冲压模具设计——第二章.ppt

简介 冲裁是最基本的冲压工序 本章是本课程的重点之一 在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上 介绍冲裁工艺计算 工艺方案制定 涉及冲裁变形过程分析 冲裁件质量及影响因素 间隙确定 刃口尺寸计算原则和方法 排样设计 冲裁力与压力中心计算等 第二章冲裁工艺及冲裁模具的设计 第一节冲裁过程分析 第二节冲裁件的质量分析 第三节冲裁间隙 第四节凸模与凹模工作部分尺寸的计算 第五节冲裁力 第六节冲裁工件的排样 本章内容 金属的应力 应变图1 实际应力曲线2 假象应力曲线 冲压变形理论基础 塑性 表示材料塑性变形能力 它是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力 一 塑性变形的基本概念 塑性指标 衡量金属塑性高低的参数 常用塑性指标为延伸率 和断面收缩率 变形 弹性变形 塑性变形 冲压变形理论基础 金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化 而且其内部的组织和性能也将发生变化 一般会产生加工硬化或应变刚现象 塑性变形对金属组织和性能的影响 金属的机械性能 随着变形程度的增加 强度和硬度逐渐增加 而塑性和韧性逐渐降低 晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性 由于变形不均 会在材料内部产生内应力 变形后作为残余应力保留在材料内部 冲压变形理论基础 3 金属塑性变形时的应力应变关系 塑性力学基础 续 弹性变形阶段 应力与应变之间的关系是线性的 可逆的 与加载历史无关 第一章冷冲压模具设计与制造基础 塑性变形阶段 应力与应变之间的关系则是非线性的 不可逆的 与加载历史有关 第三节冲压变形理论基础 1 硬化规律 四 金属塑性变形的一些基本规律 加工硬化 硬化曲线 A n 塑性降低 变形抗力提高 能提高变形均匀性 实际应力曲线或真实应力曲线 表示硬化规律 这种变化规律可近似用指数曲线表示 第三节冲压变形理论基础 3 体积不变条件 四 金属塑性变形的一些基本规律 续 金属材料在塑性变形时 体积变化很小 可以忽略不计 一般认为金属材料在塑性变形时体积不变 可证明满足 1 2 3 0 第三节冲压变形理论基础 4 最小阻力定律 四 金属塑性变形的一些基本规律 续 在塑性变形中 破坏了金属的整体平衡而强制金属流动 当金属质点有向几个方向移动的可能时 它向阻力最小的方向移动 在冲压加工中 板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展 这就是塑性变形中的最小阻力定律 弱区先变形 变形区为弱区 第三节冲压变形理论基础 1 冲压成形性能 五 冲压材料及其冲压成形性能 材料的冲压成形性能 材料的冲压性能好 成形极限高 成形质量好 便于冲压加工 冲压成形性能是一个综合性的概念 成形极限高 成形质量好 材料对各种冲压加工方法的适应能力 冲压加工的依据 第三节冲压变形理论基础 2 冲压成形性能的试验方法 五 冲压材料及其冲压成形性能 续 间接试验和直接试验 3 板料的机械性能与冲压成形性能的关系 板料的强度指标越高 产生相同变形量的力就越大 塑性指标越高 成形时所能承受的极限变形量就越大 刚度指标越高 成形时抵抗失稳起皱的能力就越大 不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同 冲裁模 冲裁 利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序 1 基本工序 落料和冲孔 包括切口 修边等2 范畴 包括板料加工中利用模具产生分离的一切工序 