冲裁工艺分析及排样设计.ppt

1,冷冲压工艺与模具设计,主讲：武晓红,2,本课程以项目为载体，通过五个冲模设计项目，融入了冲裁、弯曲、拉深、成形等工艺知识与模具设计知识，还对级进模作了详细解析。,每个模具设计项目按实际工作顺序，分解成若干个任务，通过完成这些任务来学习相关的知识点。对于五个项目没有涉及的有必要了解的内容，采用知识拓展的形式列出。,课程说明：,3,项目1衬套落料模和冲孔模设计,如图所示的冲压件名称是衬套，材料为Q235冷轧钢板，料厚1mm，年产量3万件，由落料、拉深、冲孔、翻边四个工序冲压完成。,4,项目1衬套落料模和冲孔模设计,我们选取衬套零件的两个冲裁工序件的模具设计作为项目1，通过完成该项目来学习冲裁工艺与模具设计知识。,任务1冲裁工艺分析及排样设计,为了完成该任务，需用到的知识点有：冲压与冲模的概念；冲压加工特点；冲裁的概念；落料与冲孔的区别；冲裁断面特征及影响因素；冲裁件的工艺性；排样设计原则；排样分类；搭边及步距的概念；排样图的内容；材料利用率的计算。,5,1.1冲压与冲模的概念,冲压：室温下用压力机和模具使材料分离或塑性变形来制造产品的方法。,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，简称为冲模。,冲压生产现场,冲模图片,冲模俗称五金模。,6,1.2冲压生产特点冲压生产特点：省料、低耗、高效、低成本；质量稳定、互换性好；可加工薄壁、复杂零件；操作简单，易实现自动化；模具成本高，适宜批量生产制品。,螺钉是如何生产的？,生活中的冲压件,7,1.3冲压工序分类,根据材料的变形特点分：冲裁工序和成形工序两大类。,一、冲裁的概念冲裁指冲压过程中使冲压件与板料沿一定的轮廓相互分离的工序。冲裁是分离工序的总称。冲裁是材料剪切破坏在生产中的运用。冲裁包括落料、冲孔、切断、切口、切边、剖切、整修等多种工序。,8,二、成形工序：指材料在不破裂的条件下产生塑性变形，从而获一得定形状、尺寸和精度要求的零件。成形工序包括：弯曲、拉深、翻边、胀形、缩口、起伏成形、整形和冷挤压等。,弯曲件,翻边件,拉深件,挤压件,9,1、落料：用落料模使制品沿封闭轮廓从板料或条料上分离的冲压工序，冲下部分为制件。加工垫圈外形的工序属于落料工序。,2、冲孔：用冲孔模使废料沿封闭轮廓从板料或工序件上分离的冲压工序，冲下部分为废料。加工垫圈内孔的工序属于冲孔工序。,冲裁过程动画,1.4落料与冲孔的概念,10,冲裁工序中落料和冲孔应用最多，是最基本的冲裁工序。,冲裁的用途：既可冲出成品零件，又可加工半成品，可为其他成形工序制备毛坯。,图2-1衬套落料工序件,图2-2衬套冲孔工序件,衬套拉深前的毛坯,衬套翻边前预冲孔,11,1.5落料与冲孔的区别：,加工目的不同,落料是为了获得一定尺寸和外形轮廓的工件。冲孔是为了得到工件的内孔。,外形加工属于落料,内孔加工属于冲孔,12,冲孔大小由凸模决定，选择凸模作基准，冲裁间隙放在凹模侧。,落料件大小由凹模决定，因此选择凹模作基准，冲裁间隙放在凸模侧。,冲孔从凹模中漏下的是废料，落料从凹模中漏下的是工件。,模具刃口尺寸计算方法不同,凸模,凹模,13,2.1冲裁件的工艺性冲裁件的工艺性是指冲裁件对冲压工艺的适应性，即冲裁件在冲压加工中的难易程度。,2.1.1冲裁变形过程分析冲裁变形过程可分弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段。,图2-8冲裁变形过程(a)弹性变形(b)塑性变形(c)出现裂纹(d)裂纹贯通(e)板料完全断裂分离(f)剪切断面,14,1.弹性变形阶段变形区内部应力小于屈服点冲头离开后能弹性恢复。,2.塑性变形阶段变形区内部应力大于屈服点，塑性剪切、弯曲、拉伸和侧向挤压变形，加工硬化，应力集中，冲头离开后变形不能恢复。,3.断裂分离阶段,变形区内部应力达到抗剪强度，裂纹首先产生在刃口附近，随着凸模的深入上、下裂纹扩展相遇，材料断裂分离。,15,每种材料冲裁时都要经过弹性变形、塑性变形和断裂分离三个阶段；,不同材料由于硬度和塑性不同，这三种变形所占的比例也不同。,塑性好的材料，塑性变形阶段较长；塑性差的材料断裂分离阶段占的比例较大。