冲压工艺及模具－设计与实践第4章-1冲裁工艺与冲裁模具设计.pptx

第4章 冲裁工艺与冲裁模具设计,4.1冲裁变形过程分析 4.1.1 冲裁件断面特征及其形成过程 4.1.1.1冲裁件断面特征 冲裁件理想的断面是断面平直、表面光洁、边缘整齐。但实际的剪切断面质量达不到这种要求。观察实际冲裁件的剪切断面可以发现，其形状如图4.1所示，整个断面可以明显地分为四个特征区。,图4.1 冲裁件剪切断面特征,1-圆角带;2一光亮带;3一断裂带;4毛刺 圆角带(塌角)：出现在板料上不与凸模或凹模接触的自由面一侧，板材塑性愈好，冲裁间隙愈大，则塌角也愈大。 光亮带：与塌角相邻，光亮带垂直于底面，平整光洁，其高度范围约占板料总厚度的1/3到1/2。板材塑性愈好，冲裁间隙愈小，则光亮带的高度范围愈大。 断裂带：与光亮带相邻，断裂带表面粗糙，并带有46 (即图中的刀角)的斜角。冲裁间隙愈大，则断裂带的范围也愈大，且斜角也愈大。 毛刺：落料件的毛刺出现在凸模刃口附近，冲孔件的毛刺出现在凹模刃口附近，若冲裁间隙合适且模具刃口锋利，则毛刺较短。若冲裁间隙过大或过小，且模具刃口己磨钝，则毛刺较长。 由上述可见，实际冲裁件的断面并不整齐，仅光亮带一小段为比较平直的圆柱面，一般就以该圆柱面直径代表落料件的外径或冲孔件的孔径。若不计弹性变形的影响，可以近似地认为 落料尺寸=凹模尺寸 冲孔尺寸=凸模尺寸 这一关系式是计算凸模和凹模尺寸的主要依据。,2.6.1.2特征区的形成过程 冲裁过程是在瞬间完成的。整个冲裁过程大致可分为三个阶段。 1.翘曲变形阶段 当凸模接触板料后，凸、凹模作用在板料上的力逐渐分别向各自的刃口附近集中。如图4.2 ( a)所示。 2.剪切变形阶段 凸模继续下压，凸、凹模刃口切入板料，使冲裁间隙内的材料产生塑性剪切滑移，形成一段光亮带，同时它又将自由面上靠近刃口的材料向间隙中拖带，因而形成塌角，如图4.2 (b)所示。 3.断裂阶段 光亮带发展到一定程度后，就会分别在凸、凹模刃口附近产生斜向裂纹。随着凸模的继续下压，裂纹将不断向材料内部延伸。如图4.2 (c)所示。,图4.2 冲裁时板料的变形过程,4.毛刺的生成 凸、凹模刃口在长期使用过程中不断钝化，不但对材料切入处产生应力集中的效应明显减弱。裂纹产生的位置并非正对着刃口，而是在静水压力较小、塑性较差、相对容易产生裂纹的离刃口不远的侧面_L，如图4.3所示，而这就是出现毛刺的根本原因。 图4.3 毛刺的生成机理,4.1.2 冲裁件断面质量及其影响因素 冲裁间隙对断面质量有决定性影响。若冲裁间隙合理，则分别由凸模和凹模刃口处出发的裂纹将会重合，冲裁件断面上的塌角也微小，其断裂带虽然粗糙但比较平坦，斜度也不大，毛刺也不明显。 当间隙过大或过小时，就会使上、下裂纹不能重合。 如间隙过大，如图4.4 (a)所示，凸模产生的裂纹相对于凹模产生的裂纹将向里移动一个距离。剪切断面塌角加大，光亮带的高度缩短，断裂带的高度增加，锥度也加大并有明显的拉长毛刺，冲裁件可能产生穹弯现象。 如间隙过小，如图4.4 (b)所示，凸模产生的裂纹将向外移动一个距离。上、下裂纹不重合，产生第二次剪切，从而在剪切面上形成了略带倒锥的第二个光亮带。在第二个光亮带下面存在着潜伏的裂纹。,图4.4 间隙对断面质量的影响,4.1.3 冲裁件的毛刺及其影响因素 由毛刺生成机理可知，冲裁件产生微小的毛刺是不可避免的。正常冲裁中允许的毛刺高度见表4.1。 