冲压模具设计与制造

工艺中常用材料 冷冲压工艺适用于多种金属材料及非金属材料 一般说来 金属材料既适合于分离工序 也适合于塑性成形工序 而非金属材料一般仅适合于分离工序 常用金属冲压材料以板料和带料为主 棒料一般仅适用于挤压 切断 成形等工序 冲压工艺对材料的要求 选择冲压用材料时 首先应满足冲压件的使用要求 一般来说 对于机器上的主要冲压件 要求材料具有较高的强度和刚度 电机电器上的某些冲压件 要求有较高的导电性和导磁性 汽车 飞机上的冲压件 要求有足够的强度 并尽可能减轻质量 化工容器要求耐腐蚀等 同时 还应满足冲压工艺对材料的要求 以保证冲压过程顺利完成 即 应具有良好的塑性和表面质量 以及板料厚度公差应符合标准规定等 冷冲压用钢大多为板材 它与易切削钢一样 都是着重要求工艺性能的钢类 由于冲压工艺使材料利用率高 工艺流程简便 便于组织流水作业 能冲制出形状复杂 互换性好的零件 冲压工艺对材料的要求 1 首先要满足冲压件的使用要求 强度 刚度 导电性 导热性 重要性 耐腐蚀等 2 满足冲压工艺条件应具有良好的塑性和表面质量 板料的厚度 新型冲压材料 1 高强度钢板 2 表面处理钢板 3 叠层复合板 常用钢材的种类 代号及说明 SPCC S steel 钢 P plate 板 C clod 冷 C commercial 压延 冷间压延钢板SPCD S steel 钢 P plate 板 C clod 冷 D deepdrawn冷间压延拉伸钢板SPCE S steel 钢 P plate 板 C clod 冷 E deepdrawnextra冷间压延深深拉钢板SECC S steel 钢 E electrolytic 电镀 C clodC commercial冷间压延电镀钢板SECD S steel 钢 E electrolytic 电镀 C clodD deepdrawn冷间压延深拉电镀钢板SECE S steel 钢 E electrolytic 电镀 C clodE deepdrawnextra冷间压延深深拉电镀钢板 SECC K2 K2为神户制钢所对表面耐指纹电镀锌钢板的行业标准代号之表示 其表面涂为有机涂层 SECC KS KS则表示表面涂层为无机涂层 SECC CS CS为新日本制铁行业标准代号之UF处理钢板 耐指纹 的一种 UF处理钢板分为三种 EGC CZ有机被膜0 5 mEGC CF有机被膜1 0 mEGC CS有机被膜0 7 m SEHC 热轧镀锌钢板及钢带SEHD 热轧镀锌深拉钢板及钢带SEHE 热轧镀锌深深拉钢板及钢带SGCC 冷轧涂镀锌钢板及钢带SGCH 冷轧涂镀锌冷硬钢板及钢带SGCD 冷轧涂镀锌深拉钢板及钢带SGHC 热轧涂镀锌钢板及钢带CGCC 冷轧涂彩锌钢板及钢带CGCD 冷轧涂彩锌冷硬钢板及钢带CGCH 冷轧涂彩锌冷硬钢板及钢带 新推出的新型材料 环保材料 与旧材料有以下区别 环保材料 又称无铬电镀钢板 只对表面有做处理的材料而言 而冷轧钢板作为所有钢板材料后处理的基板无需进行表面处理 目前推出的环保材料暂时只有电镀锌钢板一种类型 如下 新日本制铁材料 代号为 EGC QS 一般环保电镀锌钢板 EGC QZ 是特别为理光公司商定的环保镀锌钢板环保电镀锌钢板包括有机被膜 镀锌层 铁基板 普通镀锌钢板包括有机被膜 镀锌层 铁基板 铬酸盐涂层 常用钢的种类 常用五金材料的代号 1 铜料 CU2 铁料 FE3 铝料 AL4 不锈钢料 SUS301 304 5 单光铁料 SPCC 热扎板 6 电解板 SECC 冷扎板 7 镀锌铁板 SGCC8 黄铜 BRASS9 青铜 BRONZE 常用表面处理工艺价格如下 1 电铜镍 10元 kg2 