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目录摘要.Abstract.引言.1第一章锌基合金冲裁模的冲裁机理.11.1单向裂纹扩展分离机理.11.2自动补偿磨损机理.21.3动态平衡间隙机理.2第二章锌基合金冲裁模的设计.32.1模具设计原则.32.2凸模、凹模刃口尺寸的计算.42.3凹模洞口竖壁高度及凹模厚度的选择.52.4最小搭边值的确定.5第三章锌基合金冲裁模的制模工艺.53.1浇注法制造锌基合金冲裁模.53.2挤切法制作锌基合金冲裁模.73.3工艺凸模法制作锌基合金冲裁模.73.4镶拼法制造锌基合金冲裁模.73.5锌基合金模具的修补工艺.8第四章锌基合金冲裁模具的结构及应用.84.1无导向装置的简单落料模.84.2有导向装置的锌基合金冲孔模.84.3凹模刃口蒙钢皮的锌基合金冲裁模.8结束语.10致谢词.11参考文献.121引言在锌基合金模具中,冲裁模,包含了落料模,冲孔模,切边模等金属分离工序的模具占有绝大多数。这类模具制造简单,见成效最快,一般都是百分之百的成功率,所以它才能在市场中占有一席之地,被广大的应用者接受,并能很快的获得经济效益。由于落料工序的特点是为后道工序提供坯料,而对于一些形状复杂的成形、弯曲以及拉深件的展开毛坯尺寸又不是一次就能设计得十分准确,这需要多次试验来确定坯料形状和尺寸,而用钢制落料就未免风险性太大,经常造成模具报废,用手工下料也太费事,最理想的是用锌基合金模具,可以试了不行再来一次,十分方便,又不浪费材料。锌基合金冲裁模具发展快,应用广。由于锌基合金材料具有较好的力学性能和一定的表面硬度,可用以直接作为冲裁模的工作刃口。锌基合金模具的结构,制模工艺,模具设计等与一般钢模有所差异,它主要是简化凹模设计制造为主要目的的一种快速经济模具,特别是在当前电加工机床普及的时代,用线切割机床加工好一个钢制凸模,以此为基础浇注成形锌基合金凹模,主要节省了凹模的加工量。在冲裁模的制造过程中,还可以用锌基合金材料制造加工固定板,卸料板,模具上下底板等。目前采用锌基合金冲裁模具可以冲裁出各种不同厚度的钢板、有色金属板料和非金属板料等。它们有45钢、10号、20号钢、08F、Q235(A3)、不锈钢板、16Mn弹簧钢板、紫铜板、铝板、胶木板及覆铜板、纤维板等。被冲制件材料的厚度最大达到8mm,材料为16Mn钢板。最薄的冲到0.06mm带钢。以被冲制件的周边长度计算,最大的冲裁到周边长7m,最小的件周边只有10mm。从模具寿命看,冲裁Q235钢制件厚度1mm,导柱模一次刃磨寿命约在一万次左右,一般锌基合金冲裁模都不用导柱,寿命约有3000次。锌基合金冲裁模具制造方法简单方便,生产周期短,模具加工不需要专用设备,制模费用也很低。以下就对锌基合金冲裁模制模工艺进行的研究。第一章锌基合金冲裁模的冲裁机理锌基合金冲裁模,是用钢的凸模为基础浇注合金凹模制成的模具,凸模硬,凹模软,这种一软一硬的材料又如何来完成材料的分离工序,这就有一个机理问题,锌基合金冲裁模的冲裁机理不同于常规钢模的冲裁机理,因此在模具设计、制造工艺和模具安装、调模试模都有区别于普通钢制模具。1.1单向裂纹扩展分离机理用工具钢等硬质材料作冲模的凸模和凹模,即普通钢模的分离理论通常称之为“双向裂纹扩展机理”。这个机理的出发点是,材料在冲裁模的钢制凸模和凹模之间变形时,2板料的上表面和下表面与模具凸模和凹模之间变形时,板料的上表面和下表面与模具凸模和凹模刃口接触同时产生两向裂纹,在变形力不断增大的情况下,这两向裂纹不断向材料内部扩展,直至这两向裂纹相迎,导至材料分离。