钣金设计 生产问题.doc

剪切制程在板金产品加工方,剪床的作用越来越少,CNC冲床切割加工和分离技术的广泛应用,剪床主要是用于粗略的为NC 数控冲床准备料片或者料带。在成品尺寸是被剪切出来的场合,材料的厚度和平面尺寸,决定了其经济精度,厚一点和大一点平面尺寸的材料需要更大的公差。在众多的板金产品中,材料的厚度从0.13mm6.35mm变化,其中有铁的和非铁的。剪床设备也各种各样的,从6.003500剪床到0. 8300的小型剪刀。当然厚度比较厚的材料的公差在1.52mm是正常的,而较薄的材料在较小的平面尺寸范内公差可以控制在0.13mm内,建议你寻问你的材料供货商,其材料应使用何规格之设备。对于板金的切割,多种操作可以实现,主要取决于目的或切割的形状,这章的中心是剪切制程。切边特性无论什么时候金属切割,不管是剪、冲、压等,切边的特性都是相似的,切割有三个阶段,当切边的时候:初始的塑性变形,刺破,撕裂;在初始的塑性变形过程中, “变形半径”或“光滑区”形成,在刺破过程中, “切边”或“磨光”区形成,在撕裂过程中,断层和毛边产生。剪床和其它的金属切割设备常常维护调整,以提供合格的切削质量,产生极小的毛边和减少刀具和工具的磨损,这样,刺破产生在将近1/3的料厚的地方,撕裂发生在残余材料上,适当的调整后,毛边很少超过10%的料厚。设备的性能各种各样的剪床设备在使用,主要的部件包括框架,床身,工作台,上梁滑块,压脚,定量规,动力机构和剪刀,压脚。沿着床身安置靠近刀口位置,它使料件紧紧地固定在剪切位置上。后定规通过预先决定好的尺寸在折刀下定位料件,它们可以简单复杂,机械止位或者是一系列探测器,当超过一个探测器有感应时机器就会运转。依赖于类型和复杂程度,后定规可以是手动的,也可是编程的。前定规经常用于定位料件,特别是当加工大工件时。他们可能是机械似的或可编程的,边定规,也定规,也被称为“Squaring arms”垂直安装在刀口下面,在床身的左边或右边,辅助将料件定位在刀口下面。操作不考虑结构,尺寸或者束度,所有的剪切设备的操作都是相似的。薄板料件提前放在工作台上直到接触后定规。切割线在刀口下面。当机器开动, 压脚夹住料件,刀口和料件成一定角度逐步切断料件,就像断头台的铡刀一样。取决于适用,剪床可能是从前面进料或后面进料,后面进料可以减少对料件后续切削的处理,但需要增加一个操作人员。质量维持主要的质量检测是在剪切操作过程就进行的,质量控制因素包括原始平板料件的平面度,通常的表面和边的状况。表面缺陷和滑轮摩擦的痕迹,扳状通常在筒状,扳状材料上,通常这些缺陷是可以被制造商接受的,除非这些印迹会影响产品的最终外观,材料表面分层,表面会有其它物质或其它严重缺陷,也可能被标识和拒绝。表面包括历层和其它一些缺陷,在材料中也可能被标识和造成拒绝。设计考虑的事项为了获得经济的产品,经验丰富的设计者要考虑在剪切和后续的操作中与成本和质量有关几个事项,下面是几个产品设计考虑的事项。材料的使用。材料供货商通常把薄材托材做成标准尺寸,宽度一般为30,36,48和60 chs,有效地选用标准材料,可以节省很多,因为它可以避免下料、碾磨等额外准备工作的费用。早期的金属模型可能许可修改未见凸轮的尺1,在产品上获得 个部件的设计,这样比标准的尺寸要小,这可以避免额外成本和减少浪费。晶粒的方向,被碾层的平板材料晶粒方向不总是一个重要的考虑因素,然而,在某些操作上,例如成型和折弯,晶粒的方向是非常重要的。在非常大的部件上,形成凸缘或零件,设计者应该优质考虑合格的供货商,其次是晶粒方向和折弯半径来决定材料的尺寸是否允许在符合晶料方向情况下成形,本课题在折弯成型和冲压成型章节有更为详细的展开. 。制程特征毛边,压脚印迹和扭曲都是剪切制程的特征。毛边是在剪切后出现的,一般可以通过剪切经验将其控制在可接受的范围内,压脚印迹是沿着工件剪切边的轻印凹痕,有时由于压制头的夹挤产生,这些印迹通常不成问题。它们经常因是在最终产品上看不见的一部分而被容纳.或者可能完全被在后来的修饰过程中除去。在严格要求中,在压上放上覆盖物来保护料件,带有保护层的材料常常可以减少在剪切制程过程中固有的压脚印变和刮伤,这些选择增加了额外的成本。扭曲当剪切狭窄的条状材料的时候,材料螺旋式的扭曲就会发生,它是由于剪床的剪切动作造成的,同时也受到被剪切的宽度与厚度,材料的韧度影响。除非剪切狭窄的料带,扭曲变形很少特别考虑,当工件需要非常狭窄的料带时常用卷筒或者条状材料替代。拉伸产品设计指导:下面的建议适合拉伸零件的设计: 由于多样拉伸的能力,拉伸产品的形状实际不受太大的限制,圆形是最容易拉伸的,接着是有足够圆角半径的方形,不规则的形状和那些由两个基本形状复合而成的形状就困难很多,同时加工也更昂贵。 为使拉伸容易,园角半径应尽可能的大,通常冲头半径和冲模半径最小是材料厚度的4倍。 对于拉伸性能好的材料,零件圆角半径最小是材料厚度6倍, ,小零件则需要更大的半径。通常圆角半径越大,拉伸就越容易,费用也越低。可以通过多次拉伸的方法将圆角设计地更加尖锐。