电彩锌 3 5元 kg3 电镍 10元 kg4 电锡 18元 kg5 电金 滚电 650元 kg或0 7元 PCS 最低消费 6 渗碳 16元 kg7 热处理最低消费 6 7kg 12元 kg 8 電腦雕字最低消费 120元或10元 字9 电火花最低消费 150元 模具材料的选择 一 满足工作条件要求1 耐磨性2 强韧性3 疲劳断裂性能4 高温性能5 耐蚀性 模具材料的选择 二 满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造 切削加工 热处理等几道工序 为保证模具的制造质量 降低生产成本 其材料应具有良好的可锻性 切削加工性 淬硬性 淬透性及可磨削性 还应具有小的氧化 脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向 模具材料的选择 三 满足经济性要求在给模具选材是 必须考虑经济性这一原则 尽可能地降低制造成本 因此 在满足使用性能的前提下 首先选用价格较低的 能用碳钢就不用合金钢 能用国产材料就不用进口材料 另外 在选材时还应考虑市场的生产和供应情况 所选钢种应尽量少而集中 易购买 模具材料常见的缺陷 1 非金属夹杂物在炼钢过程中 少量炉渣 耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液 形成非金属夹杂物 它们都会降低钢的机械性能 特别是降低塑性 韧性及疲劳极限 严重时 还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断 模具材料常见的缺陷 1 非金属夹杂物常见的内在非金属夹杂物有以下几种 a 氧化物 常见的为Al2O3 b 硫化物 如FeS MnS MnS FeS 等 c 硅酸盐 如硅酸亚铁 2FeO SiO2 硅酸亚锰 2MnO SiO2 铁锰硅酸盐 mFeO MnO SiO2 等 d 氮化物 如TiN ZrN等 点状不变形夹杂物等 模具材料常见的缺陷 2 碳化物偏析某些合金元素 如铬 比基体更容易和碳结合 使得碳在基体中的分布出现不均匀现象 富集于碳化物形成元素的分布地带 或者是富集于某些特殊地带 如晶界等 模具材料常见的缺陷 3 中心疏松 多指材料在浇铸是冷却速度较快 中心充液不充分造成 4 白点 钢材中的白点拽在钢的纵断面上呈光滑的银白色斑点 在酸洗后的横断面上则呈较多的发丝状裂纹 白点使钢的伸长率显著下降 尤其是断面收缩率和冲击韧性降低的更多 因此存在白点的钢是不能使用的 模具制造方面的质量问题 锻造工艺的影响如果锻造工艺不合理 会降低钢材的性能 造成锻造缺陷 形成导致模具早期失效的隐患 常见的锻件表面缺陷有裂纹 折叠 凹坑等 内部缺陷有组织偏析 流线分布不合理 疏松 过热 过烧等 模具加工方式产生的缺陷 电火花加工应用电火花工艺加工模具时 放电区的电流密度很大 产生大量的热 模具被加工区域的温度高达10000 左右 由于温度高 热影响区的金相组织必将发生变化 模具表层由于高温而发生熔化 然后急冷 很快凝固 形成再凝固层 在显微镜下可看到 再凝固层呈白亮色 内部有较多显微裂纹 模具加工方式产生的缺陷 磨削加工模具在淬火 回火后一般要进行磨削加工 以降低表面粗糙度值 由于磨削加工中可能存在的问题而导致模具寿命降低 这一点常常被人们忽视 模具加工方式产生的缺陷 磨削速度太快可能引起模具局部烧伤 使用钝的或重载磨轮 使用粒度过细的砂轮或冷却剂的选择不当 还可能产生磨削裂纹 它比较细小紧密 肉眼难以观察到 须用磁粉探伤才能检验出来 轻微的裂纹倾向于形成垂直磨削方向的平行线 严重的裂纹倾向于形成网状花样的 龟裂 