目前的普通冲裁钢模设计就是根据这个机理进行的。为了保证上述的“两条裂纹”同时产生,又要确保他们在向材料内部扩展时,准确相迎。设计、制造的要求是:第一,必须将凸模和凹模的刃口制造的相当锋利,使材料碰到刃口就要形成裂纹,而不允许在表面出现塑性变形,为首先出现裂纹创造条件。第二,必须保证凸模和凹模之间具有均匀的合理间隙,为使两向的裂纹相迎创造充分条件;第三,必须对刃口进行热处理,一般通过淬火处理硬度在6062HRC以上,以维持模具有一定的寿命。用锌基合金软材料制作模具,显然不能满足上述的“双向裂纹”扩展条件,质软的锌基合金材料在冲裁过程中不可能维持锋利的刃口,而只能形成一个钝刃口,这样,一个锋利的工具钢刃口与一个钝的锌基合金钢刃口将导致板材上,下刃口处出现裂纹的时间和裂纹扩展的速度都不一样,因此,锌基合金冲裁模的分离工序与全钢模的冲裁分离过程就不相同。因为锌基合金冲裁模只是在锋利的钢凸模的一向出现材料上的裂纹,称为“单向裂纹扩展机理”。指冲裁的板料不是在凸模和凹模刃口处同时产生裂纹,而是首先在硬质材料凸模刃口处产生单向裂纹,然后扩展到材料内部直至凹模刃口竖壁处,与板料由凹模产生的裂纹相迎合达到板料分离。在采用“一软一硬”的锌基合金冲裁模实现板料分离的过程中,控制裂纹的形成的先后和走向,是确保这种磨具寿命和冲裁件质量的关键。例如对落料工序,凸模刃口锋利,凹模用锌基合金材料制作,这样板料在凸模一方必然首先产生裂纹,裂纹能否单向扩展就完全取决于凹模刃口的状态,凹模刃口有较小的圆角半径,是形成单向裂纹扩展的必要条件,圆角半径越大,板料产生裂纹扩展的速度就越迟缓,塑性剪切过程就越长。1.2自动补偿磨损机理锌基合金冲裁模的主要工作零件,即钢制凸模与锌基合金凹模之间,通常都存在着相当大的硬度差,凸模如果用淬火的工具钢,其硬度为5862HRC,锌基合金凹模的硬度却只有120130HB。这样,在冲裁过程中凸模与凹模的端面和侧面都要承受材料的反作用力,以及由反作用力引起材料与工作零件之间的摩擦力,必然导致相互之间的磨损。由于锌基合金软,被冲件的硬度都比它高,必然使锌基合金凹模产生磨损,如果磨损不补偿,它的寿命就十分有限,一次刃口寿命就很低。从实际使用的现象和试验可以发现,在锌基合金凹模刃口内冲裁所得到的制件的周边有刮下的锌合金材料,特别是试冲件十分明显。在锌基合金凹模刃口磨损补偿的试验中得到,在初始阶段锌基合金凹模口有锋利的直角刃口,冲裁开始,冲裁力通过工件表面的作用,由于磨损和塑性变形,此刃口很快就变钝,锋利的刃口变成了圆角,又由于坯料的挤压作用和磨损凸模与凹模之间很快就形成了间隙,过渡到第2阶段,称之为正常阶段,在这个阶段材料不断磨损有不断补充,维持一定的冲裁寿命,最后达到的是第3阶段,即刃口部分的材料无论是工件施以的挤压对侧壁的补偿,都不能满足凸模与凹模间隙值的增加,直到超过合理间隙值直至模具失效。间隙超差和圆角压塌是冲裁模具失效的主要形式。所谓“自动补偿磨损机理”就是锌基合金材料的特点,利用冲裁过程中,冲裁力在工作零件端面产生的作用力,使其产生塑性变形,补偿软材料在工作中的磨损,使补偿3与磨损达到相互平衡,维持模具在最佳受力状态下冲裁。自动补偿磨损也是合金的端面金属向刃口竖壁侧面流动,补偿刃口竖壁与板料相对运动所造成的磨损。这种补偿方法是在冲裁过程中自动实现的,显然比人工补偿方便得多。1.3动态平衡间隙机理合理的间隙值是冲裁工序的重要工艺参数,对锌基合金冲裁模同样如此。钢制冲裁模是依靠制造工艺来保证最小的合理间隙的,而锌基合金模不需要人工制作间隙,而是依靠冲裁过程中逐渐自动形成的合理间隙,称这种由冲裁过程中形成的间隙为“动态平衡间隙”。