冷冲压工艺和模具结构基础知识.ppt

冷冲压工艺和模具结构基础知识 结合实例 前言 随着国民经济持续高速发展 市场对模具的需求量在不断的增长 近年来 模具工业一直以15 的速度快速发展 电子信息 汽车 家电 通信 船舶 轻工塑料等行业的产品制造80 都离不开模具 因此 现在的模具技术已成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志 冲压可以有效地降低零件的重量 节约大量金属 降低生产成本 被广泛应用在工业产品中 有些产品冲压件占零件总数的60 以上 因此 在市场竞争不断加剧 产品质量 成本和新产品开发能力不断提升的现代化工业生产中 冲压工艺的先进性在很大程度上决定了企业的生存空间 并其对产品的质量 造价以及工业发展的速度和竞争能力关系极大 一 介绍各种钣金冲压工艺的原理和计算 常温下利用压力机并依靠模具对金属材料加工使之变形以获得所需形状的加工称为冷冲压 冷冲压工艺可分为下列五类 冲裁 沿封闭的或敞开的轮廓将材料的一部分与另一部分分离的工艺 2 弯曲 对平的坯料或弯曲件的半成品 将其一部分相对另一部分转过一定的角度的变形工艺 3 拉伸 将平的坯料变成任一形状的空心件 或将空心件半成品的尺寸和形状作进一步改变的工艺 4 成形 用各种性质的局部变形 来改变零件或毛坯的形状的工艺 5 立体冲压 利用金属材料在压力作用下的塑性流动 按材料体积作重新分配的方法 使毛坯或半成品改变其形状 轮廓或厚度的工艺 今天重点讲冲裁 拉伸工艺作一般性介绍 冲裁 冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序 从板料上冲下为所需的工件 或毛坯 的工序叫落料 在工件上冲出所需形状的孔 冲去的为废料 的 工序叫冲孔 下面就冲裁变形过程 冲裁间隙 冲裁刃口尺寸计算等问题进行分析 1 冲裁的变形过程由图一所示的冲裁变形过程 凸模与凹模组成上下刃口 材料放在凹模上 凸模逐步下降使材料产生变形 直至全部分离而 完成冲裁 整个冲裁过程材料的变形分为三个阶段 弹性变形阶段由于凸模加压 材料发生弹性压缩与弯曲 并略有挤入凹模洞口 这时材料内应力没有超过弹性极限 若卸压 材料即恢复原状 故称弹性变形阶段 塑性变形阶段凸模续续加压 材料的内应力达到屈服极限 部分金属被挤入凹模洞口 产生塑剪变形 得到光亮的剪切断面 因凸 凹模间存在间隙 故在塑剪变形的同时还伴有材料的弯曲与拉伸 外力继续增加 材料 内应力不断增大 在凸 凹模刃口处由于应力集中 内应力首先超过抗剪强度 出现微裂 断裂阶段凸模继续下压 凸 刃口处的微裂不断向 材料内部扩展 材料随即被拉断分离 得到光亮的剪切断面 上述冲裁变形过程得到的冲裁面并不是光滑垂直的 断面存在三个区域 即圆角带 光亮带 与断裂带 见图二 圆角带是在冲裁过程中塑性变形 开始时 由于金属纤维的弯曲与拉伸而形成的 软料比硬料的圆角大 光亮带是在变形过程的第二阶段金属产生塑剪变形时形成的 有光滑垂直的表面 软材料的光亮带宽 硬材料的光亮窄 断裂带是在冲裁第三阶段形成的 由于拉应力的作用 裂纹不断扩展 金属纤维被拉断 故表面粗糙不光滑 并且有斜度 在冲出孔的断面上同样具有上述特征 只是三个区域的分布位置现落料件相反 2 冲裁间隙在冲裁模中 冲裁间隙非常重要 冲裁间隙对冲件质量 其中包括切口断面质量 冲件尺寸精度 弯曲度和毛刺情况等 的影响 对模具寿命的影响 对力能消耗的影响 以及对冲裁噪音的影响等各个方面都有很大的关系 下面我们就从冲裁作用 受力状态的角度来介绍如何确定冲裁模具间隙以及冲裁间隙对冲裁质量 尺寸精度的影响以及冲裁间隙对冲裁力 脱料力及推件力的关系 凸模与凹模之间有适当的空隙 称为间隙 间隙的两种含义 单面间隙和双面间隙 如果没能特别说明 间隙是指双面间隙 常用符号 Z 表示 间隙对冲裁质量的影响从冲裁变形过程分析中知道 凸 凹模刃口处的裂纹是否重合与间隙大小有关 若间隙合理 材料分离时 在凸 凹模刃口处的两组剪裂纹重合 图三b 因而冲出的零件断 面虽具有三个特征区 见图二 但是比较平直 光洁 且无毛刺 在这种情况下零件断面质量认为是良好的 当间隙过小时则上下裂纹互不重合 相隔一定距离 图三a 