,16,2.1.2冲裁断面的四个区域性特征：,塌角带由刃口挤入板料时刃口附近材料被除数牵连拉入变形的结果；,光亮带表面光滑，表面质量最好；,剪裂带表面粗糙并略带斜度，不与板面垂直；,毛刺是由于裂纹产生的位置偏离刃口所致。,在四个特征区中，光亮带越宽，断面质量越好。,17,2.1.3影响冲裁断面质量的因素,1、材料力学性能的影响塑性好，塌角、光亮带大，断裂带小。材料硬，断裂带大，光亮带小。2、模具间隙的影响间隙过大或过小，断面质量都变差，毛刺变大。冲裁间隙有个合理范围，新模取最小合理间隙。3、模具刃口状态对质量的影响凸模刃口磨钝时，落料件上端产生毛刺；凹模刃口磨钝时，冲孔件孔口下端产生毛刺；凸、凹模刃口同时磨钝时，冲件上、下端都产生毛刺。,普通冲裁中毛刺是不可避免的，但要控制在允许的高度范围内。,18,精密冲裁断面特征：断面垂直，整个断面为光亮带，无断裂带，尺寸精度高，塌角和毛刺小或无毛刺。,常用精密冲裁方法：整修、负间隙冲裁、上下两次冲裁、齿圈压板冲裁等。,主要原理是增大材料内部的压应力，防止材料脆性断裂，材料通过塑性变形实现分离。,19,当冲裁间隙合理时，凸模刃尖附近材料产生的裂纹与凹模刃尖附近材料产生的裂纹能重合，能得到正常的断面质量。,合理冲裁间隙不是具体某一个值，而是一个范围，在这个间隙范围内，能得到正常的断面质量。,不同行业，不同精度的零件所采用的合理间隙是不一样的。,20,普通冲裁提高断面质量的措施：1）在合理间隙范围内，采用较小的冲裁间隙；2）采用弹性卸料板压紧材料后冲裁；3）模具采用良好的导向，确保冲裁间隙均匀；4）刃口保持锋利。,21,2.1.4冲裁件工艺分析应充分研究设计要求，了解产品用途，并进行冲压件的工艺性及尺寸公差等级分析，改进冲压件结构或工艺性。,例：零件的三个安装孔有精确的位置要求，而外形是无关紧要的，因此在对零件的外形由A变为B。在不影响零件精度的条件下，提高了材料利用率和生产率。,22,2.1.2冲裁件工艺分析一、冲裁件的工艺性要求：1、冲裁件的形状力求简单、对称，以圆形、矩形等规则几何形状组成的几何图形为较佳，这样使排样时废料最少。,23,2、无过长的悬臂、狭槽，所谓悬臂、狭槽，即其宽度b2t，深度L5b；,若零件功能需要宽度b2t时，不能一次冲出，应分多次冲出。如手表的秒针。,24,3、孔间距、孔边距不能太小，所谓过小孔间距，即指b21.5t，所谓过小孔边距，即指b1t；,若零件功能需要孔边距b1t时，不能一次冲出，应分多次冲出。如手表的秒针。,25,手表游丝和摆轮,生活中工艺性不良的零件实例,筛网,钢笔笔尖,风筒罩,26,4、冲裁件的外形或内孔的转角处应避免存在尖锐的尖角，采用圆角过渡为较佳，一般在圆角处应使R0.5t。,模具在锐角的尖角处磨损特别快，导致毛刺大。另外尖角处应力集中，热处理时易开裂。,27,5、冲孔制件的孔不能太小，孔径应大于料厚。,一般冲孔模可冲压的最小孔径,料厚小于1mm的按1mm计算,28,6、在弯曲件或拉深件上冲孔时，孔与直壁之间距离不能过小，孔不能进入圆角部分。,LR0.5t,在圆角处冲孔冲头易折断；若先冲孔后成形，圆角处的孔会变形且孔位不准确。,29,7、普通冲裁件的尺寸精度在IT10IT11级，粗糙度为Ra6.3m12.5m，冲孔精度比落料精度高1级。,8、冲裁件的尺寸标注基准尽量与冲压时的定位基准一致，并选择中心线作基准。,图b)比图a)的标注合理。,30,二、衬套落料工序件和冲孔工序件工艺分析,根据以上要求，我们来分析衬套落料工序件和冲孔工序件的冲裁工艺性。衬套落料工序件和冲孔工序件的加工部分为圆形，形状简单，且尺寸不太小，所有尺寸的公差为自由公差，精度要求不高，因此，冲裁工艺性良好，采用普通冲裁模加工能保证质量。,31,2.1.5冲裁工艺方案的选择,复杂冲裁件往往包含多种冲裁工序，根据零件结构特点、精度要求、零件大小、生产批量等众多因素，通常有三种工序组合方案。,单工序冲裁,冲床一次行程，只完成一种冲裁工序。,其特点：模具结构简单，模具数量多，占用设备和人员多，生产效率低。生产批量不大时常用。,32,多工序复合冲裁,在冲床一次行程，在模具的同一位置完成二种或二种以上的冲裁工序。