《冲压工艺与模具设计（第４版）》-模 块 八 　冲 压 工 艺 设 计 及 案 例 分 析

学习单元一工艺方案的制定一、制定工艺方案的原则在对冲压件进行工艺分析的基础上，考虑冲压工序的性质、数量、顺序、组合方式以及其他辅助工序的安排，拟定出最佳工艺方案。１.工序性质的确定工序性质：是指某种冲压件所需要的冲压工序的种类，如分离工序中的冲孔、落料、切边，成形工序中的弯曲、翻边、拉深等。工序性质的确定主要取决于冲压件的结构形状、尺寸精度，同时需要考虑工件的变形性质和具体的生产条件。工序性质的确定，应遵循以下原则。下一页返回学习单元一工艺方案的制定１）工序性质应与工艺性状相吻合工艺性状：是指制件的材料性能和几何形状对某工序成形的适应状态。在一定条件下，每种冲压工序都有在其变形规律支配下的工艺性状范围，只要材质性能和冲压件形状与之适应，该制件就可由该工序成形。从坯料向零件成形的多道工序中，这种材料性能和工序件形状在每一冲压工序后都会发生变化，因而前道工序的性质应能保证制件的工艺性状变化适合于下道工序的工艺性状范围。依此安排各个工序，使坯料得以顺利地向零件转化。由此，冲压件本身在很大程度上就决定了工序的性质，但有时又不十分明显，需要通过工艺计算才能确定。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定２）工序性质应保证变形区为弱区弱区：是指变形抗力小的区域，根据阻力最小定律，应使变形区为弱区，以达到变形容易，同时又保证不变形区的相对稳定。如图８－２所示的起伏件，若外形有效尺寸Ｄ很大，则平板外圈部分与所要胀出的凸起内圈相比强弱明显，起伏时外缘就不会发生收缩变形。若Ｄ很小，则不能保证不变形区的稳定，只好改变工序性质。有时变形区与非变形区强弱对比不明显，为了使变形区为弱区，就需要增加工序。如图８－３所示的冲压件，外径尺寸是１００ｍｍ，翻边时产生收缩变形。当改为１１５ｍｍ时，翻边时外径不再收缩，最后切边保证外径尺寸１００ｍｍ，切边工序就是附加的工序。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定又如图８－４所示，为了增加成形高度，预先在毛坯上制孔，使底部成为弱区。成形后，孔扩大补偿了外部材料的不足，从而增大了成形高度。冲孔便是增加的工序，所冲的孔称为变形减轻孔。３）工序性质应保证零件的质量冲压件的几何形状或尺寸精度要求较高时，必须增加校形工序或其他工序。例如，如图８－３所示，若竖边的厚度不允许变薄，就不能采用翻边工序。又如图８－５所示的平板压筋件，由于筋离平板边缘很近，将使压筋变形不均匀，制件产生较大的翘曲或皱折，因而必须增加拉深工序，提高制件周边的刚度后再压筋，压筋后则需修边。这里拉深和修边工序便是保证零件质量而增加的工序。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定４）工序性质应保证变形区不断转移如图８－６所示的冲压件，单纯拉深需四道工序，必须中间退火，否则高度尺寸难以达到。若采用两次拉深，把变形区转移到底部冲孔翻边；然后对筒部缩口，则不需中间退火，也能达到规定的高度。后一种方案既转移了变形区又充分利用了材料的性质。２.工序数量的确定工序数量：是指冲压件在加工整个过程中所需要的工序数（包括辅助工序）的总和。冲压工序数量主要根据工件几何形状的复杂程度、尺寸精度要求和材料性质来确定，在具体情况下还应考虑生产批量、实际制造模具的能力、冲压设备的条件以及工艺稳定性等多种因素的影响。在保证冲压件质量的前提下，为提高经济效益和生产效率，工序数量应尽可能少些。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定工序数量的确定，应遵循以下原则。（１）冲裁形状简单的工件采用单工序模具完成。冲裁形状复杂的工件，由于模具的结构或强度受到限制，其内外轮廓应分成几部分冲裁，需采用多道冲压工序。对于平面度要求较高的工件，可在冲裁工序后再增加一道校平工序。（２）弯曲件的工序数量主要取决于其结构形状的复杂程度，根据弯曲角的数目、相对位置和弯曲方向而定。当弯曲件的弯曲半径小于允许值时，则在弯曲后增加一道整形工序。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定（３）拉深件的工序数量与材料性质、拉深高度、拉深阶梯数以及拉深直径、材料厚度等条件有关，需经拉深工艺计算才能确定。当拉深件的圆角半径较小或尺寸精度要求较高时，则需在拉深后增加一道整形工序。