于螺栓直径的1. 5～2倍。如M10mm的螺栓其旋入螺纹孔中的长度应是15～20mm。

带有导向装置( 即导柱) 模架, 装进模具时其各类模板的上、下之间的相对位置已由导向装置保证, 不需调整。但在装配时, 模板表面不能夹有脏物, 否则造成不对中。各模板之间的组装均带有两支定位销, 由两支定位销来保证其相互之间的位置,所以要注意定位销套入深度, 以保证其有效性, 定位销外圆若出现磨损应换。

装配模具时, 先把要装在一起的模板对准定位销套在一起,用铜捧或塑料锤轻轻把模板敲一敲使之平坦的紧贴在一起, 然后把紧固螺钉先用手旋入, 之后再用板手拧紧。拧紧螺钉时注意对称紧固且不要一步到位, 采用逐步到位方式以保持均衡。上、下模架合装后, 应检查钢珠保持架的伸出长度。在冲床上死点位置时, 钢珠保持架最上一排钢珠不露出导套,接近与该面平齐为宜。

2.1.2装入冲床 模具在工具间组装完毕后装入冲床时,若是以下模架与冲床工作台定位作为安装基准,则先把下模架装上定位销及固定螺钉,然后再降下滑块,直到块与上模架之间存有0.5～0.8mm的间隙,然后装上上模架与滑块的固定螺钉, 先用手拧紧后用捧进( 缓动) 的方式稍为抬高冲床滑块连同上模架上、下动作3～4次,再拧紧固定螺钉。若是以上模架与滑块定位作为安装基准,则步骤与上述相反。完成所有的模具安装工作后,先单动冲床, 确认模具能正常工作后,才能进行冲压生产。

2.2 关于冷冲压模具加工过程中工艺改进措施

2.2.1 改进后的工艺流程方案一轧材毛坯下料( 或铸造连轧加压毛坯)→加热→锻造→进冷床微风( 或水雾) 淬火冷却到( 冷却速度控制在20～45℃/min)一定温度→下贝氏体等温转变25min 左右→空冷到280～220℃→地坑保温→回火( 注意控制温度和时间)→埋沙保温冷却→抽样检验。

2.2.2 改进后的工艺流程方案二金属模加压铸造􀀂进冷床微风(或水雾) 淬火冷却到(冷却速度控制在20～45℃/min)一定温度→下贝氏体等温转变25min左右→空冷到280～220℃→地坑保温→回火(注意控制温度和时间)→埋沙保温冷却→抽样检验。

2.3 冷作模具主要失效形态的质量控制

冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失效等,其典型的失效形态下面分别讨论。

2.3.1过载失效 过载失效系指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷( 包括约10% 的随机波动载荷) 作用引起的失效, 包括韧度不足和强度不足两类失效。其中对韧度不足出现的脆断失效应予以重视[1] 。

（1） 材料韧度不足的失效 由于此类失效前无宏观征兆和断裂突发性,是冷作模具失效中最危险的事故,以往因此类失效曾出现过人身事故,给生产安全和经济建设造成很大的损失。这种失稳态下的断裂失效在冷挤压和冷镦模具中容易出现,如冲头折断、开裂,甚至产生爆裂, 其特征是失效产生前无明显塑性变形, 宏观断口无剪切唇,且比较平坦,造成模具不可修复的永久失效。

（2）强度不足失效 在冷镦、冷挤压冲头中材料, 抗压、弯曲抗力不足,易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效,这与工作载荷过大,模具硬度偏低有关。实际经验表明, 黑色金属冷镦冲头硬度小于56HRC、冷挤冲头硬度小于62HRC时易出现这类失效, 同时说明材料强度不足, 塑性有余,有韧度潜力可以发挥。解决此类模具早期失效的经验方法是脆断失效减硬度, 变形失效增硬度。

2.3.2磨损失效 磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗,使工作部位(刃口、冲头) 形状和尺寸发生变化引起的失效。它又包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类:

(1)正常磨损失效对表面尺寸要求严格的冷冲压、冷挤压模具,在保证材料不断裂的前提

下, 模具寿命取决于表面抗磨损能力。模具工作部位与被加工材料之间的均匀摩擦损耗,使工作部位( 刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。通常模具使用寿命较长, 如表面质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。

( 2)非正常磨损失效在局部高压力作用下模具工作部位与被加工材料间发生咬合, 被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面),引起被加工产品(或模具材料)表面形状和尺寸发生突变,或在被加工产品表面出现严重划痕等导致失效。在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效。

2.3.3疲劳失效 冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施加的,这种状态与小能量多冲疲劳试验(以一定能量周期性加载和卸载)相似。由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命多在1000～5000次,通常裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限。模具钢的疲劳性能与特征与结构钢有很大差异。因为脆性材料疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命,多数情况裂纹萌生与扩展难于区分。仔细分析疲劳条纹微观形态看出,裂纹萌生多在材料表面薄弱环节,如晶界、碳化物和应力集中部位。试验表明,冲击疲劳裂纹萌生约200m微裂纹时,寿命占总寿命的90%以上,从断口上难观察到结构钢稳态扩展区和疲劳条带,裂纹一旦产生就快速失稳扩展。经过喷丸强化处理的高速钢,由于表面残余压应力作用,使裂纹源位置转移到次表面约012mm 处,改善材料表面应力状态是提高多冲疲劳抗力的有效途径。多冲疲劳失效常见于重载模具如冷挤压、冷镦冲头模具中。