,特点：模具结构较复杂，制造困难，制品位置精度高，生产效率较高。孔边距和孔间距较小的制品不能用。工艺性不良的制品或复杂制品不能用。,33,多工位连续冲裁,将复杂的冲裁内容分解为多个简单内容，安排在模具的不同位置完成。,特点：模具结构复杂，可采用自动送料，生产效率最高。适合冲裁复杂中、小零件。大批量生产时常用。,34,电机定子和转子铁芯冲模,35,作业：1、冲压加工有何特点？2、为什么将落料与冲孔区分为两个工序？3、冲裁件的工艺性是指什么？设计冲裁件结构和尺寸时应注意什么？,分析冲裁件工艺性，制定工艺方案,参考答案,36,3.1排样设计,3.1.1排样设计原则在保证零件质量和模具寿命的前提下，尽量提高材料利用率。在材料利用率相近时，选用条料进距小的排样方式。,排样是冲裁件在条料或板料上的布置方式。合理的排样和选择适当的搭边值，是降低生产成本和保证制品质量及模具寿命的有效措施。,37,横排步距小，定位方便。,纵排步距大，操作不方便。,斜排材料利用率高，定位不方便。,38,同一工件的不同排样方式，其材料利用率不同。,图（a）材料利用率39%,图（b）材料利用率51%,图（c）材料利用率61%,图（d）材料利用率72%,图（e）材料利用率85.4%,39,图（f）材料利用率90%,由以上例子可以看出排样设计的重要性。排样设计对降低生产成本有显著效果。,排样设计除考虑材料利用率外，还要考虑工件精度要求，生产批量大小，模具的制造水平等因素。,40,3.1.2排样分类按照材料的利用率，排样可分为有废料排样、少废料排样和无废料排样三种。,废料是指冲裁中除零件以外的材料，包括工艺废料和结构废料。搭边属工艺废料，冲孔废料属结构废料。,41,有废料排样是指在冲裁件与冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均有工艺废料，冲裁是沿冲裁件的封闭轮廓进行的。,少废料排样是指只在冲裁件之间或只在冲裁件与条料侧边之间留有搭边，冲裁只沿冲裁件的部分轮廓进行。,无废料排样是指在冲裁件之间、冲裁件与条料侧边之间均无搭边存在，冲裁件实际上是直接由切断条料获得的。,三种排样方式,42,各种排样方法特点比较,43,采用少废料或无废料排样时，材料利用率高，冲裁力小，制品精度不高。,采用有废料排样时，制品质量和模具寿命较高，材料利用率较低。,不同的排样设计材料利用率不同,44,通过改善零件结构，可提高材料利用率。,45,3.1.3排样方式,根据冲裁件在板料上的布置方式，排样形式有直排、单行排、多行排、斜排、对头直排和对头斜排等多种排料方式。,为了便于合理排料，将工件的形状特征分为九类：矩形、梯形、三角形、圆形和多边形、椭圆形、十字形、山形、T字形和角尺形。,一般按工件的形状特征来选择排样方式，通过在电脑中比较几个排样方案的材料利用率，来确定排样形式。,46,矩形工件用直排,三角形、梯形工件用单行排,圆形及多边形工件用多行排,角尺形、十字形、椭圆形工件用斜排,山字形、丁字形、角尺形用对头直排,丁字形工件用对头斜排,47,案例分析：电机定子（1）有废料排样,周边有搭边的复合冲裁，制品精度高。,48,（2）少废料排样,两侧无搭边或工件之间无搭边，材料利用率高。,49,按排列形式分1）直排法：适用于外形为方、矩形冲件。案例分析：电机定子,50,2）斜排法：适用椭圆形、T形、L形、S形冲件。,51,3）直对排法：适用于梯形、三角形、半圆形、T形、形、形冲件。,52,4）斜对排：适用T形冲件，且比直对排节省材料。,有搭边斜对排,工件间无搭边斜对排,费料，零件质量易保证,省料，零件质量不易保证,53,5）混全排法：适用于材料与厚度相同的两种以上不同形状冲件的套排。案例分析：电机定子、电机转子,54,6）多行排法：适用于大批量生产中尺寸不大的圆形、六角形、方形、矩形等冲件。案例分析：电机转子,55,7）整裁搭边法：适用于尺寸较小且形状较简单的冲件。案例分析：电位器接线片,56,8）分次裁切搭边法：适用于尺寸较小且形状较复杂的冲件。