工艺技术_冷冲模工艺与结构培训教材

第2章冷冲模工艺与结构 2 1冷冲压模具基本概念2 2冷冲压模具结构基础2 3冷冲模标准件2 4冷冲压模具的设计基础2 5冷冲压模具加工工艺2 6冲裁工艺与冲裁模设计 2 1冷冲压模具基本概念 1 冲压与冲模 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 称为冲压模具 俗称冲模 加工对象 主要金属板材 加工依据 板材冲压成形性能 主要是塑性 加工设备 主要是压力机 加工工艺装备 冲压模具 2 冲压生产的三要素 合理的冲压工艺 先进的模具 冲模一种特殊工艺装备 冲模与冲压件有 一模一样 的关系 冲模没有通用性 冲模是冲压生产必不可少的工艺装备 决定着产品的质量 效益和新产品的开发能力 3 按工序性质分 冲裁模 弯曲模 拉深模 成形模及冷挤压模 2 2冷冲压模具结构 单工序模 复合模和连续模的模具结构基本相同的 都是有 上模 上模座 下模 下模座 凹凸模 卸料板 固定板 导柱 导套 压料板 圈 等组成 图2 1单工序模具结构 在压力机一次行程中只完成一道工序 图2 2复合模结构 在压力机一次冲程中完成多步工序 图2 3连续模结构 有两个或更多工位的冲模材料随压力机行程逐次送进一工位 从而使冲件逐步成形 图2 4连续模实例 表2 1单工序模 复合模和连续模的比较 冲压模具基本结构 上模是整副冲模的上半部 即安装于压力机滑块上的冲模部分 冲模 冲模是装在压力机上用于生产冲件的工艺装备 由相互配合的上 下两部分组成 凸模 凸模是冲模中起直接形成冲件作用的凸形工作零件 即以外形为工作表面的零件 凹模 凹模是冲模中起直接形成冲件作用的凹形工作零件 即以内形为工作表面的零件 压料板 圈 压料板 圈 是冲模中用于压住冲压材料或工序件以控制材料流动的零件 在拉深模中 压料板多数称为压料圈 固定板 固定板是固定凸模的板状零件 卸料板 卸料板是将材料或工 序 件从凸模上卸脱的固定式或活动式板形零件 卸料板是有时与导料板做成一体 兼起导料作用 仍称卸料板 2 2 2模架结构图2 4对角导柱模架 可承受一定的偏心负荷 滑动平稳 用于横向送料大件 图2 5后侧式导柱模架 滑动不平稳可三面送料 操作方便 易变形 适用小件冲裁 图2 6中间导柱模架 结构简单 加工方便 送料适应差易歪斜不平稳 寿命短 图2 7四角式导柱模架 精度高 平稳用于大型精度高零件的冲压 2 3冷冲模标准件 冷冲模常用的凹模板 模板 模柄 凹模 挡料销 推杆 导正销等标准件基本尺寸和材料 矩形凹模板 GB2858 1 81 L 63 315B 50 250H 10 45材料为T10A Cr12 Cr6WV 9Mn2V Cr12MoV 圆形凹模板 GB2858 4 81 矩形模板 GB2858 2 81 L 63 315B 50 250H 6 40适用于凸模固定板等材料为45钢 Q235 A 圆形模板 GB2858 5 81 D 63 315H 6 40适用于凸模固定板 料板 空心垫板 凹模框等 材料为45钢 Q235 A 压入式模柄 GB2862 1 81 d 20 76H 68 158材料为Q235 A 槽形模柄 GB2862 4 81 d 20 60H 70 130材料为Q235 A A型凸缘式模柄 GB2862 3 81 d 30 76h 16 22H 64 98材料为Q235 A B型圆凸模 GB2863 2 81 d 3 30 2L 36 70材料为9Mn2V Cr6WV Cr12 Cr12MoV 键入式圆凹模 GB2863 4 81 d 8 40L 14 35材料为T10A 9Mn2V Cr12 Cr6WV 硬度HRC58 62 带台肩凹模 GB2863 81 d 8 10L 14 35材料为T10A 9Mn2V Cr12 