设计冲压产品毛边方向在绘图时应注明,否则,对于平板零件,毛边被认为在图的“上边”,对成形零件,毛边方向被认为在成形部分的里面,一些滑动成形的允许毛边在成形部分的任何一侧。方形(有角),通常为90的折弯时有1的误差。 当孔或狭缝太接近边缘,成形部分或它们相互靠得太近时扭曲是常常发生的。 冲压印迹经常出现于拉伸零件,同样如果需要压住零件,可能会在零件表面产生压痕。其它类似的情况也可能引起产生印迹。平面度一般不要要求太高,当需要平面厚为0.031mm./cm时可能需要再加工,从而增加费用。下料设计指导方针考虑下料时,特别注意其经济性和功能性设计,拐角可以被设计得尖(半径小于0.4mm),但是这经常需要额外的花费来提高冲子的强度和全边处理,通常,拐角半径应该是材料厚度的1/2或更大,半径参考值最小是0.4mm。凹槽和小凸通常不应小于材料厚度的1.5倍,如一个1.5mm厚的材料凹槽或小凸宽度应是2.3mm。通常,凹曹和小凸的长度可以达到宽度的5倍.临界状态下,金属成型机可以用较重的模具冲子,或冲孔模板,只需增加一点点费用,交替地,凹曹和小凸能够延长和变狭在他们被抽凸时,也就是说,如果是伸长0.1mm或更长,在尾端。取决于材料的硬度和剪切特性,凹槽和小凸可以设计成宽度,只有一个料厚,长度达到6-7倍的宽度, 通常需增加额外的加工费用。凹槽和小凸不应太接近其它特征单元或太长和太狭窄,因为冲子强度会减弱,如果接近凹槽是需要的,第二操作将是需要的。压力折弯成型设计 这部分内容的中心在成型,物别是折弯这种最常见的成型类型,还有被广泛认同的折弯流程.图1,是一种典型的CNC(计算器数控)液力折床的构成.设备特点:虽然在应用折床的吨位和床身有大有小,但常用的折庆一般吨位在20-200吨,床长在414英尺(1.2M4.3M)之间,它们的动力可以是机械的,液压的,或机械液压的,它可以往下压折,也可以往上压折,取决于活塞动力行程的方向,图1所示为下行式CNC液力折床. 折床可以装配几种后定规中的一种,还可以装配包括可手动设置调整的定规和销的深度止付;定规和销用来接合料片上的孔,计算器数控可程序化装置用来调整每次冲折之后的参数设置.操作:大多数折床都是手工进料;操作者拿着料片顶在位置适当的后定规上,使料片位于冲头和模具之间,后定规的位置为折弯提供了预设尺寸.（图2）图2,在这个压折的局部视图中,工件就位给出了后定规,动力油缸,床身和冲床的关系.图3为气动折弯,冲子把料片压到模腔,料版仅接角到了上模的下端和下模的二边.图4在“精压”或“bottoming”中,冲子或模具的构造满足了最终折弯角的要求，料片完全在模具里面成型了.图5.为折床成型当坯料完全到位,机器就被激发,使动力活塞向模床位置移动,料片在冲头和模具之间成形了,然后动力活塞复位,使得料片可以拿走.有一种折弯操作是把材料折弯成直角,如图3所示,冲头把料片压入模腔,整个过程中,料片只接触到冲头的头部和下模的两边;当上模压力释放时,料片回弹形成了最终角度,回弹的量与材料的类型、厚度、绗维方向,温度有直接的关系.图6：既然在折床上，每一次折弯都需分别定位,那每一次折弯操作都会带来附加的尺寸的误差公差表注解操作顺序A.+机器公差形位公差来自于:剪切大型尺寸B.成形公差1.材料厚度n.c 穿孔.打凹.反回C.+机器差&+成型公差2.角度变化后定规3D.+成型公差前定规 1E.+机器公差&+成型公差F+机器公差&+2(成型公差)G.+机器公差&+2(成型公差)1.依据后定规成形BH+机器公差2.依据后定规成形DJ.机器公差3.依据前定规成形KK.+机器公差&+3(成型公差)4.依据后定规成形NL.+机器公差&+3(成型公差)M. +机器公差&+3(成型公差)N. +成型公差O.+机器公差&+4(成型公差)P. +2(成型公差)Q. +机器公差&+4(成型公差) +2(角状变化)R. +机器公差&+4(成型公差)& +2(角状变化)为了减小装配时间,许多气压折弯工具在冲头和模具里都形成了相同的角度,考虑到充分的回弹而最终形成90角,通常模具角度都作成80或85. 在有尺寸精确性和角度精确性的情况下,需要另一种成型方法(图4),这个成型方法叫作“精压”或“Bottoming”,精压需要有按要求制造的冲子和模具,以保证最终折弯角并使料片完全进入模内, 精压减少了回弹,但这种方法受限于折床的吨位大小.优势和局限性这种折床作为一个成型工具来说,它的基本优势在于它的适应性,这种标准v字型模具的应用使得小批量生产和生产样品时能带来装配的经济性和运行次数,用这些标准的模具组,向乎可以生产出任一零件尺寸及成型型状,减少了成本,交货期与压力成型加工之间的必然关系,图5所示,为在折床上可制造出的复杂零件.用多样化的模具组装配的,具有可程序后定规的现代折床,使得这种成型方法在长时间运行上更有竞争力在有些时候,产品设计需要特殊的成形加工,折床模具的费用和支费时间就相应地不具势了,这种折床可以容纳料片外形尺寸在大范围内变动也是其重大优势和进步.零件可以和动力油缸一样的长(受吨位限制),而且零件宽只受成形后料片从机床上移走的能力的限制.