（４）当工件的断面质量和尺寸精度要求较高时，可以考虑在冲裁工序后再增加修整工序，或者直接采用精密冲裁工序。（５）工序数量的确定还应符合企业现有制模能力和冲压设备的状况。制模能力应能保证模具加工、装配精度相应提高的要求，否则只能增加工序数目。（６）为了提高冲压工艺的稳定性，有时需要增加工序数目，以保证冲压件的质量。例如弯曲件的附加定位工艺孔的冲制，成形工艺中增加变形，减轻孔冲裁以转移变形区等。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定３.工序顺序的确定工序顺序：是指冲压加工过程中各道工序进行的先后次序。冲压工序的顺序应根据工件的形状、尺寸精度要求、工序的性质以及材料的变形的规律进行安排。４.工序组合的确定适当的将冲压工序进行组合可以大大地减少模具数量，冲压工艺方案与模具结构有直接的关系。在大批量生产时应尽量采用级进模或复合模冲压，尤其是级进模冲压，以便实现自动化，提高劳动生产率，降低成本。有时生产批量虽不大，但为了操作方便，保障安全，或为了减少冲压件在生产过程中的占地面积和传递工作量，也把冲压工序相对集中，采用复合模或级进模进行冲压。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定二、冲压件的综合分析冲压件的综合分析，是冲压工艺设计的起点，也是衡量冲压件质量好坏的先决条件，它贯穿于整个模具设计过程中。通过综合分析为工艺方案的确定奠定了基础，同时又为工艺设计提供了工艺参数计算。其方法和步骤如下：１.设计前的准备工作设计前应收集、准备、掌握有关信息和资料，包括冲压件的生产纲领、图纸及有关技术文件，所用原材料的规格、机械性能、模具的制造条件及技术水平，供选用的设备型号、规格、主要技术参数和使用说明书，各种有关技术标准、设计手册等，同时要掌握有关的先进技术和工艺等资料以供选用。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定２.分析冲压零件图冲压零件图是编制和分析冲压工艺方案的重要依据。根据冲压件的零件图纸，分析研究冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求，以及所用材料的机械性能、冲压成形性能和使用性能等对冲压加工的影响，分析产生回弹、畸变、翘曲、歪扭、偏移等质量问题的可能性。特别要注意零件的极限尺寸（如最小孔间距和孔边距、窄槽的最小宽度、冲孔的最小尺寸、最小弯曲半径、最小拉深圆角半径等），以及尺寸公差、设计基准等是否适合冲压工艺的要求。若发现冲压件的工艺性很差，则应协同冲压件的设计人员在不影响冲压件使用要求的前提下对零件图制作出适合冲压工艺性的修改。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定３.冲压工艺性分析与审查分析冲压零件图的同时，就应对冲压工艺性进行分析。冲压工艺性既表征了冲压加工方法所达到的加工程度，又表征了零件冲压加工的难易程度。良好的冲压工艺性使材料消耗少、变形容易、成形稳定、工序数目少、模具通用性强、模具结构简单易制造、使用寿命长、操作方便、安全、可靠。１）材料性质冲压件除了要选用经变形后其性能仍满足使用要求的材料外，还要考虑所用材料应易于冲压成形。例如，深筒拉深件应选塑性、组织状态及表面质量均较好的材料。材料产生冷作硬化后对后续工序的影响也要符合一定的要求。此外，所用材料从降低冲压工艺力、减少模具磨损等方面也应有较好的性能。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定２）冲压变形规律如弯曲件的弯曲半径小于材料所允许的最小弯曲半径时，就会开裂，因此应予修改。例如，如图８－７（ａ）所示的冲压件，不易压弯成形；图８－７（ｂ）为添加了工艺孔的冲压件，则很容易弯曲成形。３）工序数目冲压件的构造尽可能使工序内容简单，工序数目少。如图８－８（ａ）所示为一消声器盖，高度尺寸修改后（如图８－８（ｂ）所示），就由原八道工序减为两道工序，大大减小了冲压工序数目。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定４）材料利用冲压件形状及下料方式应尽量减少用料和减少排样废料，消声器件（如图８－８所示）改进后材料消耗减少５０％。又如图８－９所示的冲裁件，要求三个孔的位置精度较高，但对外形尺寸没有要求，因而改进后既满足了要求又使材料消耗大为减少，材料利用率大大提高。