Cr6WV 硬度HRC58 62 侧刃 GB2865 1 81 S 5 2 10 2B 4 L 45 50 S 7 2 10 2B 6 L 45 50 S 10 2 15 2B 8 L 45 50 S 15 2 30 2B 10 L 50 65 S 30 2 40 2B 12 L 55 70材料为Cr12 9Mn2V 硬度HRC58 62 弹簧弹顶挡料销 GB2866 5 81 d 4 20L 18 60材料为45钢 热处理HRC45 48 固定挡料销 GB2866 11 81 d 4 25L 8 22材料为45钢 热处理HRC43 48 带肩橇杆 GB2867 1 81 d 6 25L 40 280材料为45钢 热处理HRC43 48 A型顶板 GB2867 4 81 D 20 210L 4 18材料为45钢 热处理HRC43 48 圆柱头卸料螺钉 GB2867 5 81 d 3 10L设计确定材料为9Mn2V Cr12 热处理HRC52 56 B型导正俏 GB2864 2 81 d 3 10L设计确定材料为9Mn2V Cr12 热处理HRC52 56 2 3 2 模架技术条件 1 精度 滑动导向模架的精度分为 级和 级 滚动导向模架的精度分为 级和 级 2 配合间隙 装入模架的每对导柱和导套 包括可卸导柱和导套 的配合间隙值 或过盈量 应符合表2 7 p28 导柱 导套配合间隙 或过盈量 所示的规定 2 4 1塑性变形的基本概念 变形包括 弹性变形 塑性变形塑性变形 塑性变形是物质 包括流体及固体在一定的条件下 在外力的作用下产生形变 当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象 金属在室温下的塑性变形 对金属的组织和性能影响很大 常会出现加工硬化 内应力和各向异性等现象 2 4 3塑性变形的规律 1 硬化规律 塑性降低 变形抗力提高 能提高变形的均匀性2 卸载弹性恢复规律和反载软化现象 3 体积变条件 塑性变形时体积可忽略不计 2 4冷冲压模具的设计基础 最小阻力定律在塑性变形中 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 弱曲先变形方法 开流限流 图2 13最小阻力定律 塑性变形中破坏了金属的整体平衡而强制金属流动 当金属质点有几个方向流动时 它向阻力最小方向移动 2 4 5冲压材料及其冲压成形性能 1 冲压成形性能材料的冲压成形性能 材料对各种冲压加工方法的适应能力好 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 冲压材料及其冲压成形性能 2 冲压成形性能的试验方法 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材的强度指标越高 产生变形的力就越大 塑性指标越高 成型时变形量就越大 刚度指标越高抵抗失稳起皱的能力越大 不同冲压工序对板材的机械性能具体要求不同 强度 材料在外力作用下抵抗破坏 变形和断裂 的能力称为强度 刚度 刚度是指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力 是材料或结构弹性变形难易程度的表征 4 冲压材料 1 对冲压材料的要求 冲压成形性能 材料厚度公差 表面质量 2 常用冲压材料 黑色金属 有色金属 非金属材料 2 4 6冷冲压模具的设计流程 1接受任务书审签的正规图纸 注明使用的板料 制品使用说明书或技术要求 制品产量 样品 2分析制品工艺了解制品用途 工艺性 尺寸精度 有无涂装 电镀等要求 估计成型公差 成型方法 设备型号 材料规格 模具类型等等3选择成型设备选择设备性能 规格 特点 行程 吨位等 