由于形成间隙的条件不同,根据不同的冲裁工序,相应有不同的制模工艺方法,根据动态平衡间隙机理,结合锌基合金材料的特点和生产实践的证实,不论采用哪种制模工艺方法,获得动态平衡间隙的必要条件必须是锌基合金冲模的实际起始间隙小于动态平衡间隙。这种间隙值因被冲材料的性质、厚度不同而异。例如用锌基合金模具冲薄料时获得看最佳间隙值,而又用同一副模具再冲裁比原来材料要厚的零件时它又可以获得新的最佳合理间隙。但是反过来,如果先冲了厚的材料形成了间隙后,就不能再冲比它薄的材料而要达到最佳合理间隙,这是因为它没有具备“起始间隙必须小于动态平衡间隙的原则”。从这个机理出发,制造锌基合金模具时不需要用人工方法去配制冲裁间隙,这也是简化制模的关键所在。第二章锌基合金冲裁模的设计由于锌基合金冲裁模具的冲裁机理与钢模有所不同,因此模具的设计方法,模具设计所选择的参数以及模具结构形式都与钢模有异。但是在许多设计原则上以钢模为准,相当一部分模具零件也是应用钢模的标准,特别是大量的模具附件也都是可以照用,这样可大大缩短设计周期。2.1模具设计原则冷冲压中的基本工序是冲裁工序,冲裁工序又分为落料工序和冲孔工序。需要使用冲压件外形尺寸形状为落料,而需要使用冲压件内形尺寸为冲孔。由定义而知,在设计冲裁模时,对于落料工序必须是凹模刃口为基准尺寸;对于冲孔工序则必然是凸模刃口为基准尺寸。在锌基合金制模中一般都是以钢凸模为基准,无论是落料、冲孔都以钢制凸模为准,浇凹模是锌合金,这样就与常规钢模不同了,主要是制造工艺决定的。落料时零件的尺寸取决于凹模的尺寸,冲孔零件的尺寸取决于凸模尺寸。还要考虑到让毛刺保留到废料上。应当指出,这种设计原则是适用于批量生产,如果批量不大,对毛刺高度又无严格要求时,也就可以不考虑这个原则。在锌基合金冲裁模应用中都是以钢制凸模模型,采用铸造或挤切方法制作凹模,这是以简化凹模制造为主要目的。因此设计中4应当注意的原则是:1、在冲裁过程中,模具的磨损主要是发生在软基体的锌基合金凹模一方,而钢制的凸模基本不考虑它的磨损;2、模具设计时,凹模与凸模之间的间隙以零考虑,也就是说,这种模具的初始工作状态间隙为零,在正常工作时由“自动补偿磨损”和“动态平衡间隙”获得合理间隙;3、不论落料或冲孔,初始阶段凸模,凹模的尺寸相等;4、考虑锌基合金材料的机械强度比钢材弱,结构选择上要相应增大。2.2凸模、凹模刃口尺寸的计算1.落料工序设冲制零件尺寸及公差:D凸)(凸-zKDD式中:凸D凸模的公称尺寸,mm;D冲制零件的公称尺寸,mm;冲件的公差,mm;Z双向间隙,mm;凸凸模制造公差(mm)按h6,h7选用;K系数、与制件的形状和精度有关系。IT12以上K=3/4;IT14以下K=1/12。对于精度要求不高的冲压件,式中双向间隙“Z”一项不考虑,这是因为锌基合金冲裁模的间隙是自动形成的;而对有精度要求的冲件,冲裁中自动扩展出间隙,使凹模洞口尺寸比凸模大、而落料尺寸又取决于凹模尺寸,如果设计凸模不减去“Z”值,冲件就会超差。2.冲裁工序设冲制零件孔径及公差:d凹)(凹Kdd式中:凹d凹模公称尺寸,mm;d冲件的公称尺寸,mm;冲件的公差,mm;凹模制造公差H6;K系数,与制件的形状和精度有关,IT12以上K=3/4;IT14以下K=1/2。2.3凹模洞口竖壁高度及凹模厚度的选择5目前对于锌基合金冲裁模竖壁部分的尺寸一般都根据经验确定,取为钢模的一倍左右。在通常情况下,凹模洞口竖壁高度对于板厚小于12mm时,H值取1520mm合金凹模的总高度参考钢模选取,但不应小于30mm。