商业质量的薄钢片,钢带,钢板的最小折弯半径：最小折弯半径用mm表示材料平行于碾轧方向折弯垂直于碾轧方向折弯冷轧RB60,商品质量0.010(0.25)0.010(0.25)冷轧RB85,全硬不推荐不推荐热轧2.3mm(.09)商品质量3/4个料厚1/2个料厚热轧2.3mm(.09)商品质量1-1/2个料厚1个料厚热轧2.3mm(.09)drawing quality1/2料厚1/4料厚热轧2.3mm(.09) drawing quality3/4料厚1/2料厚表1推荐的为最小内径 图7,最小边缘宽度至少要四倍的料厚加上折弯半径.既然模具更换可快速完成,那就可以用较少的费用创造出多样化的标准外形,从而为最终产品的配置提供相当大的弹性,每一次折弯都要单独定位,每一次折弯或操作都有可能会引入尺寸上的变动.设计应考虑的事项:折弯内径:在v字形模成形中,一个零件的所有折弯处应尽可能地使用常用折弯半径,以降低成本,提升质量,内径的要求值若小于表1中推荐的最小值,会导致软料的流动和硬料破裂,若要对折弯半径作进一步了解,请看“材料选择章节”.图8.尺寸误差的累积涉及到“层垒”和特征单元吸收被称为“溢出”边缘的变化.边缘尽寸:最小边缘尺寸应该至少是4个料厚加折弯半径(图7).对边缘要求过窄会使设备过载,扭曲零部件,毁坏工具.边缘间距:折弯处之间的可靠最小间距要求与工具相适应,折弯处之间的间距,以“V”形外形轮廓为例,在设计完成之前,应考虑供货商,因为在没有专用工具的情况下，尺寸的稳定性难于保证.“溢出”边缘:通过累加中间尺寸来达到总体尺寸的方法是不切合实际的但实际中,对于每个轴最小临界特征单元和折弯处尺寸误差的累积,都能满足使用要求和经济性要求(这些累积涉及到“层垒”和特征单元吸收被称为“溢出”边缘的变化)(图8),注意用“obround”孔来调节累积误差.图9:在折弯操作中,折弯线旁边的小孔被扭歪了.图10:槽口扭歪了折弯处或折变旁的特征单元特征单元诸如孔,槽,凹口,与折弯处的距离不应少于3个料厚加一个折弯半径.折弯时扭曲这些特征单元会带来许多问题,诸如:特征单元扭曲,并且使其它硬件不能装入,(图9,10,11)如果一个特征单元必须在推荐距离以内,应考虑把开口穿过折弯线(图12,13)如果槽的尺寸在功能上很重要,应如图12所示处理. 棱角:用单一v字型模具来折弯折弯小于90角时, 确信它的再利用率;因为它通常必须使用特殊的加工和处理方法-这会增加成本.尽可能地使用90标准折弯.结合角受材料和压力变化的影响. 模具印痕:料片外表面上的轻微印痕来源于在成形工件中料片与模具的上部边缘之间的接触,这些是过程中固有的. 图11:硬件接口太靠近边缘导至局部因压力而弯曲. 图13所示为,攻牙孔放置地离折弯处太近.在折弯在线的调节曹使螺钉插入之后不会变形. 图12,为了减少尺寸误差及形状变形正在实践一种选择性设计方法,例如联合例b和例c或例a和例c,可以很容易就实现.尺寸标准方式:实践经验表明尺寸标注和测量方式必须被人理解和认同以达成可用的共同的标准.成形金属薄片时,会带来一个独特的问题,即由于金属的回弹,平面与平面之间所夹的角就会有误差,材料越薄越明显,在测量成形部分时,为了得到一个一致的结果,应制定一个标准,规定在哪里和怎样来标注尺寸.图14,料片外表面上轻微的印痕通常是来源于成形工件中料片与模具上部边缘的接触.注意在照片上特征单元上的变形过于靠近折弯线.外形尺寸应该能被立即测量到.为了使其不包含任何棱角和平面的差异,标注应邻近折弯半径那一边.如图15.在柔韧部件上,任意长度的已成形边上的特征单元到特征单元的尺寸应该在把部件夹持在有棱角的芯型座上的情况下浸径行测量.如图16.此标准对于大多数薄材和功能产品来说都是适当的.当装配部件被设计在受约束状态时,此标准也适用.图15:成形尺寸的正确测量方法部件与部件之间受约束的不同,是由于形状和材质的不同.对于大批量生产,考虑到速度和可重复性,实际中常用到测量夹具,相应支付的高费用可以在高成品率和稳定的盈利中得到回报. 最简单的约束装置是固定压块.在应用场合,测量过程中, 压块的使用和形状应该详细说明, 压块经常可以消除材料溢出平面的情况,有时也与角度量规一起使用.图16为从约束位置测量的例子.如图16所示,在特殊应用场合,常用平行块或夹紧装置来定位,此时折弯角应为90,折边应平行;有时约束尺寸不当,图面应反应出此要求,这类情况一般是由于特别的测量步骤,比如在折弯处刻槽时更精确,还有用特殊的展平操作等,这些一定程度上会增加成本.图17为折弯成形中部件的正确标注方法.一个单一的数据被置放在部件的末端.相同的数据应记录在所有相关图在上,除此以外,用以下指导方针可以增加折弯成形设计的投产能力.选择靠近部件末端的一组数据,并在所有相关像素中维持这一数据,这组数据,应该是部件主平面上的孔,依据折弯次序来选择,及早与供货商讨论,对于选择数据和标注方式都很有帮助.对大多数经济性的生产,应尽可能地在同一方向标注尺寸;由于成形过程的连续性,而且每次折弯都会带来尺寸上的变化,在单一方向上标注尺寸.