4确定具体结构方案模具满足工艺技术和经济型要求 2 5冷冲压模具加工工艺 零件准备 穿丝空加工 热处理 基面加工等 程序准备 零件装夹定位 穿丝选 择工艺参数 切割加工 检验 切割加工 检验 2 5 1模具的制造特点 1 形状复杂 加工精度高2 模具材料性能优异 硬度高 加工难度大3 生产批量小 单件少工序多工步 工序集中 不用或少用专用工具 4 模具需调整或试模 2 5 2模具零件的加工方法 包括机械加工和特种加工 1 机械加工配以钳工操作 2 机械预加工后 特种加工 2 5 2模具零件的加工方法 1 模具毛坯选择一般采用锻件 大型模具采用铸件 小型模具采用型材2 模具零件的机械加工3 模具零件的电加工 2 6冲裁工艺与冲裁模设计 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 基本工序 落料和冲孔 既可加工零件 也可加工冲压工序件 半成品冲裁模 冲裁所使用的模具叫冲裁模 它是冲裁过程 2 6 1冲裁件质量及其影响因素 1 尺寸精度 图纸规定的公差范围内形状误差 外形满足图纸要求 表面平直 即拱弯小 1 冲裁件断面质量及其影响因素断面特征圆角带刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形 光亮带 塑性剪切变形 质量最好的区域 断裂带 裂纹形成及扩展 毛刺区 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 断面质量 冲裁件质量及其影响因素 2 冲裁件的形状误差 指翘曲 扭曲 变形等缺陷 翘曲 冲裁件呈曲面不平现象 它是由于间隙过大 弯矩增大 变形拉伸和弯曲成分增多而造成的 另外材料的各向异性和卷料未矫正也会产生翘曲 扭曲 冲裁件呈扭歪现象 它是由于材料的不平 间隙不均匀 凹模后角对材料摩擦不均匀等造成的 变形 由于坯料的边缘冲孔或孔距太小等原因 因胀形而产生的 2 冲裁模间隙值的确定 根据冲裁件的断面质量 尺寸精度和模具寿命给间隙一个合理的值 考虑生产过程中的磨损 制造模具时应取最小合理间隙 确定合理见习的方法有 理论计算法 查表法 经验记忆法 2 6 2冲裁间隙 冲裁间隙Z 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 1 间隙是影响冲裁件质量的主要因素 2 间隙增大冲裁力降低 但影响不大 间隙增大卸料力和推件力将减少 3 间隙小磨损增加 影响模具的寿命 在保证冲裁件质量的前提下 应适当采用较大的间隙 合理冲裁间隙的选用 Z 2t 1 b t tan 合理间隙取决于三个因素a 板料厚度t b 相对切入深度b t c 裂纹方向角 是一个与板料的塑性或硬度有关的值 但其变化不大 所以影响合理间隙值大小主要取决于前两个因素 由2 1 3中分析已知 材料塑性愈好或硬度愈低 则光亮带所占的相对宽度b t就愈大 反之 材料塑性愈差或硬度愈高 则b t就愈小 表2 4冲裁模初始双面间隙值Z 汽车拖拉机行业用 mm注 1 冲裁皮革 石棉和纸板时 间隙取08钢的25 2 Zmin相当于公称间隙 表2 5冲裁模初始双面间隙值Z 电器仪表行业用 mm注 1 Zmin应视为公称间隙 2 一般情况下 其Zmax可适当放大 2 6 3凸 凹模刃口 设计落料模先确定凹模刃口尺寸 以凹模为基准 间隙取在凸模上 即冲裁间隙通过减小凸模刃口尺寸来取得 设计冲孔模先确定凸模刃口尺寸 以凸模为基准 间隙取在凹模上 冲裁间隙通过增大凹模刃口尺寸来取得 图2 18凸模和凹模工作部分尺寸的确定 根据冲模在使用过程中的磨损规律 设计落料模时 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 冲裁 设计 间隙一般选用最小合理间隙值 Zmin 