表4.1 毛刺的允许高度 （mm） 如前所述，凸模和凹模刃口磨钝是冲裁件产生毛刺的根本原因，如图4.5所示。当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺(图(a)；当凹模刃口磨钝时，则合在冲孔件的孔口下端产生毛刺(图(b) 。,图4.5 凸模和凹模刃磨钝时毛刺的形成情况,4.1.4 冲裁件尺寸精度及其影响因素 冲裁件的尺寸精度与许多因素有关，如模具的制造精度、材料性质、冲裁间隙和冲裁件的形状等。 1.模具的制造精度 模具的精度愈高，冲裁件的精度亦愈高。表4.2所示为当冲模具有合理间隙与锋利刃口时，其制造精度与冲裁件精度的关系。 表4.2 冲裁件的精度,2.材料性质 由于冲裁力引起的材料的总变形中包含一定的弹形变形，当材料分离，应力卸除后冲裁件会产生“回弹”现象。 对于比较软的材料，弹性变形量较小，冲裁后的回弹值也少，因而零件精度较高。 3.冲裁间隙 当间隙适当时，在冲裁过程中，板料的变形区在比较纯的剪切作用下被分离，冲裁后的回弹较小，冲裁件相对于凸模和凹模尺寸的偏差也较小。 4.冲裁件的形状 冲裁件的形状越简单其精度越高。一般情况下，冲裁件愈小，料愈薄，则其精度也愈高。金属冲裁件所能达到的经济精度一般为IT14IT10级；要求高的可达到IT10IT8级。,4.2 冲裁工艺设计 4.2.1 零件的冲裁工艺性分析 冲裁件的工艺性是指零件件对冲裁工艺的适应性，即确定该零件是否适合进行冲裁加工以及冲裁加工的难易程度。冲裁件的工艺性主要包括冲裁件的批量和材料、结构与尺寸、精度与断面粗糙度等三个方面。 4.2.1.1 冲裁件的批量和材料 冲裁件所用的材料，不仅要满足其产品便用性能的技术要求，还应满足冲裁工艺对材料的基本要求。冲裁工艺对冲压材料的基本要求已在3.2中介绍。此外，材料的品种与厚度还应尽量采用国家标准，同时尽可能采取“廉价代贵重，薄料代厚料，黑色代有色”等措施，以降低冲裁件的成本。 s,4.2.1.2冲裁件的结构与尺寸 1)冲裁件的形状应力求简单规则，有利于材料的合理利用，以便节约材料。 2)冲裁件的内、外形转角处要尽量避免尖角，应以圆弧过渡，以便于模具加工。冲裁件的最小圆角半径可参照表4.3选取。 表4.3冲裁件最小圆角半径 3) 如图4.6所示，一般情况下，悬臂和凹槽的宽度B1.5t (t为料厚，当料厚t1时，按t=lmm时计算)；当冲件材料为黄铜、铝、软钢时，B1.2t ；当冲件材料为高碳钢时， B2t。悬臂和凹槽的深度L5B。,图4.6 冲裁件的悬臂和凹槽 4)冲孔时，因受凸模强度的限制、孔的尺寸不应太小。用无导向凸模和带护套凸模所能冲制的孔的最小尺寸可分别参考表4.4、表4.5。,表4.4无导向凸模冲孔的最小尺寸 表4.5 带护套凸模冲孔的最小尺寸,5) c(11.5) t，c(1.52) t，如图4-10a所示。在弯曲件或拉深件上冲孔时，为避免冲孔时凸模受水平推力而折断，孔边与直壁之间应保持一定的距离，一般要求L)R+0.5 t，如图4.7所示。 图4.7 冲件上的孔距及孔边距,4.2.1.3、冲裁件的精度与断面粗糙度 1)冲裁件的经济公差等级不高于IT11级，一般落料件公差等级最好低于IT10级，冲孔件公差等级最好低于IT9级。冲裁可达到的冲裁件公差列于表4.6、表4.7。 表4.6 冲裁件外形与内孔尺寸公差(mm),2一般精度的冲裁件采用TI8IT7级精度的普通冲裁模；较高精度的冲裁件采用IT7 IT6精度的高级冲裁模。 