国外高速冲裁研究概况_王长生.pdf

众众张众 右 众撇汉 沪议蕊 黯 几 高主速 声溉城 公介考类 腿况 父 从之 众考 众 一 介会众 抓橄 泛 长歹公嵌戮 ei亏二 界长 王长生 许丽瑛编译 在现代工业 中 对冲裁件的质量要 求 主 要由分 离面的质量 尺寸精 度和形状畸 变程度 等来衡 量 图 1所 示 为 普通 冲裁时 出现的众 所周知的缺 陷 即冲裁加工以后在零件 上产生 的变形 如较 大的分离面斜度 塌角和平面弯 曲等缺陷 冲I 宁 丈 离面 士 反理呀且 图1普通冲裁件的缺陷 在 普通 压力机上 使用一般模具来 消除上 述 缺陷是十分 困难的 目前 有以下几种方 法可以 改进分离面的质量 1 通过二次加 工 如 用整 修 机 械加工等方 法 2 采 用负间隙 冲浅 3 采用精密冲裁 但是 采用这些 方法所用的机器设备和模具比较昂贵 增加了 零件成本 所以只有在大批量生 产 中才是较为 经济z J J勺 能否不用较复 杂的机器设备和工艺装备 并巨省略二次加 工工序 只用比较普通的模具 也能获得 有足够精度 对工 业上的大多数 应用 是尼够好的冲裁件呢 国外 有人探索用提 高冲 裁速度的方法来改进冲裁件的质量 近 十 年 来 日高速 冲裁工艺所 进行的试验研究 就是 为了 J左一 目的 下面把国外在这个问题上的研 究成果作一综合介绍 一 高速冲裁 用设 备 普通冲裁多数是在通 用的机械压力机 单 点一般用途压 力机滑块最大速度18 D 43 5 毫米 秒 上 进 行 尽 管提高其单位时问的冲 裁次 数 但因 没备结构本身限制 冲裁时瞬间的行 程速度还是比较低的 不能满足高速冲裁时的 需 要 英国伯明翰大学 设计制造r一台MKl一 B型 1 509D英尺 磅 P e t ro 一F orge 式用 石 汕作为燃料的燃气锤 其最大冲击速 度可达 6 0 英 尺 秒 图 2及图3 所示 为日木玉川大学设计制 造的高速冲裁试验装置 前者是用丙烷气体 作 为燃料的燃气试验锤 第一 号机 而后者 是改进了的燃气 试验锤 第二 号机 4 其最 大冲击速度可达 2 0米 秒 工 作原理如图2所示 首先在 背压室 内充 入低压 压缩空气 使 活塞保持在上死点 由于活 塞顶部的 圆锥体 密封填料 使燃烧室开口密封 然后往燃烧室内充 入丙烷气体及压缩空气 由 火花塞点火燃 烧 由于混合 气体剧烈燃烧 使气 l l le e e e l l l 低低 酬一下 下 犷犷丁 丁 律律川一一 r 一 图2第一号机 1一火花塞 2 一燃烧 室 3一活塞 4 一背压 室 5一冲头 6一背压土乍气阀 了一光敏晶体管 8一 马模 9一棋 架 10一 凹模 1 1一缓冲器 丁 咖 川 且 尸尸尸门 门 匕匕一刁 旧 一一一 巨巨巨蚤蚤七仁七 七 己 己 一一 高高迄迄 低速 速 一一一 7 7 7 高之l 伙通 色 三至J花衷 图4高速 和低速冲裁件分离面形状比较 J C Mikk e r s 材杆为8毫米厚软钢板 凸模直径小1 5 间隙 值 为板厚 1 2 6 5 10 图3第二号机 1 一火花塞 4 一背压室 2一燃烧 室 3一活塞 5 一冲头 7一锤 头 8一凸模 5一背压排气阀 9一导柱 式模架 体压力 急剧上升 从而 破坏了密封 性 并自动 打开 背压排 气阀 气体膨胀推动 活塞下降进行 高速 冲裁 二 高速冲裁的质里 与普通 冲裁相比 由于提 高了冲裁速度 使剪切变形区缩小 可以得到分离面 光洁 塌 角 斜度和整 体变形 都很小 的 良好 零件 根据Z ener 的报告 当冲头速度大于3米 秒时 零件的质量就有所改善 5 当以9 3米 秒高 速冲裁时 钢料的分离 面外观质量 改善 最为明显 当8毫米厚的软训扳用直径1 5毫米 间 隙 5多板厚的冲模进 行冲裁 由间隙部位 材料的 变 形情况可以看 出 低速 冲裁时 由于凸模和 