具有磨削过烧或磨削裂纹的模具 疲劳强度较低 模具热处理产生缺陷 1 模具表面有软点模具热处理后表面有软点 将影响模具的耐磨性 减少模具的使用寿命 1 产生原因1 模具在热处理前表面有氧化皮 锈斑及局部脱碳 2 模具淬火加热后 冷却淬火介质选择不当 淬火介质中杂质过多或老化 2 预防措施1 模具热处理前应去除氧化皮 锈斑 在淬火加热时适当保护模具表面 应尽量采用真空电炉 盐浴炉和保护气氛炉中加热 2 模具淬火加热后冷却时 应选择合适的冷却介质 对长期使用的冷却介质要经常进行过滤 或定期更换 模具热处理产生缺陷 2 模具热处理前组织不佳模具最终球化组织粗大不均 球化不完善 组织有网状 带状和链状碳化物 这将使模具在淬火后易产生裂纹 造成模具报废 1 产生原因1 模具钢材料原始组织存在严重碳化物偏析 2 锻造工艺不佳 如锻造加热温度过高 变形量小 停锻温度高 锻后冷却速度缓慢等 使锻造组织粗大并有网状 带状及链状碳化物存在 使球化退火时难以消除 3 球化退火工艺不佳 如退火温度过高或过低 等温退火时间短等 可造成球化退火组织不均或球化不良 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 一般应根据模具的工作条件 生产批量及材料本身的强韧化性能 尽量选择品质好的模具钢材料 2 改进锻造工艺或采用正火预备热处理 来消除原材料中网状和链状碳化物及碳化物的不均匀性 3 对无法进行锻造的碳化物偏析严重的高碳模具钢可进行固溶细化热处理 4 对锻造后的模坯制定正确的球化退火工艺规范 可采用调质热处理和快速匀细球化退火工 5 合理装炉 保证炉内模坯温度的均匀性 模具热处理产生缺陷 3 模具产生淬火裂纹模具在淬火后产生裂纹是模具热处理过程中的最大缺陷 将使加工好的模具报废 使生产和经济造成很大损失 模具热处理产生缺陷 1 产生的原因1 模具材料存在严重的网状碳化物偏析 2 模具中存在有机械加工或冷塑变形应力 3 模具热处理操作不当 加热或冷却过快 淬火冷却介质选择不当 冷却温度过低 冷却时间过长等 4 模具形状复杂 厚薄不均 带尖角和螺纹孔等 使热应力和组织应力过大 5 模具淬火加热温度过高产生过热或过烧 6 模具淬火后回火不及时或回火保温时间不足 7 模具返修淬火加热时 未经中间退火而再次加热淬火 8 模具热处理的 磨削工艺不当 9 模具热处理后电火花加工时 硬化层中存在有高的拉伸应力和显微裂纹 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 严格控制模具原材料的内在质量2 改进锻造和球化退火工艺 消除网状 带状 链状碳化物 改善球化组织的均匀性 3 在机械加工后或冷塑变形后的模具应进行去应力退火 600 后再进行加热淬火 4 对形状复杂的模具应采用石棉堵塞螺纹孔 包扎危险截面和薄壁处 并采用分级淬火或等温淬火 5 返修或翻新模具时需进行退火或高温回火 6 模具在淬火加热时应采取预热 冷却时采取预冷措施 并选择合适淬火介质 7 应严格控制淬火加热温度和时间 防止模具过热和过烧 8 模具淬火后应及时回火 保温时间要充分 高合金复杂模具应回火2 3次 9 选择正确的磨削工艺和合适的砂轮 10 改进模具电火花加工工艺 并进行去应力回火 模具热处理产生缺陷 4 模具淬火后组织粗大模具淬火后组织粗大 将严重影响模具的力学性能 使用时将会使模具产生断裂 严重影响模具的使用寿命 模具热处理产生缺陷 1 产生的原因1 模具钢材混淆 实际钢材淬火温度远低于要求模具材料的淬火温度 如把GCr15钢当成3Cr2W8V钢 2 模具钢淬火前未进行正确的球化处理工艺 球化组织不良 3 