冲压工艺学第二章.ppt

第二章冲裁 冲裁是利用冲模使板料产生分离的一种冲压工序 它包括落料 冲孔 切口 剖切 修边等 主要指落料 冲孔 落料 是指从板料冲下所需形状的零件 毛坯 制取一定外形的冲落部分 冲孔 在工件上冲出所需形状的孔 冲去的为废料 制取内孔 第二章冲裁 2 1冲裁变形过程分析 冲裁是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 图2 1所示为冲裁加工示意图 由图可见 冲裁加工必须使用模具 图中1为凸模 2为凹模 凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓形状与工件形状对应 并有锋利的刃口 凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模 其差值称为冲裁间隙 图2 1冲裁加工示意图1 凸模 2 凹模 第二章冲裁 冲裁过程变形机理分析1 受力情况分析Fp1 Fp2 凸 凹模对板料的垂直作用力 F1 F2 凸 凹模对板料的侧压力 Fp1 Fp2 凸 凹模端面与板料间的摩擦力 其方向与间隙大小有关 一般从模具刃口指向外 F1 F2 凸 凹模侧面与板料间的摩擦力 由于M使板料弯曲并从模具表面上翘起 使模具表面和板料的接触面仅限在刃口附近的狭小区域 其接触面宽度约为板厚的0 2 0 4 接触面间相互作用的垂直压力并不均匀 随着向模具刃口的逼近而急剧增大 第二章冲裁 剪切区的应力状态分析 A点 凸模下压引起轴向拉应力 3 板料弯曲与凸模侧压力引起径向压应力 1 切向应力 2为板料弯曲引起的压应力与侧压力引起的拉应力的合成应力B点 凸模下压与板料弯曲引起的三向压缩应力 C点 沿纤维方向为拉应力 1 垂直于纤维方向为压应力 3 D点 凹模挤压板料产生轴向压应力 3 板料弯曲引起径向拉引力 1和切向拉应力 2 E点 凸模下压引起轴向拉应力 3 板料弯曲引起拉应力与凹模侧压力引起的压应力合成产生应力 1与 2 该合成应力可能为拉应力 可能为压应力 第二章冲裁 2 变形过程模具间隙正常时 金属材料的冲裁过程可分四个阶段 弹性变形阶段 板料产生弹性压缩 弯曲和拉伸等变形 塑性变形阶段 板料的应力达到屈服极限 板料开始产生塑性剪切变形 萌生裂纹阶段 当切刃附近材料各层中达到极限应变与应力值时 产生微裂纹 断裂分离阶段 已成形裂纹沿最大剪应变速度方向向材料内延伸 呈楔形状发展 第二章冲裁 分离过程的四个阶段 使冲裁件断面明显分为四个部分 a 塌角 b 光亮带 c 剪裂带 d 毛刺 第二章冲裁 2 2模具间隙模具间隙是指 凸凹模刃口间缝隙的距离 用符号c表示 称为单面间隙 而双面间隙用Z表示 间隙对冲裁件的质量 冲裁力 模具寿命的影响很大 影响冲裁件质量的因素有 1 凸凹模间隙大小及分布的均匀性 模具刃口尺寸状态 2 模具结构与制造精度 材料性质等 间隙值大小与均匀程度起主要因素 第二章冲裁 1 间隙对冲裁件质量的影响主要影响因素 1 间隙对切断面质量的影响 间隙过小 将产生二次剪切 出现挤长毛刺 制件中部留有撕裂带 制件穹弯小 断面垂直 第二章冲裁 间隙过大 材料弯曲与拉伸增大 拉应力增大 材料易被撕裂 塌角 圆角带 与撕裂斜度都增大 毛刺大而厚 间隙适中 制件断面有一定斜度 比较平直 光洁 毛刺很小 且冲裁力小 2 间隙对尺寸精度的影响间隙过大时 材料所受拉伸作用增加 冲裁后使落料尺寸小于凹模尺寸 冲孔孔径大于凸模直径 间隙过小时 挤压力增大 冲裁后使落料件尺寸增大 冲孔孔径变小 3 间隙对冲裁力的影响当间隙小于或大于合理间隙时 冲裁力F 上 下模裂纹不重合 剪切力冲阶段性下降 4 间隙对模具寿命的影响 