５）模具制造如图８－１０所示的冲压件，经修改后（如图８－１０（ｃ）所示），其模具工作部分的形状大为简化，既有利于制造又易保证冲压件精度。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定６）冲压件精度冲压件精度应符合冲压方法所能达到的精度，否则要花费很大的成本。当然随着冲压工艺及模具的发展，其成形精度也将不断提高。７）冲压件几何参数的标注冲压件几何参数的标注应有利于精度的保证。例如，如图８－１１所示的卷圆件所标注的内径尺寸，模具无法直接保证。此外，材料厚度若发生变化，内径尺寸精度也不易控制，因而应标注外径尺寸。如图８－１０所示的冲压件，若两孔的位置尺寸采用Ａ标注，应弯曲后再冲孔，这样使得冲孔凹模一侧的壁厚过小。如果两孔间距要求不严时采用Ｂ标注较好，这样在弯曲之前，冲孔落料复合，既减少了工序数目又保证了凹模强度。上一页下一页返回学习单元一工艺方案的制定４.冲压加工的先进性和经济性零件的生产批量对冲压加工的先进性和经济性有很大的影响。生产批量大时，采用冲压加工经济效果好，生产率高；若采用冲压机械化、自动化，更能充分发挥冲压工艺的先进性和经济性。例如：冲压件精度高且批量大时，采用先进的多工位压力机将收到明显的效益。又如冲裁件质量要求高且批量很大，可采用较先进的精冲法代替普通冲裁加修整的工艺。生产批量很小，冲压加工的先进性和经济性就不能充分发挥，这时应考虑采用其他的加工方法，或采用简易冲压模具辅之以别的加工方法，往往更为有效，如某些旋转体零件小批量生产，采用旋压比拉深更为有利；大型钣金件采用液压比模具冲压更为优越。上一页返回学习单元二冲压工艺实例一、案例１：弯曲模的设计如图８－１２所示冲压件，材料为０８Ｆ，材料厚度ｔ＝３ｍｍ，生产量３００００件／年，要求表面无划痕，孔不允许严重变形。制件冲压工艺制订过程如下。１.冲压件综合分析１）零件图分析该件为带孔的四直角相反弯曲对称件，尺寸精度要求不高，由冲裁和弯曲即可成形。冲压难点在于四角弯曲回弹较大，使制件变形，但通过模具措施可予以控制。下一页返回学习单元二冲压工艺实例２）冲压工艺性审查在分析冲压工艺性的基础上，其审查内容见表８－１。３）冲压经济性和先进性分析冲压是该件最好的加工方法，但由于批量不是很大，模具应力求结构简单易制，故不采用复杂的组合工序。２.工艺方案的确定方案一：冲２－φ６孔和落料复合，弯曲两外角，弯曲两内角，冲２－φ８孔。弯曲工序如图８－１３所示。方案二：冲２－φ６孔和落料复合，弯曲四角，冲２－φ８孔。弯曲工序如图８－１４所示。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例方案三：冲２－φ６孔和落料复合，弯曲外角，预弯内角４５°，弯曲内角，冲２－φ８孔。弯曲工序如图８－１５所示。方案四：冲２－φ６孔和落料复合，二次弯曲四角，冲２－φ８孔。弯曲工序如图８－１６所示。方案五：冲２－φ６、２－φ８孔和落料复合，二次弯曲四角。根据表８－２，确定方案四。由于冲压件弯曲尺寸精度均为ＩＴ１４，因而方案四的回弹对其影响不大；再者还可考虑在二次弯曲时校形或冲孔与整形复合，均可克服回弹，而这些技术措施均不增加模具的制造成本和数量。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例３.工艺计算１）毛坯尺寸如图８－１７所示，毛坯各尺寸为则上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例２）排样和材料利用率坯料形状为矩形，采用单排排料最适宜。取搭边ａ＝２.８ｍｍ，ａ１＝２.４ｍｍ，条料宽度为Ｂ＝１０２＋２×２.８＝１０７.６ｍｍ；进距ｈ＝３６＋２.４＝３８.４ｍｍ；板料选用规格为８ｍｍ×９００ｍｍ×２０００ｍｍ。３）冲压工艺力①落料冲孔复合工序：冲裁力Ｐ＝Ｌｔτ＝（２×３０＋２×９６＋３π＋２×６π）×３×２６０＝２３３３１７（Ｎ）卸料力Ｐ１＝Ｋ１Ｐ＝０.０４×２３３３１７＝９３３３（Ｎ）上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例推件力Ｐ２＝ｎＫ２Ｐ＝３×０.０４５×２３３３１７＝３１４９８（Ｎ）冲压力Ｐ０＝１.３（Ｐ＋Ｐ１＋Ｐ２）＝１.３×（２３３３１７＋９３３３＋３１４９８）＝３５３９２（Ｎ）选用４００ｋＮ冲床。②弯曲工序：由于二次弯曲，按Ｕ形弯曲计算。