即板料分离工序的总称 3 落料 冲孔变形机理是一样的 但因所取不同 模具设计原则不一样 冲裁工序所使用的模具 它是冲裁过程必不可少的工艺装备 特点 凸 凹模刃口锋利 间隙小 分类 普通冲裁模 精密冲裁模 第一节冲裁过程分析 一 冲裁变形区力学分析 1 板料受力 冲裁时作用于板料上的力1 凸模2 板材3 凹模 四对力 Fp1 Fp2 模具对板的垂直作用力F1 F2 模具对板的侧压力 Fp1 Fp2 模具端面与板料间的摩擦力 F1 F2 模具侧壁与板料间的摩擦力一个力矩 由于凸 凹模间隙存在 产生弯矩 弯曲使变形不均匀 刃口处受力最大 2 变形区应力状态 无卸料板压紧板料时 1 径向应力 2 切向应力 3 轴向应力A 凸模下压引起轴向拉应力 3 弯曲与凸模侧压致径向压应力 1 切向为弯曲引起的压应力与侧压引起的拉应力的合成应力 2 B 模具下压与板弯曲引起三向压应力C 板料纤维方向 1 轴向 3 D 凹模挤压致 3 板弯曲致 1 2 E 轴向拉应力 3 合成应力 2 1 可能受拉 也可能受压 与间隙有关 间隙正常 刃口锋利情况下 冲裁变形过程按凸模行程可分为三个阶段 二 冲裁变形过程 1 弹性变形阶段变形区内部材料应力小于屈服应力 2 塑性变形阶段变形区内部材料应力状态满足塑性条件或屈服条件 3 断裂分离阶段变形区内部材料应力大于强度极限 裂纹首先产生在凹模刃口侧面的板料中 继而在凸模刃口侧面处产生 上 下裂纹扩展相遇而聚合 大致沿最大剪应变速度方向发展 材料分离 冲裁件质量 第二节冲裁件的质量分析 垂直 光洁 毛刺小 图纸规定的公差范围内 外形满足图纸要求 表面平直 即拱弯小 指断面质量 尺寸精度和形状误差 1 冲裁件断面组成与表面质量 断面的形成 组成与特征 圆角带 塌角 a 刃口压入时附近的材料产生弯曲和伸长变形 光亮带b 塑性剪切变形 表面光滑 断面质量最好的区域 决定孔或落料件的尺寸 断裂带c 裂纹形成及扩展形成的撕裂面 断面粗糙 有斜度 毛刺区d 由于间隙存在 裂纹产生不在刃尖 毛刺不可避免 此外 间隙不正常 刃口不锋利 还会加大毛刺 表面质量 垫圈的落料与冲孔a 落料b 冲孔 落料冲孔复合模1 下模板2 卸料螺钉3 导柱4 固定板5 橡胶6 导料销7 落料凹模8 推件块9 固定板10 导套11 垫板12 20 销钉13 上模板14 模柄15 打杆16 21 螺钉17 冲孔凸模18 凸凹模19 卸料板22 挡料销 冲裁区应力 变形和冲裁件正常的断面状况a 冲孔件b 落料件 毛刺 断裂带 光亮带 塌角 冲裁变形过程 2 冲裁件断面质量的影响因素 1 材料性能的影响 2 模具间隙的影响 间隙小 出现二次剪裂 产生第二光亮带 间隙大 出现二次拉裂 产生二个斜度 3 模具刃口状态的影响 当凸模刃口磨钝时 则会在落料件上端产生毛刺 当凹模刃口磨钝时 则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺 当凸 凹模刃口同时磨钝时 则冲裁件上 下端都会产生毛刺 a b d大 c小 3 冲裁件尺寸精度及其影响因素 冲裁件的尺寸精度 指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差 影响因素 该差值包括两方面的偏差 一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差 二是模具本身的制造偏差 1 冲模的制造精度 零件加工和装配 2 材料的性质 3 冲裁间隙 4 冲裁件的形状 5 模具结构 第三节冲裁间隙 一 间隙的重要性 冲裁间隙Z Z DA dT 指冲裁模中凹模刃口横向尺寸DA与凸模刃口横向尺寸dT的差值 亦称双面间隙 用Z表示 Z 2称为单面间隙 通常用c表示 c DA dT 2 1 