第一节冲压工艺与模具设计的内容及
步骤
冲压工艺与模具设计是进行冲压生产的重要技术准备工作。冲压工艺与模具设计应结合工厂的设备、人员
等实际情况，从零件的质量、生产效率、生产成本、劳
动强度、环境的保护以及生产的安全性各个方面综合考
虑，选择和设计出技术先进、经济上合理、使用安全可
靠的工艺方案和模具结构，以使冲压件的生产在保证达
到设计图样上所提出的各项技术要求的基础上，尽可能
降低冲压的工艺成本和保证安全生产。一般来讲，设计
的主要内容及步骤包括：
⒈工艺设计
(1) 零件及其冲压工艺性分析根据冲压件产品图，
分析冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求、原材料
尺寸规格和力学性能，并结合可供选用的冲压设备规格
以及模具制造条件、生产批量等因素，分析零件的冲压
工艺性。良好的冲压工艺性应保证材料消耗少、工序数
目少、占用设备数量少、模具结构简单而寿命高、产品
质量稳定、操作简单。
(2) 确定工艺方案，主要工艺参数计算在冲压工艺
性分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲压工艺方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。有时同一种冲压零件也可能存在多个可行的冲压工艺方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量、生产效率、设备占用情况、模具制造的难易程度和寿命高低、生产成本、操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案。
此外，了解零件的作用及使用要求对零件冲压工艺与模具设计是有帮助的。
工艺参数指制定工艺方案所依据的数据，如各种成形系数（拉深系数、胀形系数等）、零件展开尺寸以及冲裁力、成形力等。计算有两种情况，第一种是工艺参数可以计算得比较准确，如零件排样的材料利用率、冲裁压力中心、工件面积等；第二种是工艺参数只能作近似计算，如一般弯曲或拉深成形力、复杂零件坯料展开尺寸等，确定这类工艺参数一般是根据经验公式或图表进行粗略计算，有些需通过试验调整；有时甚至没有经验公式可以应用，或者因计算太繁杂以致于无法进行，如复杂模具零件的刚性或强度校核、复杂冲压零件成形力
计算等，这种情况下一般只能凭经验进行估计。
(3) 选择冲压设备根据要完成的冲压工序性质和
各种冲压设备的力能特点，考虑冲压加工所需的变形力、变形功及模具闭合高度和轮廓尺寸的大小等主要因素，结合工厂现有设备情况来合理选定设备类型和吨位。
常用冲压设备有曲柄压力机、液压机等，其中曲柄压力机应用最广。冲裁类冲压工序多在曲柄压力机上进行，一般不用液压机；而成形类冲压工序可在曲柄压力机或液压机上进行。
⒉模具设计
模具设计包括模具结构形式的选择与设计、模具结构参数计算、模具图绘制等内容。
(1) 模具结构形式的选择与设计根据拟定的工艺
方案，考虑冲压件的形状特点、零件尺寸大小、精度要求、生产批量、模具加工条件、操作方便与安全的要求等选定与设计冲模结构形式。
(2) 模具结构参数计算确定模具结构形式后，需计算或校核模具结构上的有关参数，如模具工作部分(凸、凹模等)的几何尺寸、模具零件的强度与刚度、模具运动
部件的运动参数、模具与设备之间的安装尺寸，选用和核算弹性元件等。
(3) 绘制模具图模具图是冲压工艺与模具设计结
果的最终体现，一套完整的模具图应该包括模具和使用模具的完备信息。模具图的绘制应该符合国家制定的制图标准，同时考虑模具行业的特殊要求与习惯。
模具图由总装图和非标准件的零件图组成。总装配图主要反映整个模具各个零件之间的装配关系，应该对应绘制说明模具构造的投影图，主要是主视图和俯视图及必要的剖面、剖视图，并注明主要结构尺寸，如闭合高度、轮廓尺寸等。习惯上俯视图由下模部分投影而得，同时在图纸的右上角绘出工件图、排样图，右下方列出模具零件的明细表，写明技术要求等。零件图一般根据模具总装配图测绘，也应该有足够的投影各必要的剖面、剖视图以将零件结构表达清楚。此外，要标注零件加工所需的所有结构尺寸、公差、表面粗糙度、热处理及其他技术要求。