模具淬火加热温度过高或保温时间过长 4 模具在炉中放置位置不当 在靠近电极或加热元件区易产生过热 5 对截面变化较大的模具 淬火加热工艺参数选择不当 在薄截面和尖角处产生过热 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 钢材入库前应严格进行检验 严防钢材混淆乱放 2 模具淬火前应进行正确的锻造和球化退火 以确保良好的球化组织 3 正确制定模具淬火加热工艺规范 严格控制淬火加热温度和保温时间 4 定期检测和校正测温仪表 保证仪表正常工作 5 模具在炉中加热时应与电极或加热元件保持适当的距离 模具热处理产生缺陷 5 模具硬度低或不均匀模具热处理后硬度偏低或硬度不均匀将使模具耐磨性降低 使模具早期失效 严重影响模具的使用寿命 模具热处理产生缺陷 1 产生的原因1 大型模具选用了淬透性低的钢种 2 模具钢材原始组织中碳化物偏析严重 3 模具锻造工艺不正确 锻后未进行很好的球化 使模具钢球化组织不良 4 模具表面残留有退火脱碳层或淬火加热时产生脱碳层 5 模具淬火温度过高 淬火后残留奥氏体量过多 或淬火温度过低 使模具钢相变不完全 6 模具淬火加热后冷却速度慢 分级 等温过高或时间过长 冷却介质选择不当 7 淬火介质中含杂质过多或老化 8 模具淬火冷却后出淬火介质时温度过高 冷却不足 9 回火不充分及回火温度过高 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 正确选用模具钢种 大型模具应选用淬透性高的高合金模具钢 2 选择合理的锻造工艺和球化退火工艺 保证有良好的预备热处理组织 3 模具热处理前应彻底消除模具表面的锈斑和氧化皮 并注意加热时的保护 在有条件的情况下尽量采用真空加热或保护气氛加热 盐浴加热时应进行良好的脱碳处理 4 正确制定模具淬火回火工艺规格 回火要充分 5 应选用合适的冷却介质和冷却方式 6 要严格控制碱浴水分含量 对长期使用的淬火油要经常进行过滤及定期更换 7 对硬度要求高的模具可采用深冷处理 8 为了提高模具的硬度和使用寿命 对淬火后的模具可进行表面强化处理 如渗氮或氮碳共渗热处理等 模具热处理产生缺陷 6 模具表面脱碳模具在热处理时由于保护不良 模具表面脱碳 使模具淬火后的硬度大大降低 严重影响模具的使用寿命 1 产生的原因1 模具在箱式或井式电阻炉中加热时 模具表面产生脱碳 2 在盐浴炉加热时 盐浴老化 未能很好地进行脱氧处理 3 模具的工 夹具向盐浴中带进铁锈 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 模具在空气电炉中加热时 要采用保护气氛或保护措施 如涂料保护等 2 盐浴加热时 盐的质量必须符合标准的要求 并经300 500 2 4h的烘干脱水处理 3 盐浴应定期脱氧 严格控制盐浴中的氧化物含量 并定期清除炉渣 以免盐浴中氧化物增长过快 4 在有条件的情况下 应尽量采用真空加热 模具热处理产生缺陷 7 模具腐蚀模具在盐浴加热时 由于盐浴中氧化物的腐蚀 使模具表面质量较差 另外空气中加热时间的氧化 脱碳和硝盐中的分级淬火和等温淬火时也会对模具产生腐蚀 如不能时清除 将严重影响模具表面的硬度和使用性能 降低模具的使用寿命 模具热处理产生缺陷 1 产生的原因1 在空气炉中加热模具表面保护不良 2 在盐浴炉中碳酸盐或硫酸盐的含量过高 3 盐浴中脱氧不良 4 模具和夹具向盐浴炉中带进氧化物 5 模具在400 500 的硝盐中分级冷却时 所产生的氧化腐蚀 模具热处理产生缺陷 2 预防措施1 在有条件的情况下尽量采取真空加热 在空气炉中加热时应采用保护气氛或保护措施 2 