第2章　冲压加工基本操作技术

2.1　冲压用原材料

原材料是冲压加工的三个基本生产要素之一。为满足不同产品的使用要求，冲压件所用材料是多种多样的，但并不是所有材料都可用来进行冲压加工。为满足冲压加工及成形性能的需要，用来冲压加工的原材料需满足一定的要求；而为控制冲压件质量，防止出现批废等重大质量缺陷，冲压操作人员也应掌握一些常用的原材料质量鉴别方法，并具有主动控制原材料质量的能力。

2.1.1　冲压用原材料的要求

冲压生产中所用原材料是相当广泛的，但对冲压用原材料也提出了一定的要求。一方面为满足不同产品的使用性能要求，使用的冲压用原材料的力学性能、物理性能应满足各种使用性能上的要求，例如机械和仪器制造等零件着重要求具有较好的机械强度、刚度和冲击韧性，化学和医疗仪器零件着重要求具有耐腐蚀性，飞机和宇航飞行器等零件着重要求传热性能和耐热性能，汽车、摩托车等零件着重于表面质量，运输和农业机械等零件着重于耐磨性和耐久性（即冲压用原材料应该具有良好的使用性能）；另一方面，为改善冲压过程的变形条件，以适应冲压成形过程的变形要求，冲压用原材料还应具有良好的冲压性能和表面质量要求，使之适合冲压工艺特点，易于接受冲压加工。

（1）冲压用原材料的性能指标

冲压用原材料与冲压生产的关系相当密切，材料质量直接影响到冲压工艺过程设计、冲压件质量、产品使用寿命和冲压件成本。因此，为稳定地生产出优良的冲压件，对冲压用原材料都应达到一定的性能指标要求，以适应冲压过程中的变形要求。

①强度极限。强度极限是金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。常用的强度极限有：

a.屈服极限σ_s。屈服极限是指金属材料在外力的作用下发生塑性变形时的最小应力，其单位为MPa。

b.抗拉强度σ_b。抗拉强度是指金属材料所能承受的最大拉力与其原始截面之比值，其单位为MPa。

c.抗剪强度τ。抗剪强度是指金属材料在受剪切状态的力作用下不致破坏的最大应力，其单位为MPa。

②塑性。金属材料在外力作用下，产生永久变形而不致引起破坏的性能称为塑性。常用的塑性指标有：

a.伸长率δ。金属材料在受拉力作用断裂时，伸长的长度与原有长度的百分比称为伸长率。

b.断面收缩率ψ。金属材料在受拉力作用断裂时，断面缩小的面积同原有断面积的百分比称为断面收缩率。

c.杯突试验值（冲压深度）。在杯突试验机上用标准球头凸模匀速下压板材试样，随凸模的压下，板材试样上出现一圆凹，其深度不断加大，直到出现能透光的裂纹为止，此时的压凹深度即为杯突试验值。

③硬度。金属材料抵抗更硬的物体压入其内的能力称为硬度。硬度是材料性能的一个综合物理量，表示金属材料在一个小的体积范围内抵抗弹性变形、塑性变形或破断的能力。

硬度值用硬度计来测量，常用的硬度指标有布氏硬度（HB）和洛氏硬度（HRC）。

（2）冲压用原材料的基本要求

冲压常用金属材料主要有钢、铝及铝合金、铜及铜合金等。从材料冲压工艺性的角度，对冲压用金属材料的质量有如下要求。

①良好的冲压性能。材料的冲压性能是指材料对各种冲压加工方法的适应能力，包括便于加工、容易得到高质量和高精度的冲压件、生产效率高（一次冲压工序的极限变形程度大）、对模具损伤小、不产生废品等。由于各种不同的冲压方法其应力状态和变形特点不同，所以对冲压用原材料的冲压性能要求也不一样，具体有以下要求。

a.材料的塑性。在变形区部位，材料内部应力主要是拉应力，其变形主要是伸长和厚度减薄。当主要变形部位超过成形极限时，便会引起破裂。因此，要求材料具有良好的塑性和塑性变形的稳定性。塑性好的材料，允许的成形极限大。这样可减少工序以及减少因材质不良而产生的废、次品。