表4.7 冲裁件孔中心距公差(mm),2)冲裁件的断面粗糙度及毛刺高度与材料塑性、材料厚度、冲裁间隙、刃口锋利程度、冲模结构及凸、凹模工作部分表面粗糙度值等因索有关。用普通冲裁方式冲裁厚度为2mm以下的金属板料时，其断面粗祝度值Ra一般可达3.212.5m。毛刺的允许高度见表4.8。 表4.8 普通冲裁毛刺的允许高度 (mm),4.2.2 冲裁工艺方案分析和优化 4.2.2.1 冲压工艺设计的内容和设计原则 确定工艺方案就是确定冲压件的工艺路线，主要包括冲压工序类型、数量、工序的组合和顺序等。 确定工艺方案的主要原则概括起来有以下三点： 1.保证冲裁件质量 用复合模冲出的工件精度高于连续模，而连续模又高于单工序模。 2.经济性原则 在保证质量的前提下，应尽可能降低成本，提高经济效益。 3.安全性原则 工人操作是否方便、安全也是在确定工艺方案时要考虑的一个十分重要的问题。,4.2.2.2 冲裁工艺方案的确定 经过对冲压件的工艺性分析后，综合产品图进行必要的工艺计算，并在分析冲压工序类型、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上，提出各种可能的冲压工艺方案。 确定冲压工艺方案时，需要考虑的主要内容和路径如下： (1)确定冲压工艺类型 剪切、落料、冲孔、切边、弯曲、翻边、成形等是常见的冲压工序，各种冲压工序有不同的性质、特点和用途。 一般要求：如图4.8(a)、图4.8(b)所示，分别为8. 5m。和13. 5mm，图4.8(a)选用落料冲孔和翻边两道工序，翻边系数为0.8。而图4.8(b)若采用与图4.8(a)相同的冲压工序，翻边系数只有0. 68。通过计算和分析，图4.8(b)应选用落料、拉深、冲孔和翻边四道工序。,图4.8 油封内夹圈、外夹圈的冲压工艺过程(材料：08钢，厚度0. 8mm),特殊要求：如图4.9所示的零件为带有加强筋的平板件，冲压该零件所需的工序为剪切或者落料、冲孔与压筋三种工序。 图4.9 带有加强筋的平板件,其他要求:如图4.10所示的是一个连接盘示意图，为了增加成形高度，预先在毛坯上冲出4个孔。 图4.10 连接盘示意图,(2)确定冲压次数和冲压顺序 冲压次数：冲压次数是指同一性质的工序重复进行的次数。对于拉深件，可根据它的形状和尺寸以及板料许可的变形程，计算出拉深次数。 冲压顺序：冲压顺序是指各冲压工序的先后顺序，按下列原则进行： a、所有的孔，只要其形状和尺寸不受后续工序变形的影响，都应该在平板毛坯上冲出，因为在成形后冲孔模具结构复杂。 b、凡所有位置都受到以后某工序变形影响的孔的成形工序完成后再冲出。 c、两孔靠近或者孔距边缘较小时，如果模具强度足够，最好同时冲出，否则应先冲大孔和一般精度孔，后冲小孔和高精度孔。 d、多角弯曲件主要从材料变形和弯曲材料移动两方面安排弯曲先后顺序。 e、对于形状复杂的拉深件。 f、整形或校平工序，应在冲压件基本成形以后进行。,(3)工序的组合方式 编制工艺方案时必须考虑两种情况：单工序分散冲压或将工序组合采用复合模冲压，这主要取决于冲压件的生产批量、尺寸大小和精度等因素。 工序的组合方式，可以选用复合模或连续模。表4.9列出了生产批量与模具类型的关系。 表4.9 生产批量与模具类型的关系,表4.10列出了连续模与复合模的性能比较。 