工艺技术_冲压工艺与模具概述

冲压工艺与模具 冲压技术发展 冲压技术的真正发展 始于汽车的工业化生产 20世纪初 研究工作基本上在板料成形技术和成形性两方面同时展开 关键问题是破裂 起皱与回弹 但对冲压技术的掌握基本上是经验型的 分析工具是经典的成形力学理论 能求解的问题十分有限 远不能满足汽车工业的需求 60年代是冲压技术发展的重要时期 各种新的成形技术相继出现 尤其是成形极限图的提出 推动了板材性能 成形理论 成形工艺和质量控制的协调发展 成为冲压技术发展史上的一个里程碑 80年代有限元方法及CAD技术开始发展 90年代汽车冲压技术真正进入了分析阶段 数值模拟仿真及计算机应用技术在冲压领域得以迅速发展并走向实用化 冲压工艺 冲压工艺设计是冲压与模具的核心技术 是衡量冲压技术的标志 是冲压成功的关键 冲压工艺根据通用的分类方法 可将冲压的基本工序分为材料的分离和成形两大类 每一类中又包括许多不同的工序 分离工序 冲压工艺 成形工序 冲压工艺 冲压模具工序及略语 冲压工艺设计主要任务 一是完成拉延件的设计二是完成DL图 dieLayout 的设计DL图 模具工艺构件图 内容 设定冲压工序的性质 工序数目 工序顺序和工序内容设定各工序的冲压方向和送料方向设定工艺排样和材料利用率设定冲压设备 生产方式及流程设计DL图 工艺卡和工艺指导书 冲压工艺设计方法 在对冲压零件特征分析 工艺模拟分析 工艺计算的基础上 遵循 高质量 高效率 低成本 的总原则 精细设计冲压工艺 成双工艺 连续冲压工艺 拉延切角工艺 复合冲压工艺 往复冲裁工艺 落料成形工艺 多次修边工艺 修边整形工艺 分次拉延工艺 反拉延工艺 拉延槛 筋的应用 回弹变形的预测控制 工艺台阶的应用 工艺切口的应用等 通常厚板料零件多采用 落料成形翻边冲孔的工艺过程 薄板料且形状复杂零件 拉延修边翻边整形冲孔的工艺 1 1覆盖件的含义 覆盖件主要指覆盖汽车发动机和底盘 构成驾驶室和车身的一些零件 如轿车的挡泥板 顶盖 车门外板 发动机盖 水箱盖 行李箱盖等 由于覆盖件的结构尺寸较大 所以也称为大型覆盖件 覆盖件成形工序 覆盖件的主要冲压工序有 落料 拉深 校形 修边 切断 翻边 冲孔等 覆盖件的结构特征和一般冲压件相比 覆盖件具有材料薄 形状复杂 多为空间曲面且曲面间有较高的连接要求 结构尺寸较大 表面质量要求高 刚性好等特点 覆盖件部分 1 2覆盖件的成形特点1 成形工序多 拉深为关键工序 2 拉深是复合成形 常采用一次拉深 3 拉深时变形不均匀 工艺补充 拉深筋 4 大而稳定的压边力 双动压机 多连杆机械压力机 5 优质钢材 高强度 高质量 抗腐蚀的钢板 1 3覆盖件的成形分类汽车覆盖件的冲压成形分类以零件上易破裂或起皱部位材料的主要变形方式为依据 并根据成形零件的外形特征 变形量大小 变形特点以及对材料性能的不同要求 可将汽车覆盖件冲压成形分为五类 深拉深成形类 胀形拉深成形类 浅拉深成形类 弯曲成形类和翻边成形类 1 4覆盖件的主要成形障碍及其防止措施由于覆盖件形状复杂 多为非轴对称 非回转体的复杂曲面形状零件 因而决定了拉深时的变形不均匀 所以拉深时的起皱和开裂是主要成形障碍 1 起皱及防皱措施原因 覆盖件的拉深过程中 当板料与凸模刚开始接触 板面内就会产生压应力 随着拉深的进行 当压应力超过允许值时 板料就会失稳起皱 如图1 防皱措施 解决的办法是增加工艺补充材料或设置拉深筋 图1覆盖件拉深过程示意图a 坯料放入 b 压边 c 板料与凸模接触 d 材料拉入 e 压型 f 下止点 g 卸载 2 开裂及防裂措施原因 是由于局部拉应力过大造成的 由于局部拉应力过大导致局部大的胀形变形而开裂 位置 开裂主要发生在圆角部位 开裂部位的厚度变薄很大如凸模与坯料的接触面积过小 拉深阻力过大等都有可能导致材料局部胀形变形过大而开裂 防裂措施 为了防止开裂 应从覆盖件的结构 成形工艺以及模具设计多方面采取相应的措施 