凹模刃日部分产生 的裂 纹不 重合 上 下裂 纹中 间的材料 随冲裁进 行将被二次剪切 在分 离 面上表现 出明显的阶梯状毛刺 而在 高速 冲裁时 由上 下刃口处产生的裂纹却 能保持在 同一个分离面内 并逐 渐扩展到冲裁 结束 形 成 平整而光洁 的分 离面 如果用 同样的材料 改变间隙 则低速和 高速冲裁的分离面 就有图 4所示的情 形 对于 低速冲裁 当 间隙小于 5形板厚 时 就可 看到 二 次剪切 的阶梯状毛刺 但在 高速 冲裁时 不 论间隙的大 小 图示间 隙 分 离面都是比较平 整的 图 5中所示为剪切变形区金属硬度 的分布 情况 加工 材料为0 8形C钢板 厚12 7毫米 模具 间隙为1拓板厚 冲头压 入板 厚5 D男 从 图中可以看出 高速 冲 裁时 剪切变形区很 窄 变形硬 化层比较薄 刃琪 硬成分于挽全林 奋奋奋奋奋奋出口 口 万万万万万万卜卜 洲洲 必必 扮扮 之之 女女女 弓弓弓弓弓弓 亡曰 曰曰曰曰 月为为为为 倒倒 才口口口口口口 言言言言言言言言言言 杠 农乎 图5 巨舀 龟来 戒 争 高速和低速冲裁时变形区加工 硬化比较 R D avie s 图6和图 7 所示 为J C Mik k ers 的研究 结果 表示冲 裁速 度和间隙对 软钢和黄铜冲裁 件塌角和 平面弯 曲的影响 由图可 知 不 论间 隙的大小如 何 高 速冲 裁和 低速冲裁相比 冲 裁零件的塌 角和平面 弯 曲都减小了 图8所 示 为 冲裁速度和 间隙对 软钢板冲 裁 零件分 离面 斜度的影响 由 图8 a 看 出 冲裁速度大约达 9米 秒以前 分离面 斜度是 随速度的增加而减少的 由此 加大速 度 效果 反 而变坏 但 是 间 隙在8厂 板厚的情况 一 称 当冲头速度 超过2 D 米 秒时 斜度 又 减小了 这 是值得 注 意的 间题 由图8 b 看出 冲裁 速度在9 5 米 秒的高速情况下 不 论哪 种 间 隙 落料件 或 冲孔件分离面 的斜度 都比低速时 小 如间 隙选在大约1 5另板厚时 分 离 面的 斜度几乎为零 7 而低速冲 裁时 如不把 间隙 减到 l男 板厚以下是不 能达到这 种程度的 从 句峰 厂 礴 切 一一 一 一 矛动 动 一 七 泛 一 t t t 平平平平苦 李 而卜 卜 问除 之华 礴 宁 取反沫4 t 材科 厚之乞杀坎洲 宁斗 发社 护l了 映 宁人逮虎 了会响 早早纷工 工卜 卜 洲 洲纷 i i i i i i i i i八犷 犷 豪 l l l阮 词 词 厚厚 资资资资了 了 一 一一一一 巨巨巨巨巨巨巨巨巨 只石 石 户一尸 尸 l l l l l l l l l l l l l l l l l 了了了了了了了了了 之犷 多O了犷今 比 冲裁逮反 料尸 一州O 一 一 凌宋 势补 氏封 或江聋 忽 高凌拭 只 枷 二 一一一一 呀 一声 目 一 一 从从 含一一认户 多豹币 币 口口口口 一一工一一 一 曰曰曰匕一健 健 L 迁少 一一 走牢 向降f不栩享 低是 宁我 高凌了裁 万柳之 田6 牛寸卑宁 厚 龟禾砍礴 月 宁 头直了受 沪zJ 卜少 向雌的了 了 匀 冲裁速度和问隙对软 钢冲裁件塌角 和乎面弯曲的影响 轰翩 翩 卜习1吐 平平平平石寸曲 曲 气气气气 一 奋奋 妞妞 J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J J户户 司司 鸣鸣鸣 z 之 之纂 纂 哎哎哎 尸尸尸尸尸尸尸 砂砂 代代汕汕尸 尸 一 声尹 尹尹 尸尸尸尸尸日 日龙龙妒 妒尹尹 尸尸尸尸尸 萦萦始始舒舒尸 井井井 尸尸i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 向次 毫 未夕 二 图8冲裁速度 和问隙对冲裁件 分离面针度的影响 R D av ie s和S Nl D l awan 