设计凹模厚度时,考虑到冲裁时受力比较复杂,主要受径向张力,轴向压力和弯矩联合作用。由于锌基合金强度低,凹模最大截面必须具有足够的强度。通常是按等宽设计然后再进行修正,对于有尖角的冲件,应单独考虑加固,其数据推荐值可查表得知。2.4最小搭边值的确定冲件落料时制件之间以及制件与条料侧边之间留下的余料叫搭边,搭边虽然是形成废料,但在工艺上有很大的作用。既可以补偿定位的误差,保证冲制出合格的零件,又可以保持条料具有一定的刚度,便于送料。由于锌基合金模具强度、硬度比钢模小,受冲裁力作用后产生变形的可能性大,为了不至使制件产生毛刺和损坏模具刃口,一般来说锌基合金冲裁模要求搭边值也比钢模的排样搭边值稍大一些,推荐取a=b=(23)t,式中t为被冲板料的厚度,对于软材料取下限,对于硬材料取上限,非金属材料取上限,薄料应当减少,厚料适当加大。第三章锌基合金冲裁模的制模工艺锌基合金模具的制作方法,根据实际应用中采用的方法分为以下三种:浇注法,挤切法和加工法。浇注法分模上浇注和模下浇注,模下浇注又分正向浇注和反向浇注。如前所述,锌基合金冲裁模是以钢凸模为基准,浇注锌基合金凹模,结构上与普通钢模相似,同样可分为敞开式冲裁模(即通常称为独角模)和导柱模,不同的地方是钢制凹模以锌基合金凹模代替。无论是敞开模或是导柱模锌基合金浇注工艺是相同的。3.1浇注法制造锌基合金冲裁模1.锌基合金凹模制模工艺锌基合金凹模制模工艺分为模上制模工艺和模下制模工艺两种。模上制模方法主要用于轮廓形状简单、中型尺寸、各种料厚的冲裁件。锌基合金凹模模下制模再经加工后安装使用的方法,目前应用极为普遍。其加工过程为:(1)将已加工好,符合产品质量要求的钢制凹模尾部用1mm厚的铝板包围一周,然后放到事先找平的平板上。(2)根据凹模外形尺寸要求,放上模框,并在平板与模框之间填砂子防漏。接通预热器,使凸模、模框及平板一起预热,预热温度为150200,一但浇注时将6电源断开。(3)将熔化的锌基合金慢慢浇注到模框内,浇注温度控制为420450。(4)待锌基合金冷却凝固后,在200250时将凸模由凹模中取出,可用油压机,也可用人工方式取出。(5)取出的凹模在200以下放入5%食盐水中淬火,经快速冷却后合金凹模工作表面的硬度可提高35HB,一般可达到120130HB。(6)加工凹模,一般只需要刨床加工或铣削加工上下表面,配钻螺钉孔、销钉孔,即可进行安装。锌基合金有良好的加工性能,能进行所有机械切削加工,如车、钳、刨、铣、钻、镗以及磨削。根据实际经验,对锌基合金材料磨削时需要用较粗的砂轮和加大冷却用水量,同样可以获得较好的效果。(7)安装凸模、凹模,在冲床上用钢凸模冲挤切去由于合金收缩而形成的洞口多余合金。这样就可以获得理想的凸凹模零间隙的初始状态。这样可以进行试冲生产。(8)锌基合金冲裁模的试模过程,按上述制模工艺制成一副完整的冲裁模之后,安装到冲床上,首先是要对正凸模与凹模刃口的中心,使周围留量均匀。因为钢凸模从锌基合金凹模中取出以后,合金还有0.20mm的收缩余量,试冲时首先要用钢凸模挤切刃口,挤切时用手搬动冲床飞轮,慢慢下降滑块将凹模洞口侧壁的收缩余量切除,当完成一个冲程之后,可以放坯料试冲。如果冲的坯料厚度在1mm以上时,应先冲小于1mm的薄板,然后再加到应冲厚度的材料。这是因为间隙的补偿自动形成是从小到大,不能一开始就冲厚料。2.模框利用凸模浇注锌基合金凹模,必须要有一个模框承受熔化的合金。模框的结构型式分为专用模框和通用模框两大类。(1)专用模框,专用模框是用23mm厚的钢板根据凹模要求的形状尺寸焊接而成。这种型式用于中小型冲裁件。