对于一个完整的生产过程，冲压工艺与模具设计是密不可分的，二者相互联系，相互影响，因此前述督可能需要交叉、反复进行。若方案有变化，则需重新进行设
计计算。
⒊编写工艺文件及设计计算说明书
为了规范生产，加强管理，每一种冲压产品的生产需写相应的工艺文件(如工序卡片)。对零件冲压工艺和模具设计应编写设计计算说明书，以供日后查阅。设计计算说明书应该包括冲压件的工艺分析以及模具设计的主要内容。
第二节冲压工艺与模具设计实例
一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设
计
图12-1所示为摩托车侧盖前支承零件示意图，材料Q215钢，厚度1.5mm，年生产量5万件，要求编制该冲压工艺方案。
⒈零件及其冲压工艺性分析
mm的凸包定位摩托车侧盖前支承零件是以2个9.5
且焊接组合在车架的电气元件支架上，腰圆孔用于侧盖的装配，故腰圆孔位置是该零件需要保证的重点。另外，该零件属隐蔽件，被侧盖完全遮蔽，外观上要求不高，只需平整。
图12-1侧盖前支承零件示意图
该零件端部四角为尖角，若采用落料工艺，则工艺性较差，根据该零件的装配使用情况，为了改善落料的工艺性，故将四角修改为圆角，取圆角半径为2mm。此外零件的“腿”较长，若能有效地利用过弯曲和校正弯曲来控制回弹，则可以得到形状和尺寸比较准确的零件。
腰圆孔边至弯曲半径R中心的距离为2.5mm。大于材料厚度（1.5mm），从而腰圆孔位于变形区之外，弯曲时不会引起孔变形，故该孔可在弯曲前冲出。
⒉确定工艺方案
首先根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有剪切(或落料)、冲腰圆孔、一次弯曲、二次弯曲和冲凸包。其中弯曲决定了零件的总体形状和尺寸，因此选择合理的弯曲方法十分重要。
(1) 弯曲变形的方法及比较该零件弯曲变形的方
法可采用如图12-2所示中的任何一种。
第一种方法(图12-2a)为一次成形，其优点是用一副模具成形，可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。缺点是毛坯的整个面积几乎都参与激烈的变形，零件表面擦伤严重，且擦伤面积大，零件形状与尺寸都不精确，弯曲处变薄严重，这些缺陷将随零件“腿”长的增加和“腿”长的减小而愈加明显。
第二种方法(图12-2b)是先用一副模具弯曲端部两角，然后在另一副模具上弯曲中间两角。这显然比第一种方
法弯曲变形的激烈程度缓和的多，但回弹现象难以控制，且增加了模具、设备和操作人员。
第三种方法(图12-2c)是先在一副模具上弯曲端部两
角并使中间两角预弯45°，然后在另一副模具上弯曲成形，这样由于能够实现过弯曲和校正弯曲来控制回弹，故零件的形状和尺寸精确度高。此外，由于成形过程中材料受凸、凹模圆角的阻力较小，零件的表面质量较好。这种弯曲变形方法对于精度要求高或长“脚”短“脚”弯曲
件的成形特别有利。
图12-2弯曲成形
a)一副模具成形b)、c)两副模具成形
(2) 工序组合方案及比较根据冲压该零件需要的
基本工序和弯曲成形的不同方法，可以作出下列各种组合方案。
方案一：落料与冲腰圆孔复合、弯曲四角、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。
方案二：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是模具结构简单，投产快，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，而且工序分散，占用设备和人员多。
方案三：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角并使中间两角预弯45°、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是工件回弹容易控制，尺寸和形状精确，表面质量好，对于这种长“腿”短“脚”弯曲件的成形特别有利，缺点是工序分散，占用设备和人员多。
方案四：冲腰圆孔、切断及弯曲四角连续冲压、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。