提高模具寿命一般采用较大的模具间隙 若采用较小间隙 就必须提高模具的硬度与模具制造光洁度 精度 改善润滑条件 以减少磨损 第二章冲裁 在长期的研究中发现影响的规律各不相同 能同时满足冲裁件断面质量最佳 尺寸精度最高 寿命最长 冲裁力最小等各方面要求 在实际生产中 间隙的选用主要考虑降低冲裁力和模具寿命这两个主要因素 它与生产成本和产品质量密切相关 因此 并不存在一个绝对合理的间隙值 只能给出一个合理的间隙范围供选择 2 合理间隙的确定方法 1 理论确定法 第二章冲裁 2 经验确定法 一般情况采用双面间隙 第二章冲裁 表2 2冲裁模合理间隙值 经验值 第三章冲裁 I II III分指冲裁件断面质量 尺寸精度要求级别高 中 低 第二章冲裁 凸模和凹模的制造公差 主要与冲裁件的精度和形状有关 一般比冲裁件的精度高2 3级 如果对刃口精度要求过高 势必增加模具制造成本和难度 生产周期长 如果对刃口精度要求过低 冲制的零件不合格 其零件精度与模具制造精度的关系如下表2 3所示 如零件仅为名义尺寸 即未标注公差 对非圆形件按国家标准IT14处理 而冲模制造公差可按IT11级选取 对于圆形件 一般可按IT6 IT7精度制造模具 表2 3冲模制造精度与冲裁件尺寸精度之间的关系 第二章冲裁 表2 4非金属材料冲裁模初始双面间隙 第二章冲裁 3合理间隙的选择原则生产实践证明 冲裁间隙取小值时 冲裁件的断面质量较好 间隙过小会增大冲裁力和退料力 降低模具使用寿命 因此 在选择冲裁间隙时 应综合考虑各方面因素 1 当冲裁件断面质量要求不高时 在合理的间隙范围内 应尽量取较大的间隙 从而有利于延长模具寿命 降低冲裁力 推件力 卸料力 2 当冲裁件质量要求高时 在合理间隙范围内 应尽量取较小值 这样尽管模具寿命有所降低 但保证了零件的冲裁质量 在设计冲模时 一般取Zmin作为初始间隙 主要是考虑模具工作一段时间之后 要进行刃磨 修磨后会使间隙增大 使Zmin向Zmax过渡 所以 为了使模具能在较长时间内冲制出合格的零件 提高模具的利用率 降低生产成本 一般设计模具时取Zmin作为初始间隙 第二章冲裁 2 3凸凹模刃口尺寸确定与计算 凸凹模刃口尺寸精度是影响冲裁件尺寸精度的首要因素 必须考虑到光亮带尺寸决定制件尺寸和模具在使用中的磨损 1 决定模具刃口尺寸及制造公差应遵循的依据和原则1 冲孔件尺寸决定于凸模尺寸 设计冲孔模时应以凸模为基准 间隙取在凹模上 2 落料件尺寸决定于凹模尺寸 设计落料模时应以凹模为基准 间隙取在凸模上 3 考虑到冲模的磨损 落料凹模刃口尺寸应靠近落料件公差范围内的最小尺寸 冲孔凸模刃口尺寸应靠近孔的公差范围内的最大尺寸 4 凸凹模间隙取最小合理间隙 第二章冲裁 式中 p d 分别为凸 凹模制造公差 mm Zmax Zmin 最大 最小合理间隙值 mm 可查表 当凸模与凹模分开加工时 其公差应保证有如下关系 或 或 第二章冲裁 2 凸凹模刃口尺寸计算方法1 分开加工 分别标注凸凹模刃口尺寸及公差 适于圆形及简单形状 落料凹模 冲孔凹模 冲孔件尺寸d 若落料件尺寸D 则 落料凸模 冲孔凸模 第二章冲裁 在同一工步中冲出制件两个以上孔时 凹模型孔中心距Ld按下式确定 Dp Dd 分别为落料凸模和凹模尺寸 mm dp dd 分别为冲孔凸模和凹模尺寸 mm 工件的制造公差 mm D d 分别为落料件的基本尺寸和工件孔的基本尺寸 mm Zmin 最小合理间隙 双面 mm p d 分别为凸模和凹模的制造公差 mm x 磨损系数 与制造精度有关 可从表2 4中选取 表2 5规则形状 圆形 矩形 冲裁模凸 凹模制造公差mm 第二章冲裁 表2 6磨损系数x 第二章冲裁 例题 加工一批垫圈 