并且有助于控制误差的累积.从特征单元到边缘的标注方式受到了普遍的欢迎,从特征单元到折弯线的标注方式需有特殊的夹具或仪器.这也意味着,在图纸中title块中的公并,对于某些的尺寸和角度不必受到限制,如果不考虑成本的话,几乎可以达到任何精度,对于经济生产,采用惯用的标注方式非常必要,因为它虑到了流程中的特性和约束,且标明了真实的临界空间关系.冲孔设计指导: 为了兼顾经济性和产品性能,冲孔应尊循如下概括性的建议. 孔:最小孔的直径应该等于或大于1.2倍的料厚,对于不锈钢和其它易拉长合金1,建议最小孔直径为2倍料厚.(因为参考设计加工章节可知,孔的大小居先于攻丝) 如果孔的大小小于推荐尺寸,那就要用特制冲子,这会增加初始成本和昂贵的维修费用,或者采用钻孔(一种更昂贵的加工方法). 冲好的特征单元的测量应在材料的冲裁面,因为在毛边面测量的尺寸较大且不易控制.如果必需是直孔,还得较加工和修边,这会使成本增加.(如图15) 图15,在必需加工成直孔的地方,要多加工和修边,增加了成本. Awb:孔和边界之间的尺寸最小应为2倍料厚.(如图16)对于长槽面言,应该是3倍或4倍于料厚(如图17),由于有孔,webs等于一个料厚会产生轻微凸出变形,这会增加web的减少量. 图16,除硬料外惯穿孔最小趱戏应为1.2倍料厚.建议孔之间距离(边到边)最小应为2倍料厚. 如果webs没有2倍料厚,会出现变形,对于硬料,可能会破裂,不过,也可采用以下方法来解决,把孔周围做成耳状或开个槽,前者增加了丕料的尺寸和成本,后者则不会. 图17, 槽边缘到孔状特征单元的最小距离应为2倍料厚. 边到孔的距离应保证不少于倍料厚(如图17) 孔到外形的间距通常为2.5倍料厚加折弯内径.否则,孔会变形,如果孔要攻丝,间距应稍小一些,但应该在成形这后才给孔攻芽以避免螺纹变形. 图18,为避免变形和长凸,webs应不少于2倍料厚,补充设计应包括槽,带耻的惯穿孔. 图19,为避免变形,孔到边界的最小间距D=2.5T+R,T为料厚,R为折弯半径 图20,细长槽与边界间距不少于D=4T+R 槽到边界间距(图20)不少于4倍料厚加折弯半径.如果槽仅是部件上的一个开口1,附加成本就很少,如果有一些其它的孔,就要先冲这些孔,再成形部件,再冲槽,这种方法需要一些附加操作,另一方法是冲空整个区域(图21) 图21:如下推荐的槽到边界的间距的设计解决方法是冲空整个区域.金属冲压生产过程中的焊接同步 与冲压有关的焊接仅由那些具有丰富的焊接专业技术并敢于将其技术用于冲压生产的人来进行尝试,是一种非常昂贵的行为,这是一个荒诞的设想,但它已经存在。 焊接设备能以较低的价格从市场上得到,并策划用于冲压制程中的生产与装配领域。 适于金属冲压产品的焊接与技术基本上有两种,也许还有更多,但我的专业领域并不在焊接,我正在叙述的是我在提供金属冲压产品的制程方面有一定的经验并取得了成功。 一种技术是电阻焊接,也就是众所周知的点焊.购买一整套该系统大约需要2000美元,焊接硬件供货商正在尝试不向用户提供把上述系统装入用户模具的服务,然而,这只能是一种单方面的设想。 电阻焊接的基本原理如图1和图2所示。 理想之焊接应事先在任一个或两个待焊工件上准备一个焊接用凸点,该凸点之直径和高度与待焊工件之尺寸及所需压力有关,材质通常也能决定凸点之大小.打凸点的基本目的是局部化从一个电极流程往另一个电极之电流并使其路径最直(即最短) 。 多多少少的与冲裁余量有关的预冲凸点,由于电流局部化,它会很快发热并熔化,从而提供一个良好之焊点,如果仅仅只想把两工件焊接起来,而没有预打凸点,那么从电极流出的电能就会沿着最小电阻路径流动,这种情况下所产生的焊点质量就会与理想之质量有较大的差距。 焊接制程刚开始时,上,下电极施压于被焊之工件上,热能注入两电极,而且在金属成份融化并混合在一起的时候,一个“溶着径”就形成了。该“溶着径”是两工件间的固体粘结剂.焊接完整性测试是一种分离两工件的破坏性测试,部分“溶着径”应该从焊接成份中分离出来,工件与工件之间不应很洁净地的分离,否则,焊点就不足且不充分。 污染会影响焊接质量,导致不充分之焊点,焊接越精致,对污染的灵敏度就越高.在焊接区表面上的油污将会防碍良好焊点的形成.点焊有两种监控方法,一种方法是如前所述的破坏性测试,另一种是监控每个焊接周期内通过电极的电流量,一旦一个决定充分电流流动的制程确认得到确认,每次焊接的电流流动的监控将会通过非破坏的形式来判定焊点的好或坏。 压焊的相对较快与低的实时焊接电流流动的测量是不切实际的,为了辅助监控设备,应使用“转换寄存器。 在冲压行程数选定后, “转换寄存器”接收不良焊接的信号并激活一个特征单元。该单元能移走坏的焊接件并能防止将坏工件归入质量合格工件的范畴。它也许是一个在打开时可拒收质量不合格工件的工件出口斜道上的由线圈驱动的活门,也许是一个系统,该系统送进冲裁冲子以使质量不合格的工件在从料带上分离并堆放到合格产品的箱子之前将其移走。 我曾经看过每分接超过400多次的焊接,部分人士向我解释因为有从市场上可购买的每分锺内的电子时锺数, 故此理论上焊接的最大速度为每分锺600多次.