材朴 6 35毫米软钢 0 22 C 冲裁直径小2 5 4 和 形幻 刃 盯 向咬 盯井板凉 宁 以澎专 材料 z毫衷黄铜 冲从五任 尹r 五 广 稗 之虎 夕 书l响 一一一一 一 气气 一一一 一一一一 尸尸汤一 一 户 一一 一一下 牛董i色色 尸尸尸 材群 之是采黄价可 冲彼反径 沪 勿 一司峰奋夕 景 句 图7冲裁速度和间隙衬黄铜冲裁件塌角 和平面弯曲的影响 这 一点 出发一也说明高速冲裁是十 分有利 的 R D a v i e s 对各种 材料 间 隙为 8 多板 厚 以下 最高3 8米 秒的速度 范围内 进 行了实 验 结果表明冲裁速度在 g 1 2米 秒以上 冲 裁件的质量没有太大变化 而某些材料的分 离 面质量反而恶化 所以认为高速冲裁的速度在 9 1 2 米 秒是合适的 另外 高速冲裁 对改善厚板分 离面质量也 很明显 三 高速冲裁时 的剪切力 和剪切功 高速 冲裁时的剪切力和剪切功与低速 冲裁 相比 有 很大区别 冲裁速 度 冲裁零件 的材 质和漠具间隙等对 冲裁时的剪切力和剪切功都 会产 生 影响 由于在 高速下 测试困难 方法也 不同 所以各研 究报告的结果也不完 全一致 图 9和表1为R D avie s 和D h a w a 的实 验 结 果 与后 来齐藤博 等人的试验结果是相 一致 的 一甲 气 耘 了 号 枷 乃撰 反 L 是 幸 六六六六闪闪际际际际际 防防防 一 一 阁阁闪闪闪 习习同 同 锡 巴 口 火 女 娜 叼卜 可 飞 甲 凸浦 只 只只只只只只 川川 飞飞 幸 尸尸 l l l l l 创创创创创创创创创创创创创创创创创创 闷闷闷队队队队 面面面面面面面 刃刃刃刃闪闪 日日日日日闪闪以以以以 四四四四四四闪闪叫叫日日 缓扁 趁 亡 口月产 图9 离速 J 苍州分J 一 枕 高速和低 速冲裁时剪切力和凸模位 移 变化曲线 抖厚6 3 5毫米 直径中2 6 4 间隙 0 0 25毫米 a 软钢 b 0 8 C碳素钢 e 纯铝 d 黄 铜 对于不同材料 高速和 低速 的剪切力和凸 模位移的曲线也是很不 一样的 高速 冲裁的最 大剪切力比低速 冲裁的最大剪切力要高1 6 3 倍 这 是 由于高速变形抗 力提高所致 且 最大 剪切力的出现要比低速 为 早 另外 高速冲 裁 时 当凸模相对压入深 度只 有3 0形时 就由高 峰负荷迅速下降 这是 由于上 下 裂纹 能沿 同一 方向迅速扩展 变形区材料受 热软 化 所 引起 的 相反 低速 冲裁时由于二 次剪切 凸模行 程几乎快结束 时还保持着相当大的 负荷值 但 是 就总剪切功 而言 高速 为低 速的0 5 2倍 不等 四 高速冲裁用模具 用于高 速冲裁 的模具结构 简图如图1 D所 示 模具的 结构虽然与普通 冲裁模大 致相 同 但 由于高速和低速 冲裁时工 作条 件不同 所以 在设计与制造时必须考 虑以下 几个方面 1 模具上应有可 靠的导 向 2 当上模 直接装在锤上时 为获得必要 的打击速度 在打 一 击前活塞要 有足 够的行 程 所以要比普通冲裁模有较长 的导 向装置 3 因工作 时承受冲击载荷 所以要用刚 度大的模座 为了防止应力集 中 应避免 零件 有尖 角 赶 4 为吸收冲 裁结束后冲头的剩余能量 表 1 高速和低速 冲 栽时剪切力及剪切功 模具 间辣为0 0 0 5英寸 材材 朴朴 厚度度低速速高速速高速剪切力 低速剪切力 力高速剪切功 低速剪切功功 英寸 剪剪剪剪切力 力 剪 切 功功剪切力 力 剪 切功功功功 屯屯屯屯 英 寸 英 尺 磅 英寸之 之叱 英 寸 英 尺 磅 英寸 0 0 0 065 C钢 钢 0 125 5 5 IT 4 4 4261 1 143 3 3 3378 8 82 48 8 8 1 45 5 5 0 0 0 22 C 钢 钢 0 250 0 02 5 7 7 7774 4 446 