间隙对冲裁件质量的影响 间隙的大小与分布的均匀性是影响冲裁件质量的主要因素 1 间隙对冲裁断面质量的影响 间隙小 材料弯曲与拉应力 裂纹较晚产生 光亮带 出现二次剪裂 产生第二光亮带 间隙大 材料弯曲与拉应力 裂纹较早产生 光亮带 塌角 剪裂带 间隙合适 上下裂纹与最大切应力方向一致 重合 断面平直 光洁 毛刺 断面质量较好 为合理冲裁间隙 2 间隙对尺寸精度的影响 间隙大 材料弯曲与拉应力 工件脱模后弹性恢复 孔尺寸 凸模尺寸 落料尺寸 凹模尺寸 间隙小 材料受凸凹模挤压力 脱模后弹性恢复 孔尺寸 凸模尺寸 落料尺寸 凹模尺寸 3 间隙对工件弯曲度的影响材料受弯矩作用 变形时产生弯曲 脱模后工件残留有一定的弯曲度 间隙大 冲压件曲率半径 工件弯曲严重 2 间隙对冲裁力的影响 间隙小 材料受拉应力 压应力 冲裁力 且产生裂纹后冲裁力不是急剧下降 间隙增大 冲裁力有一定程度的降低 但影响不是很大 间隙对卸料力 推件力的影响比较显著 随间隙增大 卸料力和推件力都将减小 间隙合适 上下裂纹与最大切应力方向一致 重合 产生裂纹后剪切力急剧下降 小间隙将使磨损增加 甚至使模具与材料之间产生粘结现象 并引起崩刃 凹模胀裂 小凸模折断 凸凹模相互啃刃等异常损坏 为了延长模具寿命 在保证冲裁件质量的前提下 1 采用适当或较大的间隙值 2 减缓间隙不均匀的影响 3 采用小间隙时必须提高模具硬度与光洁度 精度 4 改善润滑条件 减少磨损 3 间隙对模具寿命的影响 模具寿命分为刃磨寿命和模具总寿命 失效原因 磨损 变形 崩刃 折断和胀裂 二 冲裁模间隙值的确定 从使用角度 iii 对尺寸精度和断面垂直度要求高的工件 取较小合理间隙 iv 对尺寸精度和断面垂直度要求不高的工件 以降低冲裁力 提高模具寿命为主 取较大的合理间隙 从设计角度 i 考虑到生产过程中的磨损使间隙变大 在设计与制造新模具时应采用最小合理间隙Zminii 材料愈硬愈厚 所需合理间隙值愈大 确定原则 1 理论确定法 以保证变形时上下裂纹重合为基础 2 经验确定法 查表 2 确定方法 较小间隙值 高精度要求时较大间隙值 精度要求不高Z f t 或 非唯一性 不同的国家 不同的行业 根据各自工件设计精度要求和制造业的水平不同 有不同的经验表格与数据 间隙对剪切裂纹与断面质量的影响a 间隙过小b 间隙合理c 间隙过大 凸 凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况 第四节凸模和凹模工作部分尺寸的计算 1 冲裁件的断面都带有锥度 光亮带是测量和使用部位 落料件的光亮带处于大端尺寸 冲孔件的光亮带处于小端尺寸 且落料件的大端 光面 尺寸等于凹模尺寸 冲孔件的小端 光面 尺寸等于凸模尺寸 2 凸模轮廓越磨越小 凹模轮廓越磨越大 结果使间隙越用越大 一 凸 凹模刃口尺寸计算原则 生产实践发现的规律 1 先确定基准件落料 以凹模为基准 间隙取在凸模上 冲孔 以凸模为基准 间隙取在凹模上 2 考虑冲模的磨损规律设计落料模时 凹模刃口磨损 工件尺寸 凹模基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸 设计冲孔模时 凸模刃口磨损 工件孔尺寸 凸模基本尺寸则取接近或等于工件孔的最大极限尺寸 模具磨损预留量与工件制造精度有关 计算原则 3 冲裁 设计 间隙一般选用最小合理间隙值Zmin 4 选择模具刃口制造公差时 要考虑工件精度与模具精度的关系 即要保证工件的精度要求 又要保证有合理的间隙值 一般冲模精度较工件精度高2 3级 对未注工件公差尺寸 非圆形工件 零件按IT14级处理 冲模取IT11级圆形工件 零件按IT9 10级处理 冲模取IT6 7级 加工 测量方法 1 凹模 凸模分开加工 特点 二 凸 凹模刃口尺寸的计算方法 