我听不懂他正在说什么,但不管怎样,我已转达了他的观点,我承认我对所有电子学的忽视,但那并不意味着我不能把它作为我的优点。 快速焊接意味着发热累积,而热量必须从电极上散发,以确保连续性与制程质量,这就意味着需要一个2500美元的经过焊接头的冷却液致冷系统,焊枪头部的冷却液流通路线的设计并不困难。位于冷却器内的循环泵,将提供全部所需的冷却液流动。 激光焊接也被用于金属冲压产品的制造与装配,一台低能量(但能量足够)气体冷却系统价值约40,000美元。电阻焊接产品与激光焊接产品之间的区别是激光焊能把两个工件焊在一起的唯一要求,是在要求焊接的区域必须接触(或非常靠近).激光焊接不需要凸点,两工件熔接成一体,胜过形成一块溶着径.激光焊接属于纯熔合,它仅仅是将两块工件熔合在一起,快速、可靠而且几乎不象电阻焊接那样易受不协调性的攻击(持各参数之间错综复杂的关系).与焊接系统供货商的联系将会使客户获得自己需求的信息,如果系统价格超过了我的建议值,请换一个供货商。CNC数控冲床与激光机制造之设计转塔式冲床,也就是人们所熟知的CNC冲床,特别适于低于中等批量的生产.CNC冲床是“软模”制造的工作机床,并被广泛应用于PMA公司会员之金属制造部.由于其多功能性和速度均在不断提升,因此与其它的冲压加工及制程相比,它是提高产量最经济的选择.设备特征:本设备被设计成“C”型或桥型.如图1.CNC冲床在尺寸和速度上变化相当大.尺寸最小,因此功能也最少的是那些转塔中只有20把刀或更少的刀具的机型,压力大约为20吨或更小,工作台尺寸约为40平方英寸(1 m2)中等尺寸的机床能装载到60把刀,最大冲压力可达30吨,经常使用1.3 m2的工作台.大型机床能装载多达72把刀,提供50吨的最大冲压力,其工作台的尺寸高达1.5m1.8m.运行速度的范围是每分锺冲80次至300次(hpm),其具体种级别取决于工件材料在每次撞击或每次打击时的级进运动距离(pitch).实际上,最高运行速常常与中等尺寸的机床有关系. 当必须适应相对较大和较重的刀具及工件的惯性时,尺寸较大的机器常常以低于最高速的速度运行,以保证精度. 操作:不管结构操作尺寸或速度有多大差异,所有数控冲床的操作均类似.如图2,一块料片,由抓料器抓住其边,在两个精密导向丝杠(一个在X轴,另一个在Y轴)的转动下穿过工作台进入转塔的上、下部分之间.同时,转塔旋转直到合适的冲子与夹具到位时停止.随着转塔被死锁以确保精确对齐,程序激活动力油缸推动冲头穿过工件.冲子退回后,机器已为下一次冲压做好了准备.有些数控冲床被制造成其机轴既可压下刀具,也可缩回刀具.在这种情况下, 在上模周围的优利伽胶(urethane)脱料板可以在刀具移动过程中夹持工件.其它机器设计用弹簧运动退回刀具而不使用油压(ram)使其退回.这需要一个独立的上夹板并允许用金属脱料板而不用优利胶脱料板.金属脱料板能更安全地夹持工件,尤其是在成形操作过程中.CNC冲床优点和局限性:CNC冲床综合了样品生产的高度弹性与相对廉价性这两个独特的优点,这是由于可标准冲头的变化性极大,使得成本及前置时间不须考虑特殊的冲子.因为制程的特性,所以快速改变零件的结构及在把结构提交给加工部门之前先使它们”反映到纸上”是可能的.实际上,在产品的初始阶段,设计者拥有独一无二的权力来做设计发展.使用CNC冲床技术能大大缩短从设计完成到零件生产之间的时间,该因素相对而言也是一个优点.在许多情况下,当批量较大时使用CNC冲床也很经济.采用了自动装卸设备后,虽然有可能实现长期经济的无人看护操作,但是关于看管时间长短的彻底普遍化却令人迷惑。随着数量的不断增长,在方案设计初期,许多知识渊溥的设计者们往往利用CNC冲床固有的高速、低成本与柔性设计特性,然后发展为更加经久耐用的和成本更低的工具.虽然特殊刀具变得更经济性的确切数量级取决于多种变化因素,但大多数情况下都涉及到几千个零件.总而言之,外形轮廓高度不规则的或有大冲孔的零件对数控冲床而言需要长的加工时间-在相对较小批量时就应该考虑是否值得购买专用刀具或硬模.某些设计特征使得CNC冲床成为较大批量生产的选择.例如:常常被用于通风之用的紧固隔开孔和百叶窗,可能要求在一套硬模上使用两个甚至三个连续工作站来隔开通路-从附加成本考虑.在本例中这种附加刀具成本赋予CNC冲床以经济性数量的优点。CNC冲床的另一个优点是零件上特征单元的结构与尺寸的非凡设计柔性.请看图3的样品零件。较新的机器,特别是具有刀具索引, 食功能使得很大和很复杂的特征单元已实行.与具有单一冲子或特殊刀具的制程相比,蚕食制程在精度上受到一定限制,这一点设计者应该注意.由于蚕食加工所得到特征单元的尺寸受到冲子2倍的影响,图4展示了在高放大倍率下的蚕食标记.所有零件尺寸的极端弹性是CNC冲压生产的另一优点.在实际条件下, 虽然可在能产生较大长度的制程中沿着X轴重新定位工件,但是机器的开口深度却限制了所有零件沿着机器Y轴方向上的尺寸 (由于每一次重新定位均需要附加公差,因此一个零件一般只推荐一次重新定位.)