方案五：冲腰圆孔、切断及弯曲端部冲腰圆孔、切断连续冲压、弯曲中间两角、冲凸包。这种方案实质上与方案二差不多，只是采用了结构复杂的连续模，故工件回弹难以控制，尺寸和形状不精确。
方案六：将方案三全部工序组合，采用带料连续冲压。
其优点是工序集中，只用一副模具完成全部工序，其实
质是把方案三的各工序分别布置在连续模的各工位上，
所以还具有方案三的各项优点，缺点是模具结构复杂，
安装、调试和维修困难。制造周期长。
综合上述，该零件 虽然对表面外观要求不高，但由
于“腿”特别长，需要有效地利用过弯曲和校正来控制回
弹，其方案三和方案六都能满足这一要求，但考虑到该
零件件生产批量不是太大，故选用方案三，其冲压工序
如下：
落料冲孔、一次弯形 （弯曲端部两角并使中间两角
预弯45°）、二次弯形(弯曲中间两角)、冲凸包。
⒊ 主要工艺参数计算
(1) 毛坯展开尺寸 展开尺寸按图12-3分段计算。
毛坯展开长度
l l l l l L 222254321++++=
式中 l 1
=12.5mm; l 2=45.5m;
l 3=30mm;
l 4和l 5按()xt r +2π
计算。
其中圆周半径r 分别为2mm 和4mm ，材料厚度
t=1.5mm ，中性层位置系数x 按t r 由表3-2查取。当
r=2mm 时取x=0.43，r=4mm 时取x=0.46。
将以上数值代入上式得
()()()mm L 1695.146.04225.143.0222305.4525.122=?++?+++?+?=ππ 考虑到弯曲时材料略有伸长，故取毛坯展开长度
L=168mm 。
对于精度要求高的弯曲件，还需要通过试弯后进行修
正，以获得准确的展开尺寸。
(2) 确定排样方案和计算材料利用率
1) 确定排样方案，根据零件形状选用合理的排样方
案，以提高材料利用率。该零件采用落料与冲孔复合冲
压，毛坯形状为矩形，长度方向尺寸较大，为便于送料，
采用单排方案 （见图12-4）。
图12-3毛坯计算图
图12-4排样方案
搭边值a
和
a1由表2-12查得，得
a
=2mm,
a1=1.8mm。
2) 确定板料规格和裁料方式。根据条料的宽度尺寸，选择合适的板料规格，使剩余的边料越小越好。该零件宽度用料为172mm，以选择1.5mm×710mm×1420mm
的板料规格为宜。
裁料方式既要考虑所选板料规格、冲制零件的数量，又要考虑裁料操作的方便性，该零件以纵裁下料为宜。对于较为大型的零件，则着重考虑冲制零件的数量，以降低零件的材料费用。
(3) 计算材料消耗工艺定额和材料利用率。根据排样
计算，一张钢板可冲制的零件数量为n=4×59=236(件)。
材料消耗工艺定额
kg G 04998.023********.014207105.1=???==量一张钢板冲制零件的数一张钢板的质量
材料利用率
％100??=一张钢板面积零件面积一张钢板冲制零件数量η
()
％10014207105.61312221682362
???-?-??=πη =79.7%
零件面积由图12-5计算得出。
图12-5 落料、冲孔工序略图
⒋ 计算各工序冲压力和选择冲压设备
(1) 第一道工序—落料冲孔(见图12-6) 该工序冲
压力包括冲裁力F P ，卸料力F 3和推料力F 1
，按图12-6所示的结构形式，系采用打杆在滑块快回到最高位置时
将工件直接从凹模内打出，故不再考虑顶件力F 2
。 冲裁力
)3.1(τσLt Lt F b P 或=
式中 L —剪切长度;
t —材料厚度（1.5mm ）;
σb —拉深强度，由表8-49查取，取
σb =400Mpa ；
τ—抗剪强度。
剪切长度L 按图12-5所示尺寸计算`
L L L +=2
1 式中 L 1
—落料长度(mm)； L 2—冲孔长度(mm)。
将图示尺寸代入L 计算公式可得
()mm
L
37622222216821=?+?-?-?=π
()mm L
655.61222=+?=π
因此， L =376+65=441mm
将以上数值代入冲裁力计算公式可得
()N b p t L F 2646004005.1441=??==σ
落料卸料力
σb p t