表4.10 连续模与复合模的性能比较 (4)确定其他辅助工序对于某些组合冲压件或有特殊要求的冲压件，尚需考虑非冲压辅助工序。,4.3 冲裁工艺参数计算 4.3.1.冲裁排样设计的方法和选择 冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法叫排样。 排样设计的原则： 提高材料利用率。对冲裁件来说，材料费用常占冲裁件总成本的60%以上，故材料利用率是一项很重要的经济指标。 使工人操作方便、安全，减轻工人的劳动强度。 使模具结构简单、模具寿命较高。 排样应保证冲裁件的质量。 4.3.1.1 材料的合理利用 1.材料利用率 冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比叫材料利用率，它是衡量合理利用材料的经济性指标。,一个步距内的材料利用率(图4.11)可用下式表示： 式中：A一个步距内冲裁件的实际面积; B条料宽度; s步距。 料头、料尾和边余料的材料消耗，总的材料利用率总为 式中：n一张板料(或带料、条料)上冲裁件的总数目； 一个冲裁件的实际面积； L板料长度； B板料宽度。 值越大，材料的利用率就越高。,图4.11 废料的种类图 2.提高材料利用率的方法 冲裁所产生的废料可分为两类(图4.11)：一类是结构废料，是由冲件的形状特点产生的；另一类是由于冲件之间和冲件与条料侧边之间的搭边，以及料头、料尾和边余料而产生的废料，称为工艺废料。 在使用条件许可下，当取得零件设计单位同意后，也可以改变零件的结构形状，提高材料利用率，如图4.12所示。,图4.12 零件形状不同材料利用情况的对比,4.3.1.2 排样方法 根据材料的合理利用情况，条料排样方法可分为三种，如图4.13所示。 图4.13 排样方法分类,1.有废料排样 如图4.13a所示。沿冲件全部外形冲裁，冲件与冲件之间、冲件与条料之间都存在搭边废料。 2.少废料排样 如图4.13b所示。沿冲件部分外形切断或冲裁，只在冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间留有搭边。 3.无废料排样 如图4.13c所示。冲件的质量和模具寿命更差一些，但材料利用率最高。如图4.13d所示，送进步距为两倍零件宽度时，一次切断便能获得两个冲件。 对有废料和少、无废料排样还可以进一步按冲裁件在条料上的布置方法加以分类，其主要形式列于表4.11。,表4.11 有废料排样和少、无废料排样主要形式的分类,对于形状复杂的冲件，通常用纸片剪成35个样件，选出合理的排样方案。 4.3.1.3搭边 排样时冲裁件之间以及冲裁件与条料侧边之间留下的工艺废料叫搭边。搭边的作用一是补偿定位误差和剪板误差；二是增加条料刚度。 1.影响搭边值的因素 (1)材料的力学性能硬材料的搭边值可小一些；软材料、脆材料的搭边值要大一些。 (2)材料厚度材料越厚，搭边值也越大。 (3)冲裁件的形状与尺寸零件外形越复杂，圆角半径越小，搭边值取大些。 (4)送料及挡料方式：用手工送料，有侧压装置的搭边值可以小一些；用侧刃定距比用挡料销定距的搭边小一些。 (5)卸料方式：弹性卸料比刚性卸料的搭边小一些。,2.搭边值的确定 表4.12为最小搭边值的经验数表之一，供设计时参考。 表4.12 最小搭边值/mm,4.3.1.4 条料宽度与导料板间距离的计算 由于表4.12所列侧面搭边值a已经考虑了剪料公差所引起的减小值，所以条料宽度的计算一般采用下列的简化公式。 