影响材料塑性的因素是化学成分、金相组织和力学性能。一般来说，钢中的碳、硅、硫的含量增加，都会使材料的塑性降低、脆性增加。其中含碳量对材料塑性影响最大，一般认为C≤0.05％～0.15％的低碳钢具有良好的塑性（常用牌号有08、08F、08Al、10等，其中以08Al的塑性最好）。当Si<0.37％时，对钢的塑性影响不大，但大于这一数值，即使含碳量很少也会使材料变得硬而脆；而当硫在钢中与锰和铁相结合后，以硫化物的形态出现，严重影响到材料的热轧性能，硫化物促使条状组织产生，致使塑性降低。因此，对形状复杂的汽车覆盖件和摩托车油箱以及对材料强度要求不高的复杂拉深零件，多采用塑性很好的08Al钢板加工。

钢板的晶粒大小对塑性影响甚大。晶粒大，则塑性降低，在冲压成形时，不仅容易产生破裂，而且制件表面还容易产生粗糙的橘皮，对后续的抛光、电镀、涂漆等工序带来不利的影响。若晶粒过细，又会使材料的强度及硬度增加，冲压零件回弹现象增加，冲模寿命短。因此，钢板的晶粒大小应适中。复杂拉深用的冷轧薄钢板，其适宜材料晶粒为6～8级，中板为5～7级，且相邻级别不超过2级。

材料塑性通常用伸长率δ、断面收缩率ψ和杯突试验值（冲压深度）I_E等塑性指标来表示。伸长率、断面收缩率及杯突试验值越大，则材料塑性越好。

一般来说，用于变形的材料必须有足够的塑性和韧性、良好的弯曲性能和拉深性能。塑性好，则允许的变形程度就大，不但可以减少工序及中间退火的次数，而且可以不需要中间退火。至于分离工序的材料则需要有适当的塑性，若塑性太高，材料太软，则冲裁后的零件尺寸精度及允许的毛刺高度都难以达到规定的要求；若塑性太低，材料太硬、太脆，则会缩短冲模寿命。

b.材料的抗压失稳起皱能力。在变形区部位，当材料内部主要是压缩应力时，如直壁零件的拉深、缩口及外凸曲线翻边等，其变形主要是压缩，厚度增加，这时容易产生失稳起皱。因此，在要求材料具有良好塑性的同时，还要求材料具有良好的抗压失稳起皱能力。抗压失稳起皱能力通常用屈强比（δ_s/δ_b）和板厚方向性系数（r）等指标来表示。

较小的屈强比（δ_s/δ_b）几乎对所用冲压成形都有利，并可提高成形零件尺寸及形状的稳定性。如在拉深时，如果材料的屈服点δ_s低，则变形区的切向压应力小，材料抗压失稳起皱的能力高，则防止起皱必需的压边力和摩擦损失都将相应降低，有利于提高极限变形程度。屈强比越大，则其允许变形程度的范围就越小。

r值的大小表明板材料平面方向和厚度方向上变形难易程度的比较，当r>1时板料厚度方向上的变形比宽度方向上的变形困难。所以r值大的材料，在复杂形状的曲面零件拉深成形时，厚度方向上变形比较困难（即变薄量小）；而在板料平面内的压缩变形比较容易，毛坯中间部分起皱的趋向性降低，也就是抗压失稳起皱的能力高，有利于冲压加工的进行和产品质量的提高。

表2-1～表2-5列出了冲压加工常用的金属材料和非金属材料的力学性能。

②良好的表面质量。材料良好的表面质量是指材料表面应光洁、平整和无锈等。主要包括以下内容：

a.材料表面无缺陷。材料表面质量将直接影响制件的外观性。表面如有裂纹、麻点、划痕、结疤、气泡等缺陷，在冲压过程中容易在缺陷部位产生应力集中而引起破裂。

b.材料表面平整。材料表面若挠曲不平，会影响剪切和冲压时的定位精度，以及由于定位不稳而造成废品，或因冲裁过程中材料变形时的展开作用而损坏冲头。在变形工序中，材料表面的平面度也会影响材料的流向，引起局部起皱或破裂。

c.材料表面无锈。材料表面有锈，不仅影响冲压性能和损伤模具，而且会影响后续焊接和涂漆等工序的正常进行。

③材料的厚度公差。材料的厚度公差应符合国家标准的规定，因为一定的模具间隙适用于一定厚度的材料。材料的厚度公差若太大，不仅会影响冲压件质量，还可能导致废品的产生及模具的损坏。

