第1章 沖壓模具設計基礎
1.1 概論
沖壓加工是利用安裝在壓力機上的模具，對模具里的板料施加變形力，使板料在模具里產生變形，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的產品零件的生產技術。板料、模具和設備是沖壓加工的三個要素（見圖1-1）。由于沖壓加工經常在材料的冷狀態下進行，因此也稱冷沖壓。冷沖壓是金屬壓力加工方法之一，它是建立在金屬塑性變形理論基礎上的材料成形工程技術。沖壓加工的原材料一般為板料或帶料（卷料），故也稱為板料沖壓。沖壓模具是指將板料加工成沖壓零件的特殊專用工具。
圖1-1 沖壓加工的三要素
1.1.1 沖壓加工的特點及應用
（1）沖壓加工的特點
沖壓生產是靠模具和壓力機完成加工過程的，與其他加工方法相比，在技術和經濟方面有如下四大特點：
①沖壓加工一般不需要加熱毛坯，也不像金屬切削加工那樣產生大量切削余料，所以它不但節能，而且節約金屬材料，是一種少無切削加工方法之一，所得的沖壓件一般無需再加工。
②沖壓件的尺寸精度由模具來保證，所以質量穩定，互換性好。
③由于利用模具加工，所以可獲得其他加工方法所不能或難以制造的壁薄、重量輕、剛性好、表面質量高、形狀復雜的零件。
④利用普通壓力機每分鐘可生產幾十件，利用高速壓力機每分鐘可生產幾百件甚至上千件，所以它是一種高效率的加工方法。
沖壓也存在一些缺點，主要表現在沖壓加工時的噪聲和振動兩個問題。這兩個問題并不完全是沖壓工藝及模具本身帶來的，主要是由于傳統的沖壓設備落后所造成的。隨著科學技術的進步，這兩個問題逐步得到了一定的解決。
（2）沖壓加工的應用
①應用領域 由于沖壓工藝具有上述突出的特點，因此在現代化生產中得到了廣泛的應用。據有關調查統計，在農機產品、摩托車、汽車中，沖壓件占75%～80%；在自行車、手表、縫紉機中，沖壓件約占80%；在收錄機、電視機、攝像機中，沖壓件約占90%；在航空、航天工業中，沖壓件也占有較大的比例；除此之外，還有食品金屬罐、金屬盒、鋁鍋鋁壺、搪瓷盆碗、不銹鋼炊具、餐具等都是用模具沖壓加工出來的，就連計算機的硬件中也缺少不了沖壓件。總之，當今的機械、電子、輕工、國防等工業部門的零件，其成形方式都轉向了優先選用沖壓加工工藝。
據統計，世界各種鋼材品種的比例見表1-1，而板材、帶材大部分用于沖壓加工。
表1-1 各種鋼材品種的比例
②加工范圍 可加工各種類型的沖壓件，尺寸小到鐘表的秒針，大到汽車的縱梁，沖切的料厚已達到20mm以上。因此，沖壓加工幅度大，適應性強。
沖壓材料可分為黑色金屬、有色金屬及某些非金屬材料。
③沖壓件精度 一般沖壓件精度可達到IT10～IT11，精沖件精度可達到IT6～IT9，一般彎曲、拉深件精度可達到IT13～IT14。
④沖壓件表面粗糙度 普通沖裁Ra可達到3.2～12.5μm，精沖件Ra可達到0.3～2.5μm。
1.1.2 沖壓工藝的分類
由于沖壓的形狀、尺寸、精度要求、原材料性能等的不同，目前在生產中所采用的沖壓工藝方法是多種多樣的，概括起來可以分為沖裁、彎曲、拉深和成形四大類，具體見表1-2～表1-5。
表1-2 沖裁工序
表1-3 彎曲工序
表1-4 拉深工序
表1-5 成形工序
在實際生產中，當年產量大時，如果僅以表1-2～表1-5中所列的基本工序組成沖壓工藝過程，生產率低，不能滿足生產需求。因此一般采用組合工序，即把兩個以上的基本工序組合成一道工序，構成所謂復合模、多工位級進模、復合-級進模的組合工序等。
1.1.3 沖壓工藝對材料的要求
沖壓所用的材料與沖壓工藝的關系十分密切，其性質直接影響沖壓工藝設計、沖壓件質量和產品使用壽命，還影響組織均衡生產和沖壓件生產成本。在選擇沖壓材料時，首先要滿足制件的使用要求。一般來說，對于機器上的主要沖壓件，材料要求具有較高的強度和剛度；電機電器上的某些沖壓件，要求有較高的導電性和導磁性；汽車及飛機上的沖壓件，要求有足夠的強度，盡可能要減輕質量；化工容器上的沖壓件要求耐腐蝕等。所以不同的使用要求就決定了應選用不同的沖壓材料。但從沖壓工藝上考慮，材料還應滿足沖壓工藝要求，以保證沖壓過程能順利完成。
對沖壓所用材料的要求如下：
①具有良好的沖壓性能 沖壓性能是指板料對各種沖壓加工方法的適應能力。沖壓加工方法是以金屬為塑件的加工方法，因此，要求材料具有良好的塑性。
對于需要拉深成形的板料，要求塑性好、屈服極限低和板厚方向性系數大，而硬度高的材料則難以拉深加工。板料的屈強比σs/σb越小，沖壓性能越好，一次變形的極限程度越大。板厚方向性系數r>1時，寬度方向上的變形比厚度方向上的變形容易。r值越大，在拉深過程中越不容易產生變薄和發生斷裂，拉深性能就越好。拉深性能好的材料有含碳量<0.14%的軟鋼、軟黃銅（含銅量68%～72%）、純鋁和鋁合金、奧氏體不銹鋼等。
②良好的表面質量 表面質量好的材料，沖壓時制件不易破裂，廢品較少；模具不易擦傷，壽命提高，而且制件的表面質量好。所以一般要求沖壓材料表面光潔、平整，無氧化皮、銹斑、裂紋、劃痕等缺陷。
③厚度公差符合國際規定 沖壓凸模和凹模的間隙是根據材料的厚度來確定的，所以材料厚度公差應符合國家規定的標準。否則厚度公差太大，將影響制件的質量，并可能導致損壞模具和設備。