具有互换性 制造周期短 但合理间隙范围不易保证 需提高加工精度 增加制造难度 圆形 简单形状多用分开加工方法 合理间隙范围易保证 无互换性 制造周期长 复杂形状多用配合加工方法 配合件以合理间隙Zmin Zmax配作 2 凹模 凸模配合加工 特点 模具刃口计算 标注原则 1 凹模 凸模分开加工 分别计算凹 凸模刃口尺寸分别标注凹模 凸模刃口尺寸与制造公差 只标注模具基准件 工件外形 凹模 或工件孔 凸模 的刃口尺寸与制造公差 配合件以合理间隙Zmin Zmax配作 只标注基本尺寸 但特别注明 与 零件配作 配制 2 凹模 凸模配合加工 1 按凸模与凹模图样分别加工法 1 落料 工件尺寸 D 2 冲孔 工件尺寸 d 3 多孔凹模 孔心距 工件尺寸 L 0 0 L 为了保证可能的初始间隙不超过Zmax 即 凸 凹模的制造公差 可按IT6 IT7级来选取 也可查表选取 但需校核 或取 Zmin Zmax 为模具设计总使用寿命期内的磨损量 0 5 1 制造公差选取必须满足以下条件 IT10 大批量 1IT11 13 中等批量 0 75IT14 小批量 0 5 精度越高 模具容易磨损 批量越大 要求的磨损次数多 故 取磨损量越大 1 根据磨损后轮廓变化情况 正确判断出模具刃口尺寸类型 磨损后变大 变小还是不变 A 磨损后尺寸增大 B 磨损后减小 C 尺寸不变 2 根据尺寸类型 采用不同计算公式计算基准件的各尺寸 尺寸A 采用分开加工时的落料凹模尺寸计算公式 尺寸B 采用分开加工时的冲孔凸模尺寸计算公式 尺寸C 采用分开加工时的孔心距尺寸计算公式 2 凸模与凹模配作法 3 刃口制造偏差可按工件相应部位公差的1 4选取 对于刃口尺寸磨损后无变化的制造偏差值可取工件相应部位公差值的1 8作为对称偏差值 冠以 对冲孔 以凸模为基准 凸模各尺寸为A类 dp d pd dmax 工件 B类 dp d pd dmin 工件 C类 Lp L 凹模以凸模为基准按Zmin Zmax配制 对落料 以凹模为基准 凹模各尺寸A类 Dd D dD Dmax 工件 B类 Dd D dD Dmin 工件 C类 Ld L 凸模以凹模为基准按Zmin Zmax配制 0 0 0 0 例1冲制图示零件 材料为Q235钢 料厚t 0 5mm 计算冲裁凸 凹模刃口尺寸及公差 分别加工 三 实例 解 由图可知 该零件属于无特殊要求的一般冲孔 落料 外形 和18 0 09由冲孔同时获得 查表 t 材料 Z 得 由落料获得 则 p26 由公差表查得 为IT12级 取x 0 75 设凸 凹模分别按IT6和IT7级加工制造 分开加工 则冲孔 校核 0 02 0 008 0 012 0 07 0 03 0 04 满足间隙公差条件 为IT14级 取x 0 5 孔距尺寸 18 0 125 2 0 09 18 0 023 mm 所以 冲孔时的凸 凹模刃口尺寸为 L 校核 0 041 0 016 0 0250 07 0 03 0 04 不满足条件 因此 只有缩小制造公差 提高制造精度 才能保证间隙在合理范围内 0 4 0 02 0 008mm 0 6 0 02 0 012mm 落料 可取 凹模刃口 再校核 0 02 0 008 0 0120 07 0 03 0 04 满足条件 所以 落料时的凸 凹模刃口尺寸为 如图所示的落料件 其中 例2 d 22 0 14 板料厚度t 1mm 材料为10号钢 试计算冲裁件的凸模 凹模刃口尺寸及制造公差 由表查得 解 该冲裁件属落料件 选凹模为设计基准件 只需要计算落料凹模刃口尺寸及制造公差 凸模刃口尺寸由凹模实际尺寸按间隙要求配作 落料凹模的基本尺寸计算如下 第一类尺寸 磨损后增大的尺寸 由公差表查得 尺寸 选x 0 5 尺寸 选x 1 其余尺寸均选x 0 75 第三类尺寸 磨损后基本不变的尺寸 第二类尺寸 