L K F K F 1'3卸卸== 式中 K 卸—卸料力系数，由表2-8查取；
F p '
—落料力(N)。
将数值代入卸料力公式可得
()N F
90244005.137604.03=???=_
冲孔推件力 σb p t L K n F K n
F 2''1推推== 式中
n —梗塞件数量(即腰圆形废料数)，取
n=4；
K 推—推件力系数，由表2-8查取；
F p '
'—冲孔力(N)。
将数值代入推件力公式可得
()N F 85804005.165055.041=????=
第一道工序总冲压
力 F F F F p z 1
3++=
=264600+9024+8580
=282204≈282（kN ）
选择冲压设备时着重考虑的主要参数是公称压力、装
模高度、滑块行程、台面尺寸等。
根据第一道工序所需的冲压力，选用公称压力为
400kN 的压力机就完全能够满足使用要求。
(2) 第二道工序—一次弯形(见图12-7) 该工序的
冲压力包括预弯中部两角和弯曲、校正 端部两角及压料
力等，这些力并不是同时发生或达到最大值的，最初只
有压弯力和预弯力，滑块下降到一定 位置时开始压弯端
部两角，最后进行校正弯曲，故最大冲压力只考虑校正
弯曲力
P 2和压料力P y 。
校正弯曲
力 q S P =2
式中 S —校正部分的投影面积()m m 2
q —单位面积校正(MPa)，由表3-11查取，q =100Mpa 。
结合图12-1、图12-5所示尺寸计算式如下
()[]()mm S 2225445.613122245cos 3416834=?+?-??-+=??? ??π
校正弯曲力
()N q S P 25440010025442=?==
压料力P y 为自由弯曲力P 1
的30%~80%。 自由弯曲力(表
3-10)
L t b C P b 221σ=
式中 系数 C =1.2；
弯曲件宽度 b =22mm;
料厚 t =1.5mm ；
抗拉强度
σb =400MPa ； 支点间距L 2
近似取10mm 。将上述数据代入P 1
表达式，得： ()N P 2376104005.1222.121=??=
? 取P P y 1
%50=，得 压料
力 P y =50%×
2376=1188()N
则第二道工序总冲压力
()()kN N P P P Y z 25625558811882544002≈=+=+=
根据第二道工序所需要的冲压力，选用公称压力为
400kN 的压力机完全能够满足使用要求。
（3）第三道工序—二次弯形(见图12-8) 该工序
仍需要压料，故冲压力包括自由弯曲力
P 1
和压料力P y 。 自由弯曲力 ()
N P 699344005.1222.121=??=?
力 ()N P P y 349%50699%501=?==
则第三道工序总冲压力
()N P P P Y z 10483496991=+=+=
第三道工序所需的冲压力很小，若单从这一角度考
虑，所选的压力机太小，滑块行程不能满足该工序的加
工需要。故该工序宜选用滑块行程较大的400kN 的压力
机。
（4）第四道工序—冲凸包（见图12-9） 该工序需要
压料和顶料，其冲压力包括凸包成形力
P p 和卸料力P 3及顶件力P 2，从图12-1所示标注的尺寸看，凸包的成形
情况与冲裁相似，故凸包成形力
P p 可按冲裁力公式计算
得 凸包成形
力
()N b p t L P 226084005.162=???==πσ
卸料
力 ()N P K P p 9042260804.03=?==卸
力
()N P K P p 135********.02=?==卸(系数K 顶、K 卸由表
2-8查取)
则第四道工序总冲压力
()()N k P P P P N p Z 25248681356904226082
3≈=++==++ 从该工序所需的冲压力考虑，选用公称压力为40kN
的压力机就行了，但是该工件高度大，需要滑块行程也
相应要大，故该工序选用公称压力为250kN 的压力机。
⒌ 模具结构形式的确定
落料冲孔模具、一次弯形模具、二次弯形模具、冲凸
包模具结构形式分别见图12-6、图12-7、图12-8、图
12-9。
图12-6 落料冲孔模具结构形
式 图12-7 一次
弯形模具结构形式