冲压模具设计-1.ppt

冲压工艺与模具设计,2012/2013学年第1学期,冲压：,第1章冲压加工概述,1.1基本概念,室温下压力机模具材料分离或塑性变形。,冲压模具：,在冲压加工中，将材料加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备(俗称冲模)。,1.2冲压工序及冲模的分类与结构构成,1.2.1冲压工序根据材料在冲压加工过程中的变形特点分为：,分离工序：,冲压成形时，变形材料内部的应力超过强度极限b，使材料发生断裂而产生分离，从而成形零件。分离工序主要有:,冲孔(piercing):用模具沿封闭轮廓冲裁工件或毛坯，冲下部分为废料。,落料(blanking):用模具沿封闭轮廓冲裁板料或条料，冲下部分为制件。,剖切(parting)：用模具将坯件(弯曲件或拉深件)剖成两部分或几部分。,切边(trimming)：用模具将坯件边缘的多余材料冲切下来,切舌(lancing):用模具将部分材料切开，但并不使它完全分离，同时使切开部分材料发生弯曲。,成形工序：,冲压成形时，变形材料内部应力超过屈服极限s，但未达到强度极限b，使材料产生塑性变形，从而成形零件。成形工序主要有：,拉深(drawing)：将一定形状的平板毛坯通过模具成形为各种形状的开口空心件；或以开口空心件为毛坯通过拉深进一步使空心件改变形状和尺寸。,弯曲(bending)：将平面毛坯料制成具有一定角度和形状的制件。,胀形(bulging)：从空心件内部施加径向压力，强迫局部材料厚度减薄和表面积增大，获得所需形状和尺寸的制件。,翻边(flanging)：利用模具将工件上的孔边缘或外缘边缘翻成竖立的直边。,起伏(embossing)：平板毛坯或制件在模具的作用下，产生局部凸起或凹陷。,缩口(necking)：将预先拉深好的圆筒或管状坯料，通过模具将其口部缩小。,冲裁模(blankingdie):分离工序冲模的统称。弯曲模(bendingdie)：将制件弯曲成一定角度和形状的冲模。拉深模(drawingdie)：把制件拉压成空心体，或进一步改变空心体形状和尺寸的冲模。成形模(formingdie)：使材料产生局部塑性变形，按凸、凹模形状直接复制成形的冲模。是除弯曲、拉深工序外其他成形工序所用冲模的统称。,（1）根据工艺性质分类：,1.2.2冲模的分类与结构构成,（2）根据工序组合程度分类：,单工序模(single-operationdie)：压力机的一次行程中，只完成一道冲压工序的冲模。复合模(compounddie)：压力机的一次行程中，同时完成两道或两道以上冲压工序的单工位冲模。级进模(progressivedie)：压力机的一次行程中，在送料方向连续排列的多个工位上同时完成多道冲压工序的冲模。,冲模通常由上模(upperdie,安装在压力机滑块上的模具部分)、下模(lowerdie,安装在压力机工作台面上的模具部分)两部分构成。组成模具的零件主要有两类：,工艺零件：直接参与工艺过程的完成并和坯料有直接接触。主要包括：,工作零件(workingcomponent)：用于成形制件。主要形式有：凸模(punch)：外轮廓与成形制件内表面一致的工作零件。凹模(matrix)：内轮廓与成形制件外表面一致的工作零件。凸凹模(punch-matrix)：同时具有凸模和凹模作用的工作零件。,定位零件(locatingcomponent)：用于确定被冲压材料在模具中的相对正确位置。主要形式有：定位板(locatingplate)：确定板料或制件正确位置的板状零件。定位销(locatingpin)：确定板料或制件正确位置的圆柱形零件。挡料销(stoppin)：确定板料送进距离的圆柱形零件。导正销(pilotpin)：与导正孔配合，确定制件正确位置和消除送料误差的圆柱形零件。导料板(stockguiderail)：确定板料送进方向的板状零件。侧刃(pitchpunch)：级进模中，为确定板料的送进步距，在其侧边冲切出一定形状缺口的工作零件。,卸料与压料零件(componentsforclampingandstripping)：冲压过程中压住板料和冲压完成后卸下或推出制件与废料的零件。主要形式有：卸料板(stripperplate)：从凸模或凸凹模上卸下制件与废料的板状零件。推件块(ejectorblock)：从上凹模中推出制件或废料的块状零件。顶件块(kickerblock)：从下凹模中顶出制件或废料的块状零件。顶杆(kickerpin)：直接或间接向上顶出制件或废料的杆状零件。推杆(ejectorpin)：向下推出制件或废料的杆状零件。