应严格控制盐浴中碳酸盐的含量 不用黄血盐作高温盐浴脱氧剂 加活性碳除硫酸盐 并严格进行脱氧 3 模具和夹具在盐浴加热前应清理表面 避免向盐浴中带入氧化物 4 用硝酸盐分级冷却时 应定期检查硝盐成分 硝酸盐使用温度应低于500 5 模具淬火 回火后应及时清除模具表面残盐 模具热处理产生缺陷 改进工艺减少模具热处理缺陷的产生模具在热处理过程中产生的一些缺陷 如模具的变形与开裂 硬度偏低或不均匀 模具内部组织粗大 不佳 模具表面脱碳 腐蚀 有软点等缺陷 其产生的原因是复杂的 但是只要掌握其产生的原因 采取相应措施 模具热处理缺陷是能够减少的 也是能够控制的 一般来说对模具主要热处理缺陷可采取以下措施来预防 1 合理选材 对大型复杂模具应选材质好 淬透性好模具钢 对碳化物偏析严重的模具钢应进行合理锻造并进行调质热处理 对较大和无法锻造的模具钢可进行固溶双细化热处理 2 模具结构设计要合理 形状要对称 厚薄不要太悬殊 螺纹孔要设置合理 对有脱碳的模具在热处理前进行切除 模具在淬火加热前对其表面的锈斑要清除干净 模具热处理产生缺陷 3 对要求较高的模具要进行预备热处理 消除机械加工过程中产生的残留应力 4 模具应尽量采用真空加热 采用空气电阻炉中加热时应采取保护气氛或保护措施 在采用盐浴炉加热时应严格控制盐浴成分并定期脱氧捞渣 盐浴加热冷却后应及时清除模具表面的协渣 5 合理选择加热温度 控制加热速度和保温时间 并定期检查炉温仪表 6 在保证模具硬度的前提下 要尽量选择冷却性能合适的淬火介质 尽量选用预冷 分级冷却淬火或等温淬火工艺 模具热处理产生缺陷 7 根据模具的形状和大小要采取正确的装炉方法 如装炉方式和装炉位置 尽量避免模具靠近电阻丝和盐炉电极 和正确冷却操作方法 可有效减少热处理缺陷的产生 8 模具淬火后应及时进行回火 回火要充分 以上这些措施可有效地减少模具热处理缺陷的产生 提高模具的使用寿命 模具零件材料的选用 1 常用模具钢材 2 硬质合金 3 新型冷冲模具钢 第二节冲压设备及选用 机械压力机 以Jxx表示其型号 一 常见冲压设备 第一章冲压模具设计与制造基础 液压机 以Yxx表示其型号 摩擦压力机 曲柄压力机 数控冲床 油压机 水压机 工作原理与特点 如表1 2 1所示 1 6冲压设备1 6 1压力机的分类和型号例如 JA3I 160A曲轴压力机型号的意义是 J 第一类机械压力机A 参数与基本型号不同的第一种变型3 第三列1 第一组160 公称吨位为160tA 结构和性能对原形作了第一次改进 1 6 2压力机的特点与选用 1 设备类型的选择1 根据冲压件大小选择2 根据冲压件的生产批量选择3 考虑设备的精度与刚度4 考虑生产现场的实际可能5 考虑技术上的先进性 2 设备规格的选择设备规格的选择应根据冲压件的形状大小 模具尺寸及工艺变形力等进行 选择设备规格时主要应考虑以下几方面 1 行程 保证坯料的方便放进与零件的方便取出2 装配模具的相关尺寸压力机的工作台面尺寸应大于模具的平面尺寸 还应有模具安装与固定的余地 工作台面中间孔的尺寸要保证漏料或顺利安装模具顶出料装置 模具上模柄尺寸应与压力机滑块上模柄孔尺寸一致 3 模具的闭合高度与压力机闭合高度 Hmax 5 mm H h Hmin 10 mm 4 设备吨位 设备的名义压力要大于所需的变形力 而且 还要有一定的力量储备 一般为1 3Fmax 第二节冲压设备及选用 一 压力机类型的选择 二 冲压设备的选用 第一章冲压模具设计与制造基础 二 压力机规格的选择 1 公称压力 2 滑块行程长度 3 行程次数 4 工作台面尺寸 5 滑块模柄孔尺寸 6 闭合高度 7 电动机功率的选择 根据工序性质 生产批量 冲件质量等要求进行选择