自由弯曲力校正弯曲力为了可靠起见，将二次弯曲的自由弯曲力Ｆ１和校正弯曲力Ｆ２合在一起，即冲压力为上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例③冲２－φ８孔工序：冲裁力Ｐ＝Ｌｔτ＝（２×８π）×３×２６０＝３９２０７（Ｎ）推料力Ｐ２＝ｎＫ２Ｐ＝３×０.０４５×３９２０７＝５２９３（Ｎ）冲压力Ｐ０＝１.３（Ｐ＋Ｐ２）＝１.３×（３９２０７＋５２９３）≈５７.９（ｋＮ）选用１００ｋＮ冲床。４.填写工艺卡片该件冲压工艺卡片见表８－３。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例５.模具设计计算模具设计计算详见有关章节，具体计算从略。冲２－φ孔和落料复合模如图８－１８所示。二、案例２：拉深模的设计如图８－１９所示冲压件，材料为１０１６（铝），材料厚度ｔ＝０.３ｍｍ，大批量生产。制件冲压工艺制订过程如下。１.工艺分析１）零件材料、尺寸公差要求（１）零件材料为１０６０（铝），其塑性、韧性较好，抗剪强度τ为８０ＭＰａ，抗拉强度σｂ为７５～１１０ＭＰａ，利于各种工序的加工。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例（２）从零件图样上看，其尺寸均没有公差要求，故精度不高，属于一般零件，其公差按ＩＴ１３处理，给模具制造带来一系列方便。２）零件的形状、结构及冲压工艺性（１）该零件总体属于圆筒形拉深件，两边有宽４ｍｍ的直边凸缘，凸缘前端有弯曲部分，中间需成形ｒ为１ｍｍ的半圆球形体，底部有翻边部分。（２）零件材料的厚度ｔ＝０.３ｍｍ，且材料较软，对于各种工序都可以适应。（３）零件圆筒形部分高度为６ｍｍ，可能需几次拉深成形，由尺寸计算后确定。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例（４）翻边部分先冲一预孔为ｄ，后用一定尺寸的凸、凹模配合成形，具体尺寸待计算。（５）成形半径ｒ为１ｍｍ的半圆球形，可一次成形。（６）弯曲部分高度为２ｍｍ，弯曲半径ｒ＝１＞ｔ＝０.３ｍｍ，符合弯曲工艺要求。综上所述，此零件可用冷冲压加工成形。２.零件工艺方案的确定１）模具类型的确定从零件的结构形状、尺寸公差来看，该零件可以使用单工序模、级进模或复合模，各种模具都有各自的优缺点，下面通过对其进行比较，得出较合适的模具类型。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例（１）单工序模。制件公差等级一般，生产率较低，在高速自动冲床上不能使用，安全性不高，但模具制造工作量小，成本低。（２）级进模。公差可达ＩＴ１３～ＩＴ１０级，可加工复杂制件，生产率高，可使用高速自动冲压机，安全性高，模具制造工作量较大，成本高。（３）复合模。公差ＩＴ９～ＩＴ８级，生产率略高，安全性不高，模具制造工作量大，成本高。综上所述，制件公差为ＩＴ１３级，且较复杂，生产率要求高，所以可采用级进模或复合模进行加工。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例２）制件工艺方案的确定从工件结构形状可知，所需基本工序有切口、拉深、冲孔、翻边、落料、弯曲、成形等工序，因此使其成形的工艺方案有以下几种。（１）切口———拉深———冲孔———翻边———切废———弯曲———成形———落料（采用侧刃）。（２）切口———拉深———冲孔———翻边———落料———弯曲———成形———落料。（３）切口———拉深———拉深———切底———落料———弯曲———成形———落料。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例比较上述几种方案，方案（１）的优点：模具结构简单，寿命长，制造周期短，工件的回弹容易控制，操作简单，工人劳动强度低；缺点：模具的制造成本较高。方案（２）也有方案（１）的一系列优点，但是方案（２）比方案（１）多了一道落料工序，势必给模具的制造增加难度，成本也将有所提高。方案（３）在工件底部采用切底，工序复杂，尺寸难以控制，切底时可能会使工件变形。综上所述，考虑到工件各方面的要求，故选择方案（１）。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例３.工艺尺寸计算１）拉深次数和拉深工序尺寸的确定（１）凸缘直径。相对凸缘直径ｄｆ／ｄ＝１０／６＞１.５，查表５－６取修边余量δ＝１.４ｍｍ，凸缘实际直径ｄｆ＝１０＋１.４×２＝１２.８ｍｍ（２）预定毛坯直径。上一页下一页返回学习单元二冲压工艺实例（３）判断能否一次拉深成形。（４）各次拉深工序尺寸：由表５－１