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 工件尺寸公差与冲模刃口尺寸的制造偏差原则上都应按 入体 原则标注为单向公差 但对于磨损后无变化的尺寸 一般标注双向偏差 2 计算方法 冲裁模工作部分尺寸的计算方法与模具的加工方法有关 常用的模具加工方法有凸模和凹模分别加工的分别加工法 凸模和凹模配合加工的单配加工法 单配加工法还需要考虑相应的基准件和配合件的尺寸换算 1 分别加工法 1 分别加工法 凸 凹 Zmax Zmin落料D凹 Dmax X 2 13 D凸 D凹 Zmin 2 14 冲孔d凸 dmin X 2 15 d凹 d凸D凸 Zmin 2 16 中心距L凹 L中 8 2 17 Dmax 落料件最大极限尺寸 dmin 冲孔件最小极限尺寸 冲裁件的公差 X 磨损系数 查表2 6或直接按1选取 分别为凹模和凸模的制造公差 可按冲裁件公差的1 4 1 5选取 也可查表2 7 L凹 凹模中心距的基本尺寸 L中 冲裁件中心距的中间尺寸 表2 10磨损系数X 表2 11规则形状冲裁模凸 凹模制造公差 2 单配加工法 图2 23冲裁件的尺寸分类 单配加工发是利用凸模和凹模相互单配的方法 来保证合理间隙的此法只需计算基准件 冲孔时凸模 落料时凹模 基本尺寸及公差 另一件无需标注尺寸 仅注明配作 制造更容易 2 单配加工法 单配发加工时三类不同性质的尺寸 第一类 凸模 冲孔件 或凹模 落料件 磨损后增大的尺寸 第二类 凸模 冲孔件 或凹模 落料件 磨损后减小的尺寸 第三类 凸模 冲孔件 或凹模 落料件 磨损后基本不变的尺寸 2 单配加工法 图 a 落料件中 a b f 尺寸随凹模磨损增大 c 尺寸随凹模磨损减小 d e 尺寸不受凹模磨损影响 图 b 冲孔件中 a b f 尺寸随凸模磨损减小 c 尺寸随凸模磨损增大 d e 尺寸不受凸模磨损影响 2 单配加工法 第一类尺寸相当于简单形状的落料凹模尺寸 所以它的基准件 冲孔时为凸模 落料时为凹模 的计算公式为 第一类基准件尺寸 冲裁件上该尺寸的最大极限 X 第二类尺寸相当于简单形状的冲孔凸模尺寸 所以它的基准件 冲孔时为凸模 落料时为凹模 的计算公式为 第二类基准件尺寸 冲裁件上该尺寸的最小极限 X 第三类尺寸不受磨损的影响 基准件与配合件的基本尺寸取冲裁件上该尺寸的中间值 其公差取正负对称分布 第三类基准件尺寸 冲裁件上该尺寸的中间值 8 冲裁件的公差 X 磨损系数 公式很换算 p43 应用实例 例2 1图2 25所示垫圈 材料为Q235钢 分别计算落料和冲孔的凸模和凹模工作部分尺寸 该制件由2副模具完成 第1副落料 第2副冲孔 p44 图2 25垫圈 应用实例 例2 2图2 26所示开口垫片 材料为10钢 采用复合模冲裁 用单配加工法计算冲孔凸模 落料凹模工作部分尺寸 并画出凸模 凹模及凸凹模工作部分简图 p45 图2 26开口垫片 2 6 4冲裁排样设计 1 材料的合理利用2 排样方法3 搭边4 排样图 2 6 4冲裁件的排样 1 在冲压生产中 材料的费用约占制件成本的60 以上 贵重金属占80 以上 提高材料利用率具有重要的经济意义 为此 必须尽量减少废料面积 冲裁中的废料可分为结构废料和工艺废料两种 结构废料是由制件的形状尺寸而决定的 如垫圈冲裁 冲孔所产生的废料为结构废料 工艺废料则是由冲裁排样方式所决定的 如条料上的料头 料尾及边缘部分均为工艺废料 要提高材料的利用率主要从减少工艺废料入手 设计出合理的排样方案 就这方面而言 2 在考虑提高材料利用率的同时 应使模具结构简单 模具寿命高 操作方便安全 为此应尽可能减少条料的翻动 在材料利用率相近时 尽可能选择条料宽 进距小的排样方法 3 在不影响制件使用性能的前提下 可适当修改冲裁件尺寸和形状 以提高材料的利用率 