。标准刀具与特殊刀具:在CNC冲床上使用廉价且特殊的刀具以提高零件的外观与精度的时机曾一度被人们忽视.特别是在那些与加工有关的非标准的形状与特征单元可能会推荐特殊形状的刀具的选择用法.适当地设计与使用特殊刀具,能在减少毛边并提高特征单元外观的同时显著提高尺寸控制,.请看图5中所示特殊刀具的例子.成形操作:除了可选性的穿孔与百叶窗外，CNC冲床在能落料时成形各种特征单元。电路卡槽模卡槽和和凹槽，凸点,挤压成形的浮雕，沉头孔，冲切成形凸起和小的特征单元，蚕食成形加强肋和冲孔成形及翻边线缆路径开口都是使用CNC冲床技术进行经济生产的方法在确定特征单元时，必须遵循一定的方针:高度：特片单元的高度不允许超过上下转塔之间的间距-一般为9mm,次序：成形特征单元一般必须最后完成,这样在成形特征单元之内或紧靠特征单元的冲孔区域就会在成形操作中由于金属拉伸而变形.平面度：大的成形区域和蚕食成形加强筋会引起平面度问题,因为与专用刀具不一样的是,它们没有足够的压制压力来防止金属在成形区周围之料的流动.挤压成形：挤压成形区总体上不应超过金属厚度的20%。毛边：CNC零件上的成形特征单元有时会防碍工件的去毛边.此外,当毛边方向向下时,成形特征单元向上(当工件被夹在冲床时向工件的顶部成形),在设计入子用法及毛边方向很重要的情况下这就会成为一个关键的考虑因素.成形特征单元的尺寸类型及实用性常常受限于设计者的想象力,精密制造设备能帮助您设计、加工及对完全利用本设备独一无二的机器性能进行规范化.设计时应考虑因素:像任何加工制造的情形一样,有些制程特征与数控冲床的生产有关,而这些特征是有经验的设计者在产品设计过程中,应注意并加以利用的。下面就是一些潜在的重要的设计时应考虑因素.时间和材料的利用率.为了优化制程的时间与材料利用率,在冲压生产过程中把零件组合起来或进行排样都是很常见的,在冲孔过程中工件上的某些零件能用细网连在一起, 这就是人们所谓的 “微形联机”,在冲压完成后它允许保留下来.冲压完成后, 摇动料片,落下零件,并将它们迭放起来,不需单独的切割分离操作就已为进一步处理做好了准备。这些零件因而被称为“摇动零件”或“震动分离件”.设计者应该清楚微小毛刺有可能在零件周界上的微型连接线被表皮破坏点上遣留下来关于这些毛刺的位置与分布的高级资询系统能避免潜在的并发症.毛边方向:毛边,当冲子穿透钣金的时候都会不可避免的形成,无论它为多小.在冲裁(落料)型产品中,零件的毛边方向与冲子进入方向相反,如图7所示.对学识渊博的设计者而言,毛边方向是一个重要因素,因为它能通过对产品的设计使零件的毛边方向能被完全隐敝,安全地远离用户.这样就可以节约用砂带打摩去毛边的成本.经验丰富的设计者们也重视这样一个事实,那就是从零件毛边所在面进行铆接(如铆钉、螺柱),更加可靠、牢固,胜过从冲子所在边进行铆接,因此可用来规划零件的发展.平面度:工件的平面度在冲压过程中不可避免地受到压力感应与释放的影响.总的来说, 零件上的冲孔越多,所产生的 弓形或“油罐” 形变形就会越大.当累积冲孔面积超过了材料总面积的25%时,工件就会超过允收等级.制程中用来夹持材料的高压脱料板在正常条件下,能减少弓形变形而总体达到允收的条件.通过后续的拉平作业,高的平面度虽能获得,但这是额外付出的代价.在许多情况下设计者需要一个明确的关于工件上哪边应包含何种弓形变形(正向或反向),据此能够确定-允许加工者从适当边来处理工件.刀口条件:用CNC冲床处理的零件的边缘可能呈现出令设计人员感兴趣的一些特征,特别是在包含有蚕食加工的地方.蚕食加工过程中冲子(刀具)的过切不可避免地会在蚕食特征单元的边缘上留下一些特征标志,这些标志属于外观面,而且常常是不可测量的.如果这些蚕食标志的存在对外观有大的影响,那么设计人员往往会希望考虑用特殊刀具来消除这些因素.“扇形边”是蚕食标志被夸大并超过可测量点的一个因素.如图8. “扇形边”有时出现在客户能接受的地方.假如客户反对,那么特殊刀具能避免蚕食加工的需要,设计者应加以考虑.显然,在设计过程中尽早讨论关于刀口条件的问题是非常重要的,投产之前在客户与供货商间达成协议也很重要.同样地,正常情况下发生于所有冲孔边上的“崩落”(breakout),在厚材上也会成为一个重要考虑因素,因此也应正确处理.如图7.对料厚1.9mm以上的工件,无论是孔的直径是非常重要的还是有插入的铆接件, 崩落的影响都应该检讨.夹痕:沿着工件一边的外部边缘上的小印痕可能是由工件夹持器的夹紧动作产生的.这些夹具标记很少会出现问题,它可以通过在工件上装夹某种零件以使包含印痕的周界在加工后被切掉和丢弃而实现完全消除.特征单元地点:当有特殊要求必须规定零件设计的细节时,经验丰富的设计者们常常发现以下两条关于定位这些特征单元的有用的总体方针:1. 避免把孔和其它不必要的特征单元放得过近.细长形的孔容易产生平面度问题及材料扭曲(可参看”冲压生产”一章以获得更得信息)。2. 避免在特别靠近零件边缘处的孔内插入铆接件的需求.而且,从经济性出发,把所有的铆接件设计成从零件的同一边插入(可参看”插入扣件”一章).