表2-6～表2-20列出了冲压常用金属材料的厚度允许偏差。

2.1.2　常见原材料的质量鉴别方法

冲压用原材料是冲压加工最基本生产要素之一，冲压用原材料与冲压生产的关系相当密切。材料质量直接影响到冲压工艺过程设计、冲压件质量、冲压件质量、产品使用寿命和冲压件成本。一般，冲压件材料费用往往要占冲压件成本的60％～80％。因此，对冲压用原材料进行有效的质量控制，稳定材料质量，一方面有利于保证产品后续冲压工序的加工，生产出优良的冲压件；另一方面有利于控制生产成本，提高经济效益。

对大多数冲压加工企业来讲，为便于生产的组织和管理，冲压用原材料一般从钢板生产厂家分次成批采购完成，经冲压生产加工消耗后，再进行后续的进货补充，周而复始。根据这一生产特性，对冲压用原材料的控制，也是一个循环的系统工程，其应包括原材料采购入库、入库储存、生产加工等各个阶段中的质量控制。

一般说来，原材料采购入库前，除对生产厂家提供的合格证进行例行检查外，还要对所购原材料进行复查、抽检，以便能对所购的原材料质量进行更进一步准确鉴别，其内容主要包括光谱分析、化学分析、金相检验、硬度试验、力学性能试验等。由于此类鉴别需要有一定实验分析手段，若企业无理化检测实验设备，除可采取委托外检外，也可用以下方法对金属材料进行现场快速鉴别。

（1）火花鉴别

火花鉴别是将钢铁材料轻轻压在砂轮上打磨，观察所爆射出的火花形状和颜色，以判断钢铁成分范围的方法。材料不同，其火花也不同。

①低碳钢的火花特征。低碳钢的火束呈草黄带红，发光适中。流线稍多，长度稍长，自根部起逐渐膨胀粗大，至尾部又逐渐收缩、尾部下垂呈半弧形。色稍暗，时有枪尖尾花，花量不多，爆花为四根分叉一次花，呈星形，芒线较粗。在流线上的爆花，只有一次爆裂的芒线称为一次花。一次花是含碳量在0.25％以下的火花特征。

图2-1为20钢的火花特征，其流线多、带红色，火束长，芒线较粗，花量稍多，多根分叉爆裂，爆花呈草黄色。

②中碳钢的火花特征。中碳钢的火束呈黄色，发光明亮。流线多而细长，尾部垂直、尖端分叉。爆花为多根分叉二次花，附有节点，芒线清晰。有较多的小花和花粉产生，并开始出现不完全的两层复花，火花盛开、射力较大。花量较多，占整个火束的五分之三以上。

图2-2为45钢的火花特征，其流线多而稍细，火束短而亮度大，爆裂为多根分叉的三次花，花量占整个火束的五分之三以上，有很多的小花及花粉。

③高碳钢的火花特征。高碳钢的火束呈黄色，光度是根部暗，中部明亮，尾部次之。流线多而细、长度较短、形挺直、射力强。爆花为多根分叉二、三次爆花，三层复花，花量较多，占整个火束的四分之三以上。

图2-3为65钢的火花特征，整个火束呈黄色，光度是根部暗，中部明亮，尾部次之。流线多而细、长度较短、形挺直、射力强。爆花为多根分叉的二、三次爆花，花量多而拥挤，占整个火束的四分之三以上。芒线细长而多，间距密，芒线间杂有很多花粉。

④碳素工具钢的火花特征。图2-4为T7钢的火花特征，其流线多而细，火束粗短。花量多，三次花占火束的五分之四，并有碎花及花粉。发光渐次减弱，火花稍带红色，爆裂为多根分岔，花形由基本的星形发展为三层叠开，花数增多。研磨时手的感觉稍硬。

图2-5为T10钢的火花特征，其流线多而细，火束较T7更为粗短；花量多，三次花占火束的六分之五以上，爆花稍弱带红色，碎花及小花很多。

⑤高速钢的火花特征。图2-6为W18Cr4V钢的火花特征，其火束细长，呈赤橙色，发光极暗。由于钨的影响，几乎无火花爆裂，仅尾部略有三四根分叉爆花，中部和根部为断续流线，尾部呈点形狐尾花，研磨时材质较硬。