1 覆盖件的结构上 可采取的措施有 各圆角半径最好大一些 曲面形状在拉深方向的实际深度浅一些 各处深度均匀一些 形状尽量简单且变化尽量平缓一些等 2 拉深工艺方面 可采取的主要措施有 拉深方向尽量使凸模与坯料的接触面积大 合理的压料面形状和压边力使压料面各部位阻力均匀适度 降低拉延深度 开工艺孔和工艺切口等 如图2 3 模具设计上可采取设计合理的拉深筋 采用较大的模具圆角 使凸模与凹模间隙合理等措施 图2工艺孔和工艺切口 冲压工艺 实例 拉延切角 工艺切口 冲压工艺 实例 CAE分析 安全破裂起皱回弹 汽车覆盖件模具制造的发展 二十世纪中期 手工设计 手工制泥模 手工制模型样架 手工制大量研配检验样板 大量人工修磨模具 二十世纪后期 CAD设计 手工制泥模 手工制模型样架 大量使用大型仿形铣床及大型加工设备 使用激光切割机加工研配检验样板 采用研配压力机修磨模具 二十一世纪初 采用CAD CAM软件设计模具 开始推行 无纸模具设计和制造 这一研究和开发项目 计算机输入产品模型 生成高质量实体模型 CAD CAM技术的推广已由 甩图板 阶段跨入到了深化应用阶段 Delcam方案是使用模具镶块向导程序 DieWizard 该程序可自动寻找产品模型的分模线并自动将模块分为合适尺寸的两部分 自动产生高质量的分模面 自动分离型芯和型腔 DieWizard 技术的应用 更大大提高企业工艺编制的效率和准确性 可以对产品开发数据进行有效的管理 提高模具设计速度和管理效率从根本上降低模具制造企业的成本 目前法国CATIA公司开发的大型CAD CAE CAM一体化软件V5R17已广泛应用于航空汽车制造业设计 不久将用于模具制造 因一体化特性 将使模具分析 设计 制造更方便快捷 二十世纪中后期 制造模具的手段主要是依赖普通的机械加工设备 对于形状复杂的模具则是依靠钳工的技能来完成 优秀的模具钳工在模具企业内起着决定性的作用 竞争的焦点在于谁有能力把模具生产出来 到了二十一世纪 CAD CAM技术 数控加工技术及EDM加工技术逐步被广泛应用 制造出模具已经不是问题 CAD CAM技术及数控技术的应用水平是衡量模具生产的主要内容 是模具发展的一次大变革 目前汽车大型覆盖件模具的生产基本都建立了一完全针对模具制造的CAD CAE软件系统 该系统采用了综合实体造型和曲面造型优势的混合建模方法 能快速有效地产生和分析来自不同客户的复杂模具曲面 大型覆盖件设计制造要求1 冲压件的三维数模和产品图纸为模具设计的依据 2 所采用的一系列成型手段必须为冲压件服务 不允许互相干涉和重复 3 模具所使用的材料及其加工必须符合冲压件生产纲领和模具寿命要求 4 保证零件 拉延的凹模 凸模 压边圈 成型块 切刀等 技术工艺可靠 定位准确 操作方便 安全并且无堆焊修复缺陷 5 必须参照压力机设备参数 台面尺寸 闭合高度 公称压力 气顶缸位置数量压力 定位装夹位置 设计制造模具 6 模具零部件应定位准确 考虑防松 防崩 防脱落 防翻 防冲击等措施 7 在模具设计制造中必须考虑铸造工艺性 加工工艺性和维修方便性 8 在模具从设计制造到验收的过程中 应以零件为单位建立模具档案 缺陷风险分析纪录 模具设计会签记录 会议纪要 更改记录 试模记录 模具铸件质保书 冲压零件检测记录 模具刃口材料及硬度 模具检查记录等 除前述覆盖件模具设计制造要求外 还需下列特殊要求 1 要求同一自动生产线上的模具闭合高度尽量一致 同一件号零件的模具闭合高度必须一致 2 同一零件的整套模具送料高度必需一致 保证机械化生产自动取件顺畅 3 冲压自动线都采用移动工作台装夹模具 所以设计模具时必须在所有气垫顶棒都放置的情况下移动工作台能正常工作 4 模具结构除了设置外导向 正常的导向外 自动线模具还应在相应工序设置椎式导正结构 保证上下模导正精度可靠合理 5 自动线模具定位均采用快速定位 模具快速定位孔 槽 应布置在具有良好目视条件的地方 