磨损后减小的尺寸 落料凸模的基本尺寸与凹模相同 分别是79 79mm 39 75mm 34 75mm 22 07mm 14 94mm 不必标注公差 但要在技术条件中注明 凸模以0 10 0 14mm间隙与落料凹模配制 落料凹模 凸模的尺寸如图 落料凸 凹模尺寸a 落料凹模尺寸b 落料凸模尺寸 复习 1 凸 凹模刃口尺寸计算原则 2 凸 凹模刃口尺寸的计算方法 3 凸 凹模分别加工时 其刃口尺寸计算应注意什么 4 凸 凹模配合加工时 其刃口尺寸计算应注意什么 第五节冲裁工件的排样 排样 合理排样 冲裁件在条料 带料或板料上的布置方法 排样方案是模具结构设计的依据之一 提高材料利用率 降低成本 保证冲件质量及模具寿命的有效措施 一 冲裁排样原则 1 提高材料利用率 2 使操作方便 安全 3 使模具结构简单 模具寿命高 4 保证冲裁件的质量 弯曲与纤维方向 一个步距内的材料利用率 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 它是衡量合理利用材料的经济性指标 一张板料 或带料 条料 上总的材料利用率 板料的裁剪方法 冲裁所产生的废料 结构废料 工艺废料 2 提高材料利用率的方法 减少工艺废料的有力措施是 设计合理的排样方案 选择合适的板料规格和合理的裁板法 减少料头 料尾和边余料 利用废料作小零件 如表中的混合排样 等 利用结构废料的措施有 当材料和厚度相同时 在尺寸允许的情况下 较小尺寸的冲件可在较大尺寸冲件的废料中冲制出来 在使用条件许可下 也可以改变零件的结构形状 提高材料利用率 如图所示 根据材料的合理利用情况 条料排样方法可分为三种 二 排样方法 1 有废料排样 a 2 少废料排样 b 3 无废料排样 c d 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 搭边的作用 一是补偿定位误差和剪板误差 确保冲出合格零件 二是增加条料刚度 方便条料送进 提高劳动生产率 三是使模具刃口双边受力 保持力的平衡 维持合理间隙不受破坏 四是搭边还可以避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉入模具间隙 从而提高模具寿命 三 搭边 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 经验法 表2 3 p33为低碳钢板冲裁时最小搭边值的经验数表之一 供设计时参考 搭边过小 起不到搭边的作用 搭边过大 浪费材料 降低材料利用率 1 送料步距 步距或进距 四 条料宽度与导料板间距离的计算 2 有侧压装置时条料的宽度与导料板间距离 条料宽度 导料板间距离 剪板下偏差 表3 110 5 2 0mm 最宽条料与导料板单面间隙b0 表3 125 8mm 3 无侧压装置时条料的宽度与导料板间距离 条料宽度 导料板间距离 4 用侧刃定距时条料的宽度与导料板间距离 条料宽度 导料板间距离 侧刃余料 金属1 2 5mm 非金属1 5 4mm 侧刃冲切后条料与导料板的间隙 0 1 0 2mm 侧刃定距时的b1 y值 mm 一张完整的排样图应标注条料宽度尺寸 五 排样图 条料长度L 板料厚度t 端距l 步距s 工件间搭边a和侧搭边a1 并习惯以剖面线表示冲压位置 第五节冲压力 冲裁力 冲裁过程中凸模对板料施加的压力 一 冲裁力的计算 用普通平刃口模具冲裁时 冲裁力F一般按下式计算 注 F 冲裁力 L 冲裁周边长度 t 材料厚度 材料抗剪强度 K 系数 一般取K 1 3 卸料力 二 卸料力 推件力及顶件力 推件力 顶件力 从凸模上卸下箍着的料所需要的力 将梗塞在凹模内的料顺冲裁方向推出所需要的力 逆冲裁方向将料从凹模内顶出所需要的力 卸料力 推件力 顶件力 卸料力 推件力 顶