1.有侧压装置时条料的宽度与导料板间距离，如图4.14. 有侧压装里的模具，能使条料始终沿若导料板送进，故按下式计算： 条料宽度 导料板间距离 2.无侧压装置时条料的宽度与导料板间距离，如图4.15,图4.15 无侧压板的冲裁,图4.14 有侧压板的冲裁,为了补偿侧面搭边的减少，条料宽度应增加一个条料可能的摆动量，故按下式计算： 条料宽度 导料板间距离 式中： 条料宽度方向冲裁件的最大尺寸； 侧搭边值，可参考表4.12； 条料宽度的单向(负向)偏差，见表4.13、表4.14； 导料板与最宽条料之间的间隙，其最小值见表4.15。,表4.13 条料宽度偏差 表4.14 条料宽度偏差,表4.15 导料板和条料之间的最小间隙 3.用侧刃定距时条料的宽度与导料板间距离，如图4.16 当条料的送进步距用侧刃定位时，条料宽度必须增加侧刃切去的部分，故按下式计算： 条料宽度,导料板间距离 式中： 条料宽度方向冲裁件的最大尺寸； 侧搭边值，可参考表4.12； 侧刃数； 侧刃冲切的料边宽度，见表4.16； ； 冲切前的条料宽度与导料板间的间隙，见表4.15； 冲切后的条料宽度与导料板间的间隙，见表4.16。,图4.16 有侧刃的冲裁,表4.16 4.3.1.5 排样设计中的注意事项 1.排样中的几点注意事项 排样的合理性一般可以用材料利用率来衡量。注意以下几点： (1)公差要求较严的零件，排样时工步不宜太多，否则累积误差大，零件公差要求不易保证； (2)对孔间距较小的冲裁件，其孔可以分步冲出，以保证凹模孔壁的强度； (3)零件孔距公差要求较严格时，尽量在同一工步冲出或在相邻工步冲出；,(4)当凹模壁厚太小时，应增设空步，以提高凹模孔壁的强度； (5)尽量避免复杂型孔，对复杂外形零件的冲裁，可分步冲出，以减小模具制造难度； (6)当零件小而批量大时，应尽可能采用多工位级进模成形的排样法； (7)在零件较大的大量生产中，为了缩短模具的长度，可采用连续一复合成形的排样法； (8)对于要求较高或工步较多的冲件，为了减小定位误差，排样时可在条料两侧设置工艺定位孔，用导正销定位； (9)在级进模的连续成形排样中，一般应安排在落料前完成； (10)当材料塑性较差时，在有弯曲工步的连续成形排样中，必须使弯曲线与材料纹向成一定夹角。 （11）条料在冲裁过程中翻动要少，在材料利用率相同或相近时，减少板料裁切次数，节省剪裁备料时间。,2、板料纵裁和横裁的选择 条料是从板料剪裁而得。条料宽度一经决定，就可以裁板。板料一般都是长方形的，所以就有纵裁(沿长边裁，也就是沿辗制纤维方向裁)和横裁(沿短边裁)两种方法。 以下情况下可考虑用横裁： (1)板料纵裁后的条料太长，受冲压车间压力机排列的限制，移动不便时。 (2)条料太重，超过12kg时(工人劳动强度太高)。 (3)横裁的板料利用率显著高于纵裁时。 (4)纵裁不能满足弯曲件坯料对纤维方向要求时。,4.3.1.6、排样图的绘制 绘制排样图时应注意以下几点： 1)排样图上应标注条料宽度 、条料长度L、板料厚度t、端距l、步距s、工件间搭边a1，和侧搭边a和侧刃定距时侧刃的位置及截面尺寸等，如图4.17所示。 2)用剖切线表示出冲裁工位上的工序件形状 (也即凸模或凹模的截面形状)，以便能从排样图上看出是单工序冲裁(图4.17a)还是复合冲裁(图4.17b)或级进冲裁(图4.17c)。 3)采用斜排时，应注明倾斜角度的大小。