打杆(knock-outpin)：穿过模柄孔，把压力机滑块上打杆横梁的力传给推板的杆状零件。压料板(pressureplate)：把板料压贴在凸模或凹模上的板状零件。压边圈(blankholder)：拉深模或成形模中，为调节材料流动阻力，防止起皱而压紧板料边缘的零件。,结构零件：不直接参与完成工艺过程，也不和坯料有直接接触，只对模具完成工艺过程起保证作用，或对模具功能起完善作用。主要包括：,导向零件(guidecomponent)：保证运动导向和确定上、下模相对位置的零件。主要形式有：导柱(guidepillar)：与导套配合，保证运动导向和确定上、下模相对位置的圆柱形零件。导套(guidebush)：与导柱配合，保证运动导向和确定上、下模相对位置的圆套形零件。导板(guideplate)：为导正上、下模各零部件间相对位置而采用的淬硬或嵌有润滑材料的板状零件。,固定零件(retainingcomponent)：将凸模、凹模固定于上、下模，以及将上、下模固定在压力机上的零件。主要形式有：上模座(punchholder)：用于装配与支承上模所有零部件的模架零件。下模座(matrixholder)：用于装配与支承下模所有零部件的模架零件。备注：模架(dieset)：上、下模座与导向件的组合体。凸模固定板(punchplate)：用于安装和固定凸模的板状零件。凹模固定板(matrixplate)：用于安装和固定凹模的板状零件。垫板(bolsterplate)：设在凸、凹模与模座间，承受和分散冲压负荷的板状零件。模柄(dieshank)：把上模固定在压力机滑块上的连接零件。标准件及其它零件：主要包括螺钉、销钉、弹簧、橡胶垫等。,落料冲孔复合模装配,小结：冲压加工的特点与应用场合,优点：（1）节省材料、能耗低：冲压属少、无切削加工；在常温下进行，无需加热（故被称为冷冲压、冷加工）（2）制品有较好的互换性：冲压件的尺寸公差由模具保证，且一般无需做进一步机械加工，因而具有“一模一样”的特征。（3）冲压可以加工其他加工方法难以制造的壁薄、重量轻、形状复杂、表面质量好、刚性好的零件。（4）生产效率高：普通压力机每分钟可生产几十件；高速压力机每分钟可生产数百件或上千件。（5）操作简单：对操作工而言，无特殊的专项技能要求。（6）制品成本低：由材料利用率、生产效率和操作简单而得。,缺点：（1）单件、小批量生产模具成本高。（2）震动、噪音以及人身伤害安全隐患。,应用场合：（1）汽车制造业60%-70%的零件采用冲压工艺制造。冲压加工工作量占整个汽车工业工作量的25%-30%。（2）仪器、仪表行业的60%-70%的零件采用冲压工艺制造。（3）电子产品中的冲压件数量占零件总数的85%以上。（4）冲压工艺在航空、航天、枪械、弹药等领域生产中占相当大比例。（5）日常生活中的金属制品大都采用冲压工艺制造。,占世界钢产量60%-70%以上的板材、管材以及其他型材，大都经冲压工艺制成成品。冲压加工的增值率高达原材料的3-12倍，综合技术经济优势显著。模具是现代制造业不可或缺的工艺装备。美、日、德等发达国家的模具工业总产值早已超过机床工业的总产值。在模具工业的总产值中，冲压模具占50%，塑料模具占30%，压铸模具占6%，其他各类模具占14%。,模具工业是国民经济的基础工业，是高技术行业。模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造业水平高低的重要标志之一。模具在日本被誉为“进入富裕社会的原动力”，在德国被称为“金属加工业中的帝王”。模具技术是先进制造技术的重要代表，模具工业是高新技术产业的一个重要组成部分，模具工业又是高新技术产业化的重要领域。模具设计与制造专业人才是制造业紧缺人才。,机械压力机（以Jxx表示其型号）,1.3.1常见冲压设备类型,液压机（以Yxx表示其型号）,曲柄压力机（分类、技术参数）,摩擦压力机,高速压力机,水压机,油压机,数控回转头压力机,1.3冲压设备,1.3.2冲压设备的选用,1)设备类型的选择,(1)依据冲裁件的大小对于中小型的冲裁件、弯曲件或浅拉深件，主要采用开式机械压力机。对于大中型的冲裁件、深度大的成形件及复合工序件的生产，可选择闭式机械压力机。在大型拉深件的生产中，应尽量选用双动拉深压力机。,(2)依据冲裁件的生产批量在小批量生产薄板件中，可选择机械压力机。在大型厚板的拉深、胀形、弯曲等制件的生产中，应采用液压机。在大中批量生产或形状复杂制件的大量生产中，应尽量选用高速压力机和多工位自动压力机。,(3)考虑压力机的精度与刚度压力机的刚度是由床身刚度、传动刚度和导向刚度三部分组成的。