材料最后分离时 断裂层出现毛刺和夹层 由于凹模刃 口的挤压作用 零件断面又出现第二个光亮带 其上部出现毛刺或锯齿状边缘 并呈倒锥形 间隙过大时裂纹也不重合 图三c 零件断面斜度增大 对于厚度则圆角带增大 对薄料则易使材料拉入间隙中 形成拉长 的毛刺 所以间隙过小与过大冲出来的零件断面质量都是不好的 间隙对冲裁件尺寸精度的影响冲裁件尺寸精度由模具制造精度和冲裁后弹性恢复量的大小两个因素决定的 在这里分析间隙对冲裁件弱性恢复量的影响 在冲裁过程中 因为存在弹性变形 当工件从凹模中推出或从凸模上卸下时 其尺寸与凹模或凸模尺寸之间存在一个偏差 这就是弹性恢复量 偏差值可能是正也可能是负 落料和冲孔弹性恢复量与间隙的关系如图四所示 当间隙小于A点的间隙值时 落料尺寸大于凹模尺寸 冲出孔的尺寸小于凸模尺寸 当间隙大于A点的间隙值时落料工件尺寸小于凹模尺寸 冲出孔尺寸大于凸模尺寸 这是因为冲裁过程中在冲裁变形区有压缩 拉伸和弯曲三种变形 当间隙较小时 压缩变形与弯曲变形量大于拉伸变形量 冲裁后弹性恢复使落料工件胀大 冲孔孔径缩小 而间隙较大时 拉伸变形量大于压缩变形量和弯曲变形量大于拉伸变形量 冲裁后弹性恢复使落料工件缩小 冲孔孔径胀大 弹性恢复量除了间隙因素外还与材料性能 工件形状尺寸等因素有关 但间隙是主要因素 3 冲裁模刃口尺寸计算 尺寸计算原则由于凸 凹模之间存在间隙 因此工件都是带有锥度的 一般来说落料工件尺寸是指大端尺寸 冲孔孔径尺寸是指小端尺寸 虽然落料件和冲孔件的尺寸与凹模或凸模尺寸之间存在偏差 但采用合理间隙 时 这个偏差会比较小 可以忽略不计 冲裁模刃口尺寸计算要区别落料和冲孔两种情况 a 落料时 先确定凹模刃口尺寸 凹模刃口尺寸取接近或等于工件的最小极限尺寸 以保证凹模磨损在一定范围内也能冲出合格的工件 凸模刃口的尺寸则按凹模刃口尺寸减去最小间隙值 b 冲孔时 先确定凸模刃口尺寸 凸模刃口尺寸取接近或等于孔的最大极限尺寸 以保证凸模磨损在一定范围内仍可使用 而凹模的尺寸则按凸模刃口尺寸加上最小间隙值 尺寸计算方法刃口尺寸计算与公差标注基本上分二类a 落料 设制件的尺寸为D 凹模尺寸D凹 D X 凹凸模尺寸D凸 D X Zmin 凸 b 冲孔 设制件的尺寸为d 凸模尺寸d凸 d X 凸凸模尺寸d凹 d X Zmin 凸 式中 D凸 D凹 分别为落料凸 凹模公称尺寸 d凸 d凹 分别为冲孔凸 凹模公称尺寸 D d 分别为落料工件或孔的公称尺寸 工件的制造公差 Zmin 最小初始间隙值 凸 凹 分别为凸 凹模的制造公差 X 磨损系数 制件精度在5级以上X 1制件精度在6 7级以上X 0 75制件精度8级以下X 0 5除以上所介绍的一般性模具间隙的取值方法外 对冲裁间隙的取值还要按质取隙 分档归类 酌情增减 合理选用 下面我们结合电机转 定子冲片来讲一下冲裁间隙与材料的关系以及冲裁间隙对模具磨损 毛刺形成所造成的影响 电机转 定子的各向异性对冲裁间隙的影响在风扇公司的电机转 定子冲片 广泛采用0 5 0 6毫米厚的SPCC牌号的冷板 一般冲裁间隙大小的确定是按冷板的厚度来确定的 也就是说 不论材质是冷轧还是热轧 是国产的还是进口的 0 5毫米的双面间隙均为0 07毫米左右 而对于材料的机械性能及其同一种材料的机械性能各向异性 对其间隙大小的选择 考虑得就不多了 如果在冲压过程中 由于间隙的选择不当或因模具刃口的磨损 使工件产生毛刺 在电机里毛刺大是不允许的 必须控制在0 05毫米以下 一般控制在0 03毫米以下 冲压毛刺大的主要原因在于材料本身的机械性能各向异性 下面就材料机械性能各向异性产生的主要原因归咎于在轧制过程中 晶格结构发生变化的结果 其机理阐述如下 钢板经过卷筒加工后 塑性和韧性有一定的下降 同时强度和硬度将有一定的上升 在材料冷轧过程中塑性变形对金属性能的主要影响是造成加工硬化 随着塑性变形程度的增加 金属的强度 硬度提高而塑性下降 塑性是金属产生塑性变形而不遭到破坏的能力 金属的塑性可用允许 最大变形程度 延伸率 断面收缩率 弯曲次数及冲击韧性等指标直接或间接表示 由于板材本身的机械性能各向异性 使模具磨损不均匀 垂直于钢板轧制方向磨损严重 刃口较其它部位过早的磨钝 对冷板的机械性能而言 抗拉强度 