材料为Q235A钢 分别计算落料和冲孔的凸 凹模刃口部分尺寸 垫圈零件尺寸如图2 6所示 解 落料的凸模 凹模刃口尺寸 凹模刃口尺寸 凸模刃口尺寸 查表2 2 表2 5 表2 7得 图2 6垫圈 x 0 5 冲孔凸模 凹模刃口尺寸 第二章冲裁 能满足 的条件 将已查得的数据代入计算式 即得 冲孔凸模 凹模刃口尺寸 第二章冲裁 2 凸模与凹模配合加工凸模与凹模配合加工一般工厂的做法是 先根据冲裁件尺寸和公差加工凸 凹模中的一件 落料时先加工凹模 冲孔时先加工凸模 再以该件为基准件配加工另一件 使他们之间保证图纸规定的合理间隙 采用此法 凸 凹模的制造公差不再受限制 一般按经验选取 常取工件公差的四分之一 这种方法的优点是容易保证凸 凹模之间的间隙 同时又可放大模具的制造公差 降低模具制造成本 因此在许多工厂得到广泛应用 优点 不仅容易保证凸 凹模间隙很小 而且制造还可以放大基准件的制造公差 使制造容易 适用于 异形或复杂刃口 设计时 基准件的刃口尺寸及制造公差应详细标注 非基准件上只标注公称尺寸 但在图样上注明 凸 凹 模刃口按凹 凸 模实际刃口尺寸配作 保证最小双面合理间隙值 第二章冲裁 1 落料落料时应以凹模为基准来配作凸模 并按凹模磨损后尺寸变大 变小 不变的规律分三种情形进行计算 第一种 凹模磨损后变大的尺寸 如图2 7 b 中A1d A2d A3d A4d 这些尺寸按一般落料模尺寸计算公式进行计算 即 图2 7 a 为冲裁件图 图2 7 b 为冲制该零件的凹模图 第二章冲裁 a 冲裁件图 b 凹模图2 7落料时的冲裁件与凹模 第二章冲裁 第二种 凹模磨损后变小的尺寸 如图2 7 b 中B1d B2d 按一般冲孔凸模尺寸计算公式进行计算 即 第三种 凹模磨损后没有变化的尺寸 如图2 7 b 中 可分为三种情形 当冲裁件尺寸标注为C 时 冲裁件孔尺寸标注为C 时 第二章冲裁 冲裁件孔尺寸标注为C 时 以上各式中的符号含义如下 Ap Bp Cp 凹模尺寸 mm A B C 相对应的冲裁件基本尺寸 mm 冲裁件的公差 mm 冲裁件偏差 对称偏差时 4 mm p 凹模制造偏差 mm 当标注形式为 p或 p时 根据经验一般取 4 按上述方法设计制造出凸模 凹模按其尺寸配作 保证最小间隙 在凹模零件图技术要求中注明即可 第二章冲裁 2 4冲裁力的计算及降低冲裁力的方法 1 冲裁力的计算冲裁力是指冲裁时 板料对凸模的最大抵抗力 目的是合理地选用冲压设备 设计模具和校核模具强度的重要依据 冲裁力的大小主要与材料的力学性能 厚度和工件将要实施冲裁的周边长度有关 采用平刃冲裁时 其冲裁力可按下式计算 平刃冲模的冲裁力 式中 k 系数 一般取k 1 3 L 冲裁件的冲裁周长 mm t 板料厚度 mm 材料抗剪强度 MPa b 为材料的抗拉强度 MPa 第二章冲裁 冲裁功平刃冲裁时 冲裁功 在选用压力机时 必须满足W W冲 W 压力机所规定的每次行程总功 第二章冲裁 第二章冲裁 2 降低冲裁力的方法1 材料加热红冲材料在加热状态下剪切强度大大下降 因而可以降低冲裁力 但材料加热后会产生氧化皮 还会产生变形 故此法只适用于厚板或工件表面质量及尺寸精度要求不高的工件 表2 6钢在加热状态的抗剪强度 MPa 第二章冲裁 2 多凸模阶梯布置在多凸模的冲裁中 将凸模做成不同长度 呈阶梯布置 可使各个凸模冲裁力的最大值不同时出现 从而降低了总的冲裁力 凸模间的高度差按材料厚度确定 t 3mm h t t 3mm h 0 5t采用阶梯布置凸模时 应尽可能对称布置 同时应把小凸模做得短一些 大凸模做得长一些 这样可以避免小凸模由于材料流动的侧压力而产生倾斜或折断的现象 第二章冲裁 a b c 斜刃落料 d e f 