在进行校正弯曲、校形及整修这类工序时，更应选择刚度较高的压力机。如果刚度较差，负载终了和卸载时模具间隙会发生很大变化，影响冲压件的精度和模具寿命。设备的精度也有类似的问题。,2)设备规格的确定,(1)所选压力机的公称压力必须大于冲裁时所需的总冲裁力，即F压力机F总。同时，还要有一定的力量储备。,(2)压力机的行程大小应适当。压力机行程的大小应该保证坯料的方便放进与零件的方便取出。对于冲裁模，其行程不宜过大，以免发生凸模与导板分离或滚珠导向装置脱开的不良后果。对于拉深模、弯曲模等，压力机的行程至少应大于成品制件高度的2倍以上，以保证板料的放进和成形制件的取出。,(3)所选压力机的装模高度应与冲模的闭合高度相适应。冲模的闭合高度Hm应介于压力机的最大装模高度和最小装模高度之间，即满足Hmax5mmHmHmin+10mm。,(4)压力机工作台面的尺寸必须大于模具下模座的外形尺寸，并还要留有安装固定的余地。但在过大的工作台面上安装过小尺寸的冲模时，对工作台的受力条件也是不利的。工作台面中间孔的尺寸要保证落料或顺利安放模具顶出料装置。,补充：在压力机上安装与调整模具,1.4冲压用板料,冲压用材料主要是金属板料（由冶炼得到的锭坯再经热轧或冷轧而形成），也可以是非金属板料（塑料、皮革、橡胶、纤维板、胶合板、纸板等）。,金属板料分黑色金属和有色金属两种。黑色金属板料按性质可分为：1)普通碳素钢钢板如Q195、Q235等。2)优质碳素结构钢钢板这类钢板的化学成分和力学性能都有保证。其中碳钢以低碳钢使用较多，常用牌号有：08、08F、10、20等，冲压性能和焊接性能均较好，用以制造受力不大的冲压件。3)低合金结构钢板常用的如Q345（16Mn）、Q295（09Mn2）。用以制造有强度要求的重要冲压件。4)电工硅钢板如DT1、DT2。5)不锈钢板如1Crl8Ni9Ti，1Cr13等，用以制造有防腐蚀防锈要求的零件。,一般，厚板（t4mm）为热轧板，薄板(t=4mm)为冷轧板。冷轧板较热轧板尺寸精度高、表面光洁、内部组织致密。,冲压用板料包括平板料、条料、卷料（带料）、箔料等。板料尺寸规格用厚度x宽度x长度表示。条料：由剪板机将板料剪裁成相应的宽度和长度而得。卷料（带料）：一般为薄料（0.13.0mm），宽度在300mm以下，长度可达数10米,主要用于大批量生产的自动送料。箔料：主要用于单件小批生产和价格昂贵的有色金属制件。,常用的有色金属有铜及铜合金（如黄铜）。牌号有T1、T2、H62、H68等，其塑性、导电性与导热性均很好。还有铝及铝合金，常用的牌号有L2、L3、LF21、LY12等，有较好塑性，变形抗力小且重量轻。,板料的冲压成形性能是一个综合性概念，指板料对冲压工序的适应能力。包括抗破裂性、贴模性和定形性。,抗破裂性涉及板料在冲压加工过程中的最大变形能力（成形极限），如极限拉深系数、极限胀形系数、极限翻边系数等。,贴模性指板料在冲压加工过程中获得与模具相同的形状与尺寸的能力。若在冲压加工过程中板料出现内皱、翘曲、塌陷、鼓包等缺陷，则其贴模性能不良。,定形性是指制件脱模后保持其在模具内既得形状与尺寸的能力。回弹是影响定形性诸多因素中最主要的一个。,此外，为了保证制件表面质量和延长模具使用寿命，板料表面应光洁平整、无损伤缺陷。同时，板料厚度公差应符合标准。凸、凹模间隙与板料厚度密切相关。板料正偏差过大，将引起模具损坏、设备过载等危害。,1.5冲压模具材料,制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等。目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主。常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等。,1.5.1材料种类,1.碳素工具钢：应用较多的碳素工具钢为T8A、T10A等。优点为加工性能好，价格便宜。但淬透性和红硬性差，热处理变形大，承载能力较低。,2.低合金工具钢：低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合金元素。与碳素工具钢相比，减少了淬火变形和开裂倾向，提高了钢的淬透性，耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。,3.