屈服点 延伸率等都是各向异性的 特别是延伸率和弯曲次数 沿轧制方向和垂直方向的差别很大 因此 塑性和韧性 强度和硬度都各不相同 显然在冲裁加工时冲裁间隙的选择 结合实际可有以下规律供参考 1 同一个工件周边间隙的选择 圆形的 取横向间隙值 横向间隙和纵向间隙是不一致的 即凸凹模刃口所对轧制方向和垂直于轧制方向的间隙大小选择应不相同 即 沿轧制方向由于材质硬而脆 间隙可取得大一些 垂直于轧制方向由于韧性和塑性好一些 材质较软 所以间隙要比纵 向选取择得小一些 2 同一种厚度的冷板材料 国产的和进口的 冷轧的和热轧的由于机械性能不同和机械性能的各向异性 所以间隙的选择是不相同的 具体可从金属的塑性指标延伸率的大小来确定间隙的大小 即延伸率 大的证明材质较软 间隙可选择小一些 延伸率差的材质较硬 间隙可选择的大一些 这就是我们强调的 对冲裁间隙的取值还要 按质取隙 分档归类 酌情增减 合理选用 二 典型模具结构和工艺分析1 冲裁模按结构类型可按以下几个主要特征来分类 按工序性质分类 落料模 切断模 冲孔模 切口模 切边模等 按工序的组合程度可以分为 单工序模 复合模 级进模等 按模具结构型式分 a 按上 下模的导向方式分为敞开模 导板模和导柱模 b 按凹模的位置分正装式 凹模在下模 和倒装式 凹模在上模 c 按卸料形式分为固定卸料 弹压卸料和废料切刀卸料等 d 按出料形式分为弹压顶料 刚性推料和自然漏料 以上各种冲裁模的冲压方式 可以相互组合 也可以与弯曲 拉深等工序组合 图五示为一典型的落料模 由凹模7和凸模4 完成落料工序 凸模进入材料后 被材料紧紧包住 因而凸模回升时 材料随之上升 当凸模通过板5的孔时 材料被阻止而与凸模脱离 这样的板称为卸料板 图中板5的两个孔与凸模滑配合 对凸模的运动起导向作用 所以称为导板 依靠导板引导凸模运动方向的冲模 称为导板模 凸模4与固定板3的孔紧配合 凸模上端铆开以免卸料力将其拉下 垫板2经热处理淬硬 避免凸模陷入上模座1内 用螺钉及圆销将上模座 垫板 固定板联在一起 导板 导料板 凹模用螺钉及圆销 与下模座8固定在一起 承料板10接长了凹模面 使送料平稳 材料第一次送进时 由始用挡料销9定位 第一次只冲下一个工件 以后释放手指 挡料销9外移 由钩式挡料销6定位 每次落下两个工件 三 模具设计方法和参数设计质量的好坏直接影响模具质量的好坏 在具备了一定的模具基础知识以后 如何才能设计好一付模具 须做到如下几点 1 根据加工对象 技术要求 使用条件及生产批量等用最经济的工艺方法加工出 合格的产品零件 在单件或小批生产中应使用成本低结构简单的模具 而大批生产时就要考虑用生产效率高的但结构较复杂的模具 2 了解使用设备性能及有关技术数据 这是设计模具必不可少的工作 决不能只仿照别人结构或典型结构 而不甚了解所使用设备和模具之间的相互制约关系 这会造成成使用中的不便 严重的还会造成无法使用 如冲模的闭合高度超过所使用冲床的最大闭合高度就会造成装不进去而不能使用 3 经济分析模具的简繁和精度的高低与成本是直接相关的 工装越复杂 精度越高 模具成本就越高 但生产效率也越高 作为模具设计人员必须具有经济观点 因为采用了复杂模具或提高了模具寿命所多耗费的钱必须在降低了生为工 时费和一定数量的产品的条件下才能到补偿 到临界点之后才能见到效益 这就是大批量生产的自动化生产的自动化程度高于小批量生产水平的原因所在 所以说批量大小是选用模具结构简单或复杂的重要依据 4 结构设计结构设计是在上述工作之后进行的 因这样基本上就可订出框框了 在结构设计中要做好以下几项工作 a 安装方式安装方式必须与使用设备匹配 b 送料 装工件 卸料的方式必须送取方便 排除废料容易 c 模具制造精度必须满足零件精度要求 但如果要求不高的零件仍要用高精度的模具来保证 但如果要求不高的零件仍要用高精度的模具来加工 这也是一种浪费 一个好的设计人员必须具备经济观点 使设计出的结构既先进又经济 d 要考虑维修方便对易损件要有所估计 易损部位最好采用镶拼结构 以便拆换方便 尤其大型模具更应如此 e 安全可靠 冲模的送料取件 自动冲 模的传送必须慎重考虑 f 尽量采用标准化结构和标准零件 对加工就带来很大的方便 g 结构的工艺性 模具