3 模具的热处理

3.1模具零件的热处理

冲裁模各零件的热处理要求：处理要求冲裁是冷冲压的基本工序之一。它是利用冲裁模在压力机上把被冲材料分离的一种冲压工序。冲裁模是一种带刃口的模具。在冲裁时切刃陷进被冲材料之中，并承受着强烈的冲击和材料的激烈摩擦，使刃口部位经一段使用后会严重磨损，由开始的锋利、到最后变成圆钝，影响了后续制品的质量。为了保证制品零件的质量长期稳定性，这就要求冲模的凸模要有较高的耐磨性，而且还要有一定的抗压强度、抗弯强度和一定的冲击刃性。而对于凹模，除抗弯强度似乎要求不高外，其抗压强度、韧性的要求要比凸模更高。对于冲裁模凸、凹模上述要求，除了正确选用凸、凹模所用钢材外，还要有合理的热处理工艺来保证热处理后的硬度、韧性等要求，两者缺一不可。

冲裁模成形零件热处理顺序安排：在最终热处理淬硬后，需进行电加工的热处理工序安排的工艺顺序是：

锻造→热处理退火→机械粗加工→热处理淬火与回火→电加工（电火花穿孔或线切割）加工成型→钳修装配。。

由此可以看出，热处理工艺在冲模制造中，是非常重要也是不可缺少的加工工艺。对于级进模、复合模等位置公差和尺寸公差要求较精密的冲模，不仅要遵守上述工序安排，为了减少热处理变形，常在加工中还穿插去除应力处理、调质等热处理工序。

3.2冲裁凸模热处理方法

冲裁凸模（冲头）大部分都有碳素工具钢制造，个别用合金钢制成。凸模是在冲击压力下工作的，它承受着很大的冲击负荷和弯曲负荷，所以在使用时，很容易被磨损、折断及压弯。为了使凸模在工作中不至于折断、磨损弯曲，其淬火后的硬度应从工作部分到尾部（安装部位）逐渐降低。其热处理方法是：

(1)对于一般凸模，在热处理时应将其整体加热，冷却时只将其工作部位浸入冷却液水中，然后全部浸油。这样，在淬火后只需按其工作部分的硬度回火一次，其尾部淬油后具有一定的硬度和韧性，使用中不会折断。

一般说来，凸模热处理要比凹模热处理简单。这是由于大多数凸模在热处理后，一般都要经过最后的成形磨削工序加工到尺寸，即使在热处理有所变形，经过磨削后，基本上能消除。

(2)对于带有铆头的凸模，即在装配时，凸模用铆接的方法固定在凸模固定板上凸模，在热处理淬硬时要注意铆头部分的硬度。这是因为铆头部分要求硬度较低，一般不应超过26HRC。所以，这种凸模在热处理时应采用如下方法：将全部凸模加热后，今年工作部位淬火而尾部可不经淬火；但对于长而细的凸模，应全部进行淬火后，在尾部实行局部淬火；而比较大的凸模，可以采用部分淬火，或事先留有铆头的方法。

(3)对于直径为φ1～φ5mm的细小凸模淬火时由于其直径和体积很小，在冬季及夏季淬火容易受环境温度的影响，使热处理质量降低。其热处理可采用下述方法：

如材料为T10A的细小凸模，淬火温度为780度，回火温度为180度，保温２h；在淬火时，可将盛有水的茶杯，放在加热电炉的旁边。在淬火时，经保温后细小冲头，从炉内用钳夹住后立刻取出放在茶杯水内淬一下，然后迅速放入油介质中冷却。实践证明，用

此方法对细小凸模淬火，可以避免受环境因素影响，而能达到满意的热处理效果。

此外，为了防止凸模淬火后产生裂纹，涂抹毛胚在锻打时，应注意锻压温度应适合，不要使温度过高。同时，在锻压后，要经热处理球化退火处理。

3.3冲裁凹模热处理方法

凹模是冷冲模中最关键的一个零件，其热处理质量好坏，直接影响冲模的寿命长短，因此，对凹模的热处理一定要注意以下几点：

(1)凹模在淬火前，最好先进行稳定化处理（低温退火），较复杂且温度要求较高的凹模或材料质量较低的凹模，在机械粗加工后，最好要经过一次调制处理。这对减小淬火后变形是十分有利的。

(2)不需要硬度孔镶件孔，在淬火时一定要用粘土或石棉绳堵塞，以减少开裂和变形。

(3)淬火前，要事先考虑和分析凹模可能变形的部位和情况。当两孔距离较近时，在非工作部分，可用厚度为0.5～1mm的铁皮将工件局部包起来，以控制淬火时组织转变的不均匀性，使应力尽量趋于平衡，可以减少变形量。同时，对于易变形或断裂俄断面，也可以用铁皮包起来，铁皮可离刃口平面3～4mm。铁皮的形状应与被包扎的形状相似。