高碳高铬工具钢：常用的高碳高铬工具钢有Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1(代号D2)，它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性，热处理变形很小，为高耐磨微变形模具钢，承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严重，必须进行反复镦拔(轴向镦、径向拔)改锻，以降低碳化物的不均匀性，提高使用性能。,4.高碳中铬工具钢：用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV、Cr5MoV等，它们的含铬量较低，共晶碳化物少，碳化物分布均匀，热处理变形小，具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比，性能有所改善。,5.高速钢：高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强度，承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V（代号8-4-1）和含钨量较少的W6Mo5Cr4V2(代号6-5-4-2，美国牌号为M2)以及为提高韧性开发的降碳降钒高速钢6W6Mo5-Cr4V(代号6W6或称低碳M2)。高速钢也需要改锻，以改善其碳化物分布。,6.基体钢:在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素，适当增减含碳量，以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点，具有一定的耐磨性和硬度，而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢，为高强韧性冷作模具钢，材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有6Cr4W3Mo2VNb（代号65Nb）、7Cr7Mo2V2Si（代号LD）、5Cr4Mo3SiMnVAL（代号012AL）等。,7.硬质合金和钢结硬质合金:硬质合金的硬度和耐磨性高于其它任何种类的模具钢，但抗弯强度和韧性差。用作模具的硬质合金是钨钴类，对冲击性小而耐磨性要求高的模具，可选用含钴量较低的硬质合金。对冲击性大的模具，可选用含钴量较高的硬质合金。钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末（如铬、钼、钨、钒等）做粘合剂，以碳化钛或碳化钨为硬质相，用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢，克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点，可以切削、焊接、锻造和热处理。钢结硬质合金含有大量的碳化物，虽然硬度和耐磨性低于硬质合金，但仍高于其它钢种，经淬火、回火后硬度可达6873HRC。,不同冲压方法，其模具类型不同，模具工作条件有差异，对模具材料的要求也有所不同。,模具材料的选用，不仅关系到模具的使用寿命，而且也直接影响到模具的制造成本，因此是模具设计中的一项重要工作。在冲压过程中，模具承受冲击负荷且连续工作,使凸、凹模受到强大压力和剧烈磨擦，工作条件极其恶劣。因此选择模具材料应遵循如下原则：(1）根据模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用要求，应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击、耐疲劳性等；(2）根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料；(3）满足加工要求，应具有良好的加工工艺性能，便于切削加工，淬透性好、热处理变形小；(4)满足经济性要求。,1.5.2硬度要求,1.冲模工作零件常用材料及硬度要求,2.冲模一般零件用料及硬度要求,3.模具零件加工热处理方法:,冲压成形产品示例日常用品,冲压成形产品示例高科技产品,汽车覆盖件,飞机蒙皮,冲裁模,弯曲模,拉深模,曲轴压力机传动系统1-电机2-皮带轮3、4-齿轮5-离合器6-连杆7-滑块,按机身结构分：开式压力机和闭式压力机,按连杆数目分：单点压力机、双点压力机和四点压力机,按滑块数目分：单动压力机、双动压力机和三动压力机,开式双点压力机,曲柄压力机的主要技术参数,(1)公称压力：压力机曲柄转到离下死点一定角度(称为公称压力角，此时滑块质心距滑块下死点的距离称为公称压力行程)时