1 1 1 660 0 01 了9 9 90 85 5 5 0 0 0 0 0 500 0 02 5 2 2 2 工匀0 0 0 38 9 9 9862 2 21汤5 5 5056 6 6 0 0 0 8 C钢 钢 0 2云0 0 02 4 3 3 3611 1 1 骆 心心606 6 62 30 0 00 99 9 9 了 3 黄铜 铜 0 12 5 5 5 18 3 3 327 3 3 3 112 2 2 235 5 5 1 63 3 30 86 6 6 5 4 黄铜 铜 0260 0 01了 6 6 6485 5 5319 9 95 72 2 2 1 81 1 1了 18 8 8 0 0 0 0 0 500 0 015 0 0 0150 0 027 2 2 2297 7 7 1 82 2 2 1 98 8 8 商商用纯铭 铭0 250 0 04 4 4 4154 4 48 2 2 22 2 2 2 2 1 84 44 4 4 4 4 4 4 0 0 0 0 0 500 0 04 2 2 2441 1 111 4 4 4 4 42 75 5 5 5 5 祠祠祠 0 2 50 0 0 11 了了462 2 222 8 8 8 4 28 8 8 1 95 5 50 93 3 3 0 0 0 0 0 500 0 0 10 6 6 6667 7 720 0 0 0了 48 8 8 1 89 9 91 早 2 J 幸 口口口口竺竺竺竺 口 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 力力力力力力力力力力力力力力力 尹 尹 月月 L 二 L 洲 洲洲洲 臀臀臀 匕匕匕匕匕匕匕习习 人 i i i 鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼鱼 r 图10高速冲裁用模具 1一任头 2一导向衬套 3一凸模 4一缓冲 垫 5一双导柱 6一却料板 了一凹模 8一坯杆 9一缓冲器 1 0一下垫板 模具上应设有 缓 冲装置 5 模 具材料 除应 满足 高峰 负荷的强度 外 还要考虑有高 耐磨 性和高韧性 一般 采用 高碳 高铬 模具钢 凸模可选用 AI S I D 3 D A 类 钢 淬火硬 度R C5 8 6 0 或用M Z 高速润 淬 火硬 度RC 6 0 6 2 凹模较凸模工 作条牛好 可选 用 AIS J D D 类钢 淬火 硬 夏RC5 8 60 在表 2中列 出高速 冲裁模用钢的成份 目前 尽 管对 高速 冲裁 表现 出的现 象还不 能明确的给予回答 但 多数认为高速 冲裁的热 效应改善了变形条 件是其主 要原因之一 高速 冲裁时 由于材料的塑性 变形而产 生的热 使 变形温度 升高是非常显著的 根 据C Z ener 和 JH H l l o m on 提出 的报告 钢 在 冲裁时于 局部出现70 0 的高 温 这样的高 温 能使材料 局部软化 表面层呈现再结晶 并在局部变 形 区出现一薄层马氏体组织 这个温度升高的效 果 对于传 热系数小的钢更为明显 而 对传热 系数大的铝 铜等则小得 多 在钢的 分 离面 上 呈现出黄 甚至发兰的回火颜色 这样 就仅限于在薄层范围内进行局部的剪切变 形 而这层只能是在 变 形最激烈的刃 口 间的连线 上 所以促进了裂纹 迅速地 沿着这层发展 直至 断裂 表2高速冲裁模具材杆 八 1钢号 c M l e I v l w M 一 二立 竺 二 竺 二 竺 一 卫兰 一 竺 二 燮 二 二 竺 一 生一一阵些 生些 二 二 二 M 0 一 4 0 0 0 5 0 为提高 模具的寿命 对D类钢 建议 采用低 温处理 对各类钢应进行二 次或三 次回火 以 获得最高的 韧性和稳定性 除凸 凹模以外 其他零件也要承受 较大的冲击载荷 建 议采用 En26等合金钢制造 五