同时使模具结构简单 操作方便安全 冲裁排样设计 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 冲裁排样设计 二 排样方法 1 有废料排样 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有搭边废料 冲件尺寸完全由冲模来保证 因此精度高 模具寿命也高 但材料利用率低 冲裁排样设计 二 排样方法 2 少废料排样 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 因受剪裁条料质量和定位误差的影响 其冲件质量稍差 同时边缘毛刺被凸模带入间隙也影响模具寿命 但材料利用率稍高 冲模结构简单 2 6 4冲裁排样设计 二 排样方法 3 无废料排样 冲件与冲件之间或冲件与条料侧边之间均无搭边 沿直线或曲线切断条料而获得冲件 冲件的质量和模具寿命更差一些 但材料利用率最高 另外 如图c所示 当送进步距为两倍零件宽度时 一次切断便能获得两个冲件 有利于提高劳动生产率 2 6排样方法表2 8有废料排样形式 2 6排样方法 2 6 5冲裁排样设计 三 搭边 搭边值对冲裁过程及冲裁件质量有很大的影响 因此一定要合理确定搭边数值 搭边过大 材料利用率低 搭边过小时 搭边的强度和刚度不够 冲裁时容易翘曲或被拉断 不仅会增大冲裁件毛刺 有时甚至单边拉入模具间隙 造成冲裁力不均 损坏模具刃口 根据生产的统计 正常搭边比无搭边冲裁时的模具寿命高50 以上 1 影响搭边值的因素 三 搭边 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 表2 14板料冲裁时的合理搭边值 2 6 6送料步距与条料宽度 1 送料步距A每次只冲一个制件的步距A的计算式为 A D a1 2 25 式中 a1 冲裁件之间的搭边值 D 冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸 1 有侧压装置时条料的宽度与导料板间距离 2 6 6条料宽度与导料板间距离的计算 条料宽度 导料板间距离 D 冲裁件与送料方向垂直的最大尺寸a 冲裁件与条料之间的搭边 板料冲裁时的下偏差 2 无侧压装置时条料的宽度与导料板间距离 四 条料宽度与导料板间距离的计算 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 a 侧搭边值 条料宽度的单向 负向 偏差 C 导料板与最宽条料之间的间隙 4 材料利用率 的计算 材料利用率通常以百分率表示 S1 S0 100 S1 AB 100 式中 S1 一个步距内制件的实际面积 S0 一个步距内所需毛坯面积 A 送料步距 B 条料宽度 实际材料利用率还应考虑板料 卷料 剪裁时的剩余边料和条 带 料冲裁时的料头料尾消耗 工厂常用以下经验公式估算 0 K 式中 0 材料的实际利用率 K 料头料尾等消耗系数 纵裁时K 0 9 横裁时K 0 85 斜裁时K 0 75 2 6 5排样图 图2 29铁心冲孔落料复合排样图 在确定条料宽度之后 还要选择板料规格 并确定裁板方法 纵向剪裁或横向剪裁 值得注意的是 在选择板料规格和确定裁板法时 还应综合考虑材料利用率 纤维方向 对弯曲件 操作方便和材料供应情况等 当条料长度确定后 就可以绘出排样图 2 6 5排样图 图2 30动簧引出脚冲孔落料级进排样图1 侧刃裁边 2 冲4圆孔 3 冲腰形孔 4 落料 2 7冲裁工艺设计 图2 31冲裁件有关尺寸的限制 1冲裁件的结构工艺性 冲裁性的形状应尽可能简单 对称 避免复杂形状的曲线 矩形孔两端宜用圆弧连接 尽量避免锐角 严禁尖角 冲裁件凸出或凹入部分不能太窄 尽可能避免过长的悬臂和窄槽 最小宽b