以方便模具的安装 6 自动线模具一般都采用自动夹紧装置 采用机床自动夹紧时 应根据机床夹紧要求进行设计 7 必须重点考虑修边冲孔废料的排除方式 制造工艺复杂 立体曲面 精度光洁度要求高 模具调整较复杂 形状复杂 落料尺寸修边尺寸需试验才能决定 轮廓尺寸大 需要有大型加工设备 生产技术准备工作复杂 一个汽车覆盖件零件 往往需通过数套冲模冲压才能完成 而这套冲模 一方面其形状都要符合于同一主模型另一方面各套冲模在制造工艺上有一定依赖关系 一个汽车覆盖件各套冲模的一般制造顺序是 拉延模 切边模 翻边模 修边整型模 拉延模是关键 原因是 下道工序的模具必须用它的冲件作为立体样板 进行制造 能否冲压出合格产品拉延是万事开头难的第一关 例如GC 1轿车侧围外板 除落料在开卷落料线完成外 还需4套冲模完成 其4套冲模的工序关系为拉延 切边冲孔 整形冲孔翻边 整形翻边 精度要求高的模具需要使用高精度的数控机床加工 而且模具材质 成形工艺都有严格要求 还需使用CAD CAE CAM模具技术去设计 分析 制造厂家应具备数控加工中心 电火花 线切割机床及数控仿型铣设备 高精度磨床 高精度三座标测量仪 计算机设计及相关软件等 一般大型汽 车身覆盖件模具要考虑机床是否有压边机构 甚至边润滑剂 多工位级进等 除冲压吨位外还要考虑冲次 送料装置 机床及模具保护装置等 因汽车行业的迅速发展 汽车生产自动化程度越来越高 液压压力机 双动压床已远远跟不上批量冲压件生产需要 目前汽车厂冲压件生产均采用大台面单动多连杆机械压力机 而大部分汽车冲压件由于成型时有特殊要求 因而诞生了许多汽车模具新工艺 斜锲切边 斜锲冲孔 斜锲翻边 汽缸旋转翻边以及气辅成型 氮气缸等先进的工艺 发动机盖拉延工序 工艺补充 工艺补充是拉延件不可缺少的组成部分 是指为了顺利拉延成型出合格的制件 而在冲压件的基础上所添加的那部分材料 用以满足拉延 压料面和修边等工序的要求 这部分材料仅仅是冲压成型需要而不是零件所需要的 故在拉延成型后的修边工序中需将工艺补充切除掉 大多数汽车车身覆盖件都需要添加工艺补充后才能设计成能拉延成型的冲压件 这是覆盖件冲压工艺设计的重要内容 也是与普通简单拉延件拉延工艺设计的主要不同点 工艺补充部分有两大类 外部工艺补充 内部工艺补充 工艺分析 外部工艺补充 压料面 压料面是指板料在凹模圆角以外的法兰部分 工件本体部分或工艺补充部分组成 其应是平面或曲率较小的曲面 不允许有大的起伏或拐点在拉延成型过程中 压料面的材料被逐渐拉入凹模型腔内 转化为覆盖件形状 压料面与凸模形状保持一定几何关系 保证在拉延过程中板料处于张紧状态 并能平稳地包拢凸模 防止起皱破裂 覆盖件拉延成型时 在压料面上敷设拉延筋或拉延槛 对改变进料阻力 调整进料速度使之均匀和防止起皱具有明显的效果 敷设拉延筋的主要作用 1 增加局部区域的进料阻力 使整个拉延件进料速度达到平衡状态 2 加大拉延成型的内应力 提高覆盖件的刚性 3 加大径向拉应力 减少切向压应力 延缓或防止起皱 拉延筋的断面形状为半圆形 拉延槛的阻力更大 它多用在深度浅的拉延件上 拉延筋 发动机盖拉延工序 凹模 压边圈 凸模 导向装置 导向装置 车身侧围结构分析 冲孔工艺过程 冲孔模结构分析 方孔凸模 方孔凹模 异性孔凸模 模具的工作过程 凸模滑块 斜楔 行李箱盖切边工艺分析 切边工艺分析 结构分析 结构分析 结构分析 切边模的类型 按切边面形状 平面切边模 曲面切边模按切边方向分 垂直切边模 是指切边凸 凹 模沿垂直方向作上下运动的切边加工 垂直切边所用模具结构简单 废料处理也比较方便 水平切边模 是指切边凸 凹 模沿水平方向运动的切边加工 凸 凹 模的水平方向运动可以通过斜楔机构或通过模具上加装水平方向运动的液压缸来实现 倾斜切边模 是指切边凸 凹 模沿与垂直方向成一定角度的方向运动的切边加工 凸 凹 模的倾斜方向运动可以通过斜楔机构或通过模具上加装倾斜方向运动的液压缸来