尺寸标注实践:假如有一个单独的区域,在该区域内设计者能在可生产性与加工经济性方面,实现(达到)最大利益,那么通过在图纸使用恰当的细节实践与供货商进行有效交流是可能的.下面就是一些可以产生巨大差异的基本方针:首先,在零件体上选择一个有意义的面-如可能的话,尽量通过孔的中心线-这样要优于在零边的一边或一角上选择数据(参看”折床尺寸标注实践”一章).这个建议有以下几个原因:它避免了零件未对准和装夹变形等可能性的发生,允许更加精确的测量,避免了以边缘为基准的测量-这种测量由于逐渐变小而导致尺寸不确定,促进了精密检测.而且,它避免了公差的不必要累积.其次,在相关孔的模式上尺寸标注与公差均应在这种只有一维连接到总体数据上的模式之内.第三,真正重要的尺寸特别表示,如此重要的尺寸才能被确认.尺寸精度性能:所有的加工刀具精度都受到限制,数控冲床也不例外,已出版的加工精度数据不能一直反映实际使用的设备的真实公差性能.电子误差和机械误差综合构成了实际使用中的总体尺寸差异.由于依赖于机器的构造,类型和环境,因此正负特征单元的公差变化有可能从0.005英寸(0.13mm)到0.015英寸(0.38mm),程序纠错常用于改善机器的系统误差.由于机器公差没有被合成,因此在导向丝杠朝一个方向行进的时候,机器的重复精度为0.002英寸(0.05毫米).冲压生产设计设备特性:基本上,冲压机床是具有一定空间来包含及一定方式来驱动具有冲击力、冲击速度和精度要求的专用金属成形刀具以生产出理想零件形状的机器。在一些基础设计中,机械冲床和液压式冲床可买到,而且尺寸,吨位容量,行程距离和运行速度可变的冲床也易获得.机械式冲床的发动机从飞轮上得到动力,通过机轴、曲轴或变位齿轮将冲床发动机的旋转运动与扭矩转化成冲床滑动所需的往复式运动及其动力.机械式冲床的两种主要类型分别为开口式及直边式(如图1)开口式冲床可在一些设计变异中得到.最普通的是背部开口倾向式,背部固定式和两点式开口结构设计.作为一个群组,它们能提供的吨位容量大约为20吨到600吨,速度范围为每分锺约20次到800次,行程长度以定间隔从1英寸(0.025m)阶跃到20英寸(0.5m)。开口式结构的概念是通用的,在上料及落下零件时能提供与模具良好的易接性及便利性.它常常于手工送料的场合.直边式冲床包含一个压力机横梁单元,两个笔直边单元和一个支撑承梁的机架单元.这些组件常常受到位于预装载位置上的四根关连杆的保护.它们也被栓接锁固或焊成一件.结果,直边冲床比开口冲床的各单元更加僵硬,而且重载状态下的任何偏差均趋向于均匀.直边冲床适合于连续模具和移动模具的应用,并有大范围可变的类型、尺寸和冲击速度特性,吨位容量可达6000吨,速度可达1500spm.除了开口式冲床和直边冲床外,还有许多专用结构的冲床被应用于如精密冲裁,穿孔,挤压成形,滑动成形及大范围可变的精密、高速操作.总体上,机械式冲床很适合于高速冲裁零件,冲裁具有短程装料机构的自动装料的零件;浅冲压要求易于控制行程距离的工作.液压冲床传递由液压机构产生的用于以予先设定的顺序来移动一个或多个动力油缸的可控压力. 根据不同用法它们有多种结构类型,包括C型结构,直边或H型,四柱型及其它形状. 液压冲床覆盖了大范围可变的性能参数,其床身尺寸、冲孔深度、速度和冲床吨数容量之间没有必然的相互依赖关系,例如:1.8m1.2m的大床身,其压力仅为20吨,反过来,一台200吨的冲床也许只有0.90.9m的床身面积。冲程长度在0.6m以上的均有备用品.具有过压保护的液压冲床的重要特性包括:冲压过程中在任一点传送压力的能力, 吨位可调性,冲程长度和速度可调性,总而言之,液压冲床特别适用于深冲压；频繁换模的短期作业；在一次撞击中具有成形,挤压成形或其它第二种操作的落料;具有长的送料线的低速高吨位落料;压力要求高于重复冲程深度要求的工作.局限性制程的局限性包括缺少高压吨位冲床,而且不能完成深拉深成形.图29:滑动菜设备例图图30:在此关于产品的滑动战形方法与步进模连续冲裁模法的比较中分析了滑动成形的刀具,相付简易及其经济性的优点。图31:曲型滑动成形操作中的刀具结构图32:展现了复合滑动成形机的机械性能及刀具性能经济优越性与局限性:与使用专用或通用刀具的CNC制造相比,专用设备制造通常能在整个生产过程中提供更好的尺寸精度和产品一致性,以及在不同场地生产时良好的移植性.一般情况下,由于专用设备的设计和制造更复杂昂贵,因此所需的交货周期也更长.在选择恰当的加工方法时,设计人员常会在CNC制造下的最低加工成本,最短提贷时间及相对较低的生产率与专用加工下的较高的生产成本,较高精确度,较长交货时间及较高的生产效率之间进行权衡,最后,总的产品数量常(但不是永远)成为决定因素.很多产品最初由CNC进行样品加工,当产量达到更高的级数时,加工方法就发展为硬模加工,在规划合适的加工方法时,与金属制品推销商进行关于预定总产量的早期磋商是很必要的.不管所包含的数量为多少,工件的尺寸和尺寸精度都会影响加工方法的选择,除非使用很大的专用刀具与冲压设备,否则具有极大方案视图面积(如大于762mm762mm)的零件对于所有的冲床而言均会太大以致于无法加工.