紧定螺钉孔可以直接在合金凹模上制作出来。(2)通用模框:它是用厚度为1015mm的钢板按照模框板加工,并用弓形夹及螺钉紧固连接而成。它的特点是铸造时可以根据凹模的尺寸任意调整模框尺寸,通用模框也可以用角钢或槽钢围制而成。3.凹模压板凸台的浇注成形为了使锌基合金模具凹模及凸模进一步简化,在浇注凹模时,可以直接在模框内加放垫铁而使压板凸台直接浇出来,经加工后不需要再用下模板而直接压到工作台面上就可以投产。4.漏料孔模芯凹模漏料孔不仅是为了便于漏料,还可以在浇注时利用漏料孔模芯来控制凹模刃口竖壁高度H值。当然,漏料孔也可以用加工方法来制作,但用直接浇注法制作起来方便得多。目前用在浇注锌基合金冲裁模凹模中的漏料孔模芯有金属模芯,非金属材料模芯,如砖石、砂芯、石墨芯、以及金属框加砂芯等。除了以上型式的漏料孔芯材料外,为了进一步简化漏料孔模芯的制作工作,在实际应用中还出现用11.5mm铝板或铁皮根据凹模需要尺寸剪成长条,沿凸模包围一周,用铁丝扎紧,这样也可以浇注成形沿凸模形状均匀的漏料孔形。还可以用铁丝缠绕法制作漏料口型式,具体作法是用1mm直径的铁丝缠绕在凸模上进行浇注,在浇注前用耐火泥将铁丝面涂平滑。73.2挤切法制作锌基合金冲裁模所谓挤切法,就是利用淬火的钢制凸模,直接挤压切削锌基合金材料制造的合金凹模的一种制模方法。此种方法利用了锌基合金材料的硬度较低的特点,为满足冲裁机理提出的工艺要求所采用的制模方法,采用这种方法可以很简便地保证获得动态平衡间隙的必要条件,确保模具的起始实际间隙值等于零。对于几何形状复杂,尺寸小而精度要求较高,特别是有小的圆角和尖角的凹模刃口处,采用上述的直接浇注成形凹模时,往往会使尖角部分留不满,出现圆角,冷却之后收缩不均匀,凸模与凹模之间产生较大的间隙,冲裁时其它部分材料分离的断口质量很好,在转角圆角处出现大的毛刺,以至冲裁不合格。根据实践经验证明,对于单工序模的多孔冲裁模,凸模较多时不能一次直接浇注;对于转角处是尖角的或小R连接的凹模刃口也不能直接浇注,应用挤切法可以得到满意的效果。挤切法的制模工艺过程:(1)根据设计的凹模尺寸大小,浇注一个锌基合金模块,冷却后铣削模块的上下表面,粗糙度为Ra3.2m。(2)加工与模座对应的螺钉,销钉孔,并将其安装在模座上。(3)用油压机加压,在模块上表面压印出凸模的轮廓痕迹线,卸压后,拆下锌基合金模块,根据痕迹线加工出凹模的孔形,然后再加工出漏料孔形,加工时一定要在沿凸模压印线轮廓处缩小0.20.3mm的挤切余量。(4)加工完成之后,将模块安装固定到模架上,合模后再用压力机将凸模直接挤切锌基合金凹模,直至刃口竖壁高度全部挤出为止。然后可以试冲,试冲程序仍然是先冲薄料再冲厚料。采用挤切法制作锌基合金冲裁凹模的制模精度比直接浇注法高。这种方法可以挤切出较小的圆角,但它的加工工作量比较大,但是它有效地保证了模具起始实际间隙为零,保证了动态平衡间隙获得,能提高模具使用寿命,这种方法也广泛采用。3.3工艺凸模法制作锌基合金冲裁模与上述挤切法相近似,工艺凸模法制作锌基合金凹模的过程也是最后通过钢凸模挤切出凹模刃口。不同的是,在挤切法中是先用钢凸模压出痕迹,然后再根据此痕迹留出余量加工出刃口初形,最后才挤切。而工艺凸模法则是省去了用钢凸模压痕和机械加工等工序,而是另外根据凸模的尺寸缩小0.20.5mm,用石墨、砂芯砖或钢材、铜材等加工出一个中间凸模,称为工艺凸模,先用这个凸模浇成形凹模刃口,然后再用钢凸模再试模、挤切、得到生产用凹

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