斜刃冲孔 3 斜刃冲裁平刃口冲裁时 整个刃口平面同时接触板料 而斜刃口冲裁时 由于刃口是倾斜的 冲裁时刃口不是同时切入 而是逐步冲切材料 这样相当于减小了冲切断面积 因而降低冲裁力 采用斜刃口冲裁时 为了获得平整的工件 落料时凸模应做成平刃口 把斜刃做在凹模上 如图2 10 a b c 冲孔时应把凹模做成平刃口 把斜刃做在凸模上 如图2 10 d e f 第二章冲裁 表2 7斜刃参数 第二章冲裁 3 卸料力 推料力 顶件力卸料力 从凸模将零件或废料卸下的力推件力 从凹模内顺冲裁方向将零件或废料推出的力顶件力 从凹模内逆冲裁方向将零件或废料推出的力为系数 可查表 n为卡在凹模中工件或废料数 第二章冲裁 在选择压力机吨位时 总的冲裁力计算 不能将几个力简单相加 而要根据所设计模具的具体结构和采用的卸料与出件方式决定 计算总冲裁力时区别对待 采用弹性卸料和上出件方式时 总冲裁力为 F总 F F顶 F卸采用弹性卸料和下出件方式时 总冲裁力为 F总 F F推 F卸采用刚性卸料和下出件方式时 总冲裁力为 F总 F F推 第二章冲裁 2 5工件的排样与搭边排样冲裁件在板料或调料上的布置方式 称为冲裁件的排样 简称排样 排样的目的在于减少材料的消耗 降低零件成本 提高生产率 延长模具寿命 1材料的利用率对冲裁件来说 一般材料占零件总成本60 以上 可见材料利用率是一个重要的经济指标 所谓材料利用率是指冲裁件的实际面积与所用板料面积的百分比 是具体衡量排样合理性的指标 第二章冲裁 1 冲裁单个零件时 可用以下公式计算 式中 材料利用率 A0 冲裁件的实际面积 mm2 A 冲裁该工件所需板料面积 mm2 2 采用条料冲裁多个零件的材料利用率 可按下式计算 式中 材料利用率 A0 单只冲裁件的实际面积 mm2 n 该条料上所能冲制出的冲裁件个数 L 条料 带料或板料 的长度 mm B 条料 带料或板料 的宽度 mm 值越大 说明废料越少 材料利用率越高 第二章冲裁 2常见的排样方式 1 有废料排样如图2 12 a 所示 沿工件外形冲裁 工件周边都留有搭边 可利用搭边补偿误差 因而能保证冲裁件的精度和质量 冲裁模的寿命也较高 缺点是材料利用率低 零件成本高 2 少废料排样如图2 12 b 所示 沿工件部分外形冲裁 仅在局部留有搭边和余料 3 无废料排样如图2 12 c 所示 沿工件外形冲裁 无搭边和工艺废料 第二章冲裁 a 有废料排样 b 少废料排样 c 无废料排样图2 12三类排样方式 第二章冲裁 采用少 无废料排样 可使材料利用率提高到75 95 对节省材料有极其重大的意义 同时 因冲裁周边减小 可降低冲裁力并简化冲模结构 但少无废料冲裁也存在一些缺点 由于条料自身的公差和条料导向与定位所产生误差的影响 冲裁件所能达到的精度和质量都较差 同时模具的寿命也低 冲裁件的断面质量差 无论是有废料 少废料和无废料排样中 其排样型式一般分为直排 斜排 直对排 斜对排 混合排和多行排等 如表2 9 第二章冲裁 第二章冲裁 3搭边排样时 工件之间以及工件与条料侧边之间留下的余料叫搭边 搭边的作用主要是补偿定位误差 保证冲出合格的零件 搭边还可以保证条料有一定刚度 利于送料 搭边值需要合理确定 搭边值过大 则材料利用率降低 增加零件成本 浪费材料 搭边值过小 在冲裁中会将材料拉断 使零件产生毛刺 严重时会将拉断的材料挤入凸模与凹模间隙之中 损坏模具刃口 降低模具寿命 搭边值的大小与下列因素有关 1 材料的力学性能硬材料的搭边值可小一些 软材料 脆性材料的搭边值要大一些 2 零件的形状与尺寸冲裁件的尺寸大小或有尖凸的复杂形状 搭边值要取大一些 3 材料厚度材料越厚所取的搭边值相应大些 4 送料方式与挡料方式手工送料 有