同样地,一些工件本身所需要加工的精度就不可能由使用CNC冲床达到.然而,某些类型的工件-尤其是那些有选择性钻孔区域的工件常可较经济地在NC冲床上加工.激光冲压激光为冲压制造者提供了机会.Preco industries有限公司,位于Lenexa,KS.它生产的液压冲压机和四柱冲床分销到28个国家,并扩展其产品线包括蛤式挖泥机(clamshell)Press直到screen-printing生产线.现在,他们还想将他们的业务再扩大.他们想制造一种为更强大的切割应用而设计的平台金属切割系统;这种平台必须在大量不同的金属加工中提供最干凈、最快捷和要求最苛刻的切割,但能适合电子包装和其它生产中所提出的更小、更精确的切割要求.现在则有几种传统的系统可使用,如水切割机、乙炔焊或电火花机(EDM),但这几种加工工具中有的不适于细小部分的加工(精度不够),需要额外的Clean-up或在金属的受热部分引起太大的热变形.例如,高压水切割系统需要经常的维护和配置不便利的水流. 在探讨选择方案时,Preco的决策层想到了激光,据说其精度好、速度快,但决策者陷入了对激光的一些特性的误解之中.激光常被认为能量太弱以致于不能切割金属且在日常使用中太危险或安装、操作和保养太复杂,然而Preco的设计人员发现现代的sealed(密闭)的二气化碳激光能量十分强大,是无需(实际)保养的精密加工工具且操作简易、安全,可提供无法比拟的切割质量,并且能迅速地被整合进现有的系统设计中.激光切割,不像其余选项那样,而是非接触式加工,所以在切割的过程中不会产生压力、应变或拉料(tearing),它提供了零磨损、不变色的清洁的切割,允许使用者加工即使是最薄的材料.相反地,使用乙炔焊切割金属过程中产生大量的受热区,会导致热变形,激光则将能量聚焦于一个小的紧密的区域,产生的受热区域十分小,就能减少热变形.另一个优点就是在金属切割中无论是很小的切口,还是宽大的切口,激光都可胜任.例如,在0.078in厚的普通碳调质钢板的切割中,激光切割机可切出一个宽度仅0.005in的切口-这样消除了原料的变形和加工中可能产生的位移,再复杂的工件形状都可被加工出来.激光切割通常还带有第二个完工(finishing)的优势.由于是一个高温、非接触的加工过程,激光切割可加工出手感光滑的无毛刺的切割边.其它加工方法则需要经过后续处理,且花费制造者额外的时间和金钱才能取得相似的加工效果.Preco的(决策者)还了解到使用激光,工具磨损不复存在,因而保养费用可降到最低.因为切割设备是一束光,不再需要对刀具进行磨尖处理了.一旦一台工业用激光切割机安好了之后,它就可全天24小时不停机地工作好几年直到需要径行某种类型的保养.到那时,激光切割机也仅是被送回产家补充混合气.许多激光切割机现在已经接近于旋开钥匙即可执行命令的水平,并可通过简单地接上两根电线和一根控制线接通中心控制系统.它们通常通过使用标准PC或PLC控制器与现有的制造业的技术和动作控制系统互相影响.大多数激光切割机被设计为接收工业标准控制输入信号,多以420mA,0-10v直流模拟控制电能的调制.由于激光切割机对金属成型制造厂的适用性令Preco感到满意,所以Preco选择了由Synrad有限公司(位于Mukilteo,WA是提供电光学制品和激光器OEM产品及系统集成的开发者)生产的密闭二气化碳激光器.他们的二气化碳激光器自带了内嵌气管并且为适合于放置在工作台上已尽可能地压缩了.使用DOS或WINDOWS环境下的软件,一份图样能被直接转换,经过合适的运动系统,被转换成激光束.“激光束的质量相当好,我们可将它调焦成为一个紧密的点并获得良好的生产率”;Preco的激光总经理如是说:“在全面的弹性（加工）和硬性（加工）条件下，他们的激光器提供了更多的解决方案.激光器已十分轻便且紧凑地适用于目前已存在的任何自动系统. Preco首先将Synrad公司的激光器集成进他们的平台切割系统,Synrad公司提供了三种规格的激光器,最小的一种为PL-23,有效切割面积为24 in36in .装上激光器,Preco公司的平台切割系统就易于处理多种类型和规格的薄金属.一旦加工参数因为材质改变而发生改变的话,激光切割器可通过键入新参数和重新调整激光焦距即可简单地由一种材质转向另一种材质.Preco将他们精确的远见延伸至定位性能,所以,使用激光,在任何已标定中心的媒质上,他们可通过精确的定位将不到0.0005in宽的部件切割出来.Preco与它的客户们一同工作,以确定客户实际想要的,然后生产出代表最高效的解决方案的系统.无论在哪里,从25w到240w的激光切割机被推荐使用,取决于产品的要求和材料与激光束的相互反应,通常激光的功率越大,切割的速度越快.“当与新客户做生意时,我们倾向于激光不能马上将金属切割,”Dick解释说:“我们演示切割金属的实验并向客户解说激光可切割0.1in厚的金属”“客户们通常为系统如此容易建立和我们有能力使局面得以改善而感到