（2）色标鉴别

生产中为了表明金属材料的牌号、规格等，通常在材料上作一定的标记，常用的标记方法有涂色、打印、挂牌等。金属材料的涂色标志用以表示钢类、钢号，涂在材料一端的端面或外侧。成捆交货的钢应涂在同一端的端面上，盘条则涂在卷的外侧。具体的涂色方法在有关标准中作了详细的规定，可以根据材料的色标对钢铁材料进行鉴别。表2-21给出了常见钢材的涂色标记。

（3）断口鉴别

材料或零部件因受某些物理、化学或机械因素的影响而导致破断所形成的自然表面称为断口。现场可根据断口的自然形态来断定材料的韧脆性，也可据此判定相同热处理状态的材料含碳量。若断口呈纤维状、无金属光泽、颜色发暗、无结晶颗粒且断口边缘有明显的塑性变形特征，则表明钢材具有良好的塑性和韧性，含碳量较低；若材料断口齐平、呈银灰色、具有明显的金属光泽和结晶颗粒，则表明材料为金属脆性断裂。

（4）音响鉴别

现场也可根据钢铁敲击时声音的不同，对其进行初步鉴别。例如，当原材料钢中混入铸铁材料时，由于铸铁的减振性较好，敲击时声音较低沉，而钢材敲击时则可发出较清脆的声音。

（5）外观鉴别

现场也可根据钢铁的外观质量进行鉴别，有以下特性的一般可辨别为假冒伪劣钢材。

①钢材表面形成各种折线。这种缺陷往往贯穿整个零件产品的纵向，折弯时就会开裂，钢材的强度大大下降。

②钢材外表面经常有麻面现象。这种麻面是由于轧槽磨损严重而引起钢材表面不规则的凹凸不平缺陷。

③钢材表面易产生结疤。这是由于钢材材质不均匀，杂质多，或厂家生产设备简陋，容易粘钢，杂质咬入轧辊后产生的。

④钢材表面易产生裂纹。产生的原因是由于它的坯料气孔多，在冷却过程中由于受到热应力的作用产生裂痕，经过轧制后就有裂纹。

⑤钢材极容易刮伤。产生的原因是厂家生产设备简陋，易产生毛刺，刮伤钢材表面，如果深度刮伤就降低钢材的强度。

⑥钢材的切口不平且无光。若钢材的切头端面凹凸不平，无金属光泽，呈淡红色或类似生铁的颜色，则多为生产设备简陋厂家的产品。

⑦钢材的密度偏小。若钢材的密度偏小且外形尺寸超差严重，则多为生产设备简陋厂家的产品。

2.1.3　原材料存放的要求

冲压用原材料只有经入库前的各项检测数据符合相关国标或部标要求的，才可办理入厂合格证，准予入库集中存放。若有个别指标不合格，必须经相关的技术、质管等部门签字认定，办理入厂代用手续后，方可入库存放；不同意代用的，不准入厂进库，应存入企业不合格品管理区，作好标记，并进行隔离处理。所购原材料应办理相应退货手续，更不准擅自入库，以免流入后续的生产加工过程。

对于合格（含个别指标不合格，技术、质管部门同意代用材料）的冲压用原材料，应按以下要求集中进行存放、管理。

①材料（包括板料、卷料和带料）应按品种、规格分别存放，存放的载荷重（T/mm²）不得超过地坪设计允许的数值。

②成包的板料应堆垛存放。垛间应有通道，当垛高不超过2m时，通道宽度至少应为0.8m；当垛高超过2m时，通道宽度至少应为1m。垛包存放高度一般不应超过2.3m。对于同一垛堆的板料，每包之间应垫以垫木。对于散装的板料，应每隔100～200mm垫以垫木（根据板料长度不同，可垫2～4根垫木）。垫木的厚度不小于50mm，长度应与板料宽度相等。垫木应平整、坚固，承重时不应变形和破裂。

③卷料可多层存放，总高不应超过4m。卷料以存放在楞木上为宜。同一垛堆的钢卷料，每卷卷径应一致。为防止卷料滚动，应备有专门的固定角撑。

④其他金属或非金属材料存放和储存时，采用上述各方法。当材料数量不多时，应采用金属货架形式存放。