必要时，还可用双点划线画出送料时定位元件的位置。对有纤维方向要求的排样图，应用箭头表示条料的纹向。,图4.17 排样图画法,4.3.2、模具压力中心确定 模具的压力中心就是冲压力合力的作用点。为了保证压力机和模具的正常工作，应使模具的压力中心与压力机滑块的中心线相重合。冲压时滑块会承受偏心载荷，导致滑块导轨和模具导向部分不正常的磨损。 1.简单几何图形压力中心的位置 (1)对称冲件的压力中心，位于冲件轮廓图形的几何冲裁直线段时，其压力中心位于直线段的中心。 (2)冲裁圆弧线段时，其压力中心的位置，如图4.18，按下式计算 式中：b弧长； 其他符号意义见图。,图4.18 圆弧级段的压力中心 2.确定多凸模模具的压力中心 图4.19，计算其压力中心的步骤如下： (1)按比例画出每一个凸模刃口轮廓的位置。 (2)在任意位置画出坐标轴x，y。坐标原点轮廓压力中心的对称中心。 (3)计算凸模刃口轮廓压力中心及坐标位置 。 (4)计算凸模刃口轮廓的冲裁力 或每一个凸模刃口轮廓的周长 。,(5)对于平行力系，冲裁力的合力等于各力的代数和。即 (6)根据力学定理，合力对某轴的力矩等于各分力对同轴力矩的代数和，则可得压力中心坐标( x0，y0)计算公式,因为冲裁力与周边长度成正比，所以式中各冲裁力F1、F2、F3、Fn可分别用冲裁周边长度L2、L3、 代替。即,图4.19 多凸模压力中心,图4.20 复杂冲裁件的压力中心,3.复杂形状零件模具压力中心的确定 具体步骤如下： (1)选定坐标轴，x和y。 (2)将组成图形的轮廓线划分为若干简单的线段，求出各线段长度 (3)确定各线段的重心位置 。 (4)按公式算出压力中心的坐标(x0，y0)。 4、用作图法和悬挂法确定冲裁模具的压力中心 作图法精确度不高，方法也不简单，因此在应用中受到一定限制。 悬挂法的理论根据是：用匀质金属丝代替均布于冲裁件轮廓的冲裁力， 该模拟件的重心就是冲裁的压力中心,4.3.3、冲压力计算和冲裁设备确定 4.3.3.1冲裁力的计算 冲裁分离必须通过凸、凹模对材料施加足够的外力，通常称为冲裁力。 对于普通平刃口凸、凹模的冲裁，其冲裁力F可按下式计算: 式中，F冲裁力(N) L冲裁轮廓线长度(mm) t板料厚度(mm ) 材料抗剪强度(MPa)见表4.17 ) K考虑刃口磨损钝化，冲裁间隙不均匀，材料力学性能与厚度尺寸波动等因素而增加的安全系数，常取K=1.3。,表4.17 钢在加热状态的抗剪强度 因一般情况下，材料的抗拉强度 ，故也可通过抗拉强度来计算冲裁力：,4.3.3.2 降低冲裁力的措施 当板料较厚或冲裁件较大，所产生的冲裁力过大或压力机吨位不够时，可采用以下三种方法来降低冲裁力。 1.加热冲裁 把材料加热后冲裁，可以大大降低其抗剪强度。将材料加热到700 900，冲裁力及常温1/3甚至更小。 缺点是冲裁件断面质量较差(圆角大、有毛刺)，精度低，冲裁件上会产生氧化皮；加热冲裁的劳动条件也差，只用于精度要求不高的厚料冲裁。 2.斜刃冲裁 将凸模和凹模二者的刃口一个做成斜刃口，一个仍保持平刃口，如图4.21所示。为了获得平整的冲裁件，落料时应将斜刃做在凹模上(图(a)，冲孔时应将斜刃做在凸模上(图(b)。,图4.21 斜刃冲裁,刃口倾斜程度H愈大则冲裁力愈小，但凸模需进入凹模愈深，板料的弯曲愈严重，一般取H值为：当 。 斜刃口冲裁时，冲裁力可按下式计算： 式中，,斜刃冲裁的优点是压