案例分析：机芯自停杆,57,3.1.4级进模排样设计原则：1）尽量减少工位数，以减少工位积累误差；2）零件较大或零件虽小但工位较多，应尽量减少工位数，可采用连续一复合排样法；,58,3）孔间距小的冲件，要分步冲孔；,4）工位间凹模壁薄的，应增设空步；,59,5）外形复杂的冲件应分步冲出，以简化凸、凹模形状，增强其强度，便于加工和装配；6）冲裁级进模，一般是先冲孔后落料或切断。先冲出的孔可作后续工位的定位孔，若该孔不适合于定位或定位精度要求较高时，则应冲出辅助定位工艺孔（导正销孔）；,60,1、搭边的概念：指冲裁件之间及条料侧边留下的工艺废料。,2、搭边的作用：补偿送料误差和条料尺寸误差，保证冲出合格的制品。使凸、凹模刃口受力平衡，避免冲裁时条料边缘的毛刺被拉人模具间隙损坏模具，起到保护模具的作用；增加条料刚度，便于送料。,搭边值的确定方法：查表确定；由经验确定。,先根据材料厚度和工件形状查表确定最小搭边值，再根据材料性质、工件大小、送料方式，对搭边值作适当修正。,3.1.5冲裁搭边的确定,61,表2-7最小工艺搭边值,62,3、影响搭边值的因素,（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，尺寸越大，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。,63,根据衬套落料工序件的料厚为1mm，材料为Q235，属低碳钢，工件形状为圆形，查表2-7得最小搭边值为a=1mm，a1=0.8mm。考虑到工件直径较大，为104mm，为了便于操作，提高条料的刚度，取搭边值为a=a1=1.5mm。,步距：每冲裁一次，条料在模具上前进的距离。AD+al式中A送料进距，单位mm；D平行于送料方向的冲裁件宽度，单位mm；a1冲裁件之间的搭边值，见表2-7，单位mm。根据公式计算出衬套落料时的送料进距为：AD+al104+1.5105.5mm,3.1.6冲裁步距的确定,64,1、有侧压装置时条料的宽度与导料板间距离,3.1.7条料宽度与导料板间距离的计算,条料宽度：,导料板间距离：A=B+C=L+2+,送料间隙C=条料宽度公差0.51mm,65,2、无侧压装置时条料的宽度与导料板间距离,条料宽度：,导料板间距离：A=B+C=L+2+2C=L+2+2,最小搭边C送料间隙条料宽度公差C0.51mm,66,3、用侧刃定距时条料的宽度与导料板间距离,条料宽度：,导料板间距离：,b1侧刃切料宽C送料间隙最小搭边y导料间隙b112mmC0.51mmy0.10.15mm,67,4、衬套条料宽度计算衬套落料模选用无侧压装置的送料，其条料宽度计算公式为：L=104mm，a=1.5mm，查表2-8得=0.5mm，查表2-10得b0=0.5mm，因此条料宽度为：,3.1.8绘制排样图排样图是排样设计的最终表达形式，是编制冲裁工艺与设计冲裁模具的重要工艺文件。排样图上，应注明条料宽度及偏差、送料进距及搭边值。,衬套落料排样图,68,3.1.9计算材料利用率材料利用率是冲压工艺中一个非常重要的经济技术指标。其计算可用一个进距内冲裁件的实际面积与毛坯面积的百分比表示:式中S1一个进距内冲裁件的实际面积，单位mm2；S0一个进距内所需毛坯面积，单位mm2；A送料进距，单位mm；B条料宽度，单位mm。,提高材料利用率的措施是合理排样，减少工艺废料；改善零件结构，减少结构废料。衬套落料的材料利用率计算：=5252（105.5107.5）100%=75%,69,根据材料利用率，选择排样方式的实例,1=1469/57/48.5100%=53%,2=1469/57.4/762100%=67.3%,方案二明显优于方案一,若工件批量很大,材料利用率可否再提高5%?,70,采用多排冲3=1469/105.8/764100%=73%,71,3.1.10选择冲压材料,冲压材料有黑色金属（钢板）、有色金属和非金属三大类。冲裁最常用冲压材料的是普通碳素钢Q235钢板,即A3钢板。材料太硬或太软都不利于冲裁加工。,低碳钢，具有较好的冲裁性能；电工硅钢，材料较硬较脆，冲裁模刃口易磨损；不锈钢较韧，强度高，冲裁模刃口易磨损。紫铜和纯铝太软，冲裁间隙较小，薄料冲裁不易分离。,72,冲压材料形式有各种规格的板料、卷料、带料、条料和块料。对于中小型零件，多数是将板料剪成条料后使用。卷料或带料适合自动送料