模具导论(杨占尧)电子课件第三章.

第三章冲压成形工艺与模具结构3.1概述3.2冲压加工工序与冲模的分类3.3冲裁工艺与模具结构3.4弯曲成形工艺及模具结构3.5拉深成形工艺及模具设计3.6其他冲压工艺及模具结构3.7冲压模具的组成零件3.8冲压常用材料3.9冲压模具常用材料3.1概述3.1.1冲压加工与冲压模具的概念冲压加工是现代机械制造业中先进、高效的加工方法之一，它是在室温下，利用安装在压力机上的模具对材料施力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需零件的一种压力加工方法。冲压加工是少无切削加工的一种主要形式。由于冲压加工通常是在室温下进行加工，所以常常称为冷冲压。又由于它的加工材料主要是板料，所以又称为板料加工。冲压不但可以加工金属材料，还可以加工非金属材料。在冲压加工中，将材料加工成冲压零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，称为冲压模具或冷冲模。冲压模具在实现冲压加工中是必不可少的工艺装备，没有符合要求的冲压模具，冲压加工就无法进行；没有先进的冲压模具，先进的冲压工艺就无法实现。冲模设计是实现冷冲压加工的关键，一个冲压零件往往要用几副模具才能加工成形。如图3-1(a)、(b)、(c)所示为冲压车间实景照片，如图3-1(d)为模具在压力机上实际安装以及生产的产品的照片，图3-2为模具在压力机上的安装示意图。在冲压零件的生产中，合理的冲压成形工艺、先进的模具、高效的冲压设备是必不可少三要素，如图3-3所示。使用冲压方法生产的各种零件如图3-4所示。3.1.2冲压加工的特点与其它加工方法相比，冲压加工生产无论在技术方面还是经济方面都具有其显著优点：1.冲压件质量稳定，尺寸精度高由于尺寸精度主要由模具来保证，所以加工出的零件质量稳定，一致性好，具有“一模一样”的特征，制件互换性好。一般情况下，冲压生产的尺寸精度可达到IT10～14级，最高可达到IT16级，有的制件不需要再进行机械加工，便可满足装配和使用要求。2.生产率高，成本低冲压生产是利用冲压模具和冲压设备完成加工，其生产率高，操作方便，易于实现机械化、自动化。对于普通压力机，每分钟可生产几件到几十件制件，高速压力机每分钟可生产数百件甚至上千件制件。冲压件质量轻、刚性好、强度高，冲压过程耗能少，中、大批量生产时，成本较低。3.材料利用率高冲压生产是一种少、无切削加工的方法之一。冲压生产能实现少废料甚至无废料生产，在某些情况下，边角余料也可以充分利用（冲压小零件），因此，材料的利用率高，一般为70%～85%。4.易得到复杂制件由于利用模具加工，所以可以获得用其他加工方法所不能或难以制造的形状复杂的零件，如汽车覆盖件、车门等。5.制件的性能较好冲压生产可以利用金属材料的塑性变形提高工件的强度、刚度，同时，生产率高、易于实现自动化。冲压生产的缺点：1.模具制造周期长、制造成本高，不适应于小件生产冲压生产多采用机械压力机，由于滑块往复运动快，手工操作时，劳动强度较大，易发生事故，故必须重视安全生产、安全管理和采取必要的安全技术措施。2.冲压加工产生振动和噪音两种公害这些问题并不完全是冲压工艺本身带来的，主要是由于传统的冲压设备落后造成的。随着科学技术的进步，这两种公害会得到一定程度的解决3.冲压生产具有一定的危险性冲压加工操作简便，但具有一定的危险性，生产中应注意安全。由于以上特点，冲压生产被广泛用于汽车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表以及飞机、国防、日用工业等部门。3.2冲压加工工序与冲模的分类由于冲压件的形状、尺寸和精度不同，因此，冲压所采用的工序种类各异。据其变形特点，可以分为分离工序和成形工序两大类。3.2.1分离工序使板料沿一定的轮廓线分离而获得一定形状、尺寸和断面质量的冲压件（俗称冲裁件）的工序。分离工序主要包括冲孔、落料、切边等工序。1.冲孔用冲模沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是废料，如图3-5所示零件中的圆孔和长孔。2.落料用冲模沿封闭轮廓线冲切，冲下部分是零件，或为其他工序制造毛坯，如图3-6所示。3.切边将成形零件的边缘修切整齐或切成一定形状，如图3-7所示，图（a）和（b）为切边示意图，图（c）为需要切边的零件照片。4.切断用剪刀或冲模沿不封闭线切断，多用于加工形状简单的平板零件，如图3-8所示为切断工序示意图。5.剖切将冲压加工成的半成品切开成为二个或多个零件，多用于不对称零件的成双或成组冲压成形之后，如图3-9所示。6.切口在坯料上将板材部分切开，切口部分发生弯曲，如图3-10所示。3.2.2成形工序材料在不破裂的条件下产生塑性变形而获得的一定形状、尺寸和精度冲压件的加工工序，主要的成形工序如下。1.弯曲将板材沿直线弯成各种形状，可以加工形状复杂的零件，如图3-11所示即为一个经过多次弯曲形成的计算机零件。2.卷圆将板材端部卷成接近封闭的圆头，用于加工类似铰链的零件，如图3-12所示为利用卷圆工序生产的门、窗上的合页。3.拉深将板材毛坯拉成各种空心零件，还可以加工汽车覆盖件，如图3-13所示为使用拉深工序生产的电饭锅和筒形件。4.翻边将零件的孔边缘或外边缘翻出竖立成一定角度的直边，如图3-14所示。5.胀形在双向拉应力作用下的变形，可成形各种空间曲面形状的零件，如图3-15所示。6.起伏在板材毛坯或零件的表面上用局部成形的方法制成各种形状的突起与凹陷，如图3-16所示。7.缩口将空心件的口部缩小，如图3-17所示。8.扩口将空心件的口部扩大，常用于管子，如图3-18所示。9.扭曲给毛坯或半成品制件以一定扭矩，使其扭转成一定角度的制件或半成品制件的一种冷冲压成形工序，如图3-19所示。此外，还有把把形状不太准确的工件校正成形得整形工序、将毛坯或工件不平的面或弯曲予以压平的校平工序等，这里不再详细介绍。为了提高劳动生产率，常将两个以上的基本工序合并成一个工序，如落料拉深、切断弯曲、冲孔翻边等，称为复合工序。在生产实际中，对于批量生产的零件绝大部分是采用复合工序。3.2.3冲模的分类冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。冲压模具可按以下几个主要特征分类:1.根据工艺性质分类（1）冲裁模沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。（2）弯曲模使板料毛坯或其他坯料沿着直线(弯曲线)产生弯曲变形，从而获得一定角度和形状的工件的模具。（3）拉深模是把板料毛坯制成开口空心件，或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。（4）成形模是将毛坯或半成品工件按凸、凹模的形状直接复制成形，而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。2.根据工序组合程度分类（1）单工序模在压力机的一次行程中,只完成一道冲压工序的模具。（2）复合模只有一个工位,在压力机的一次行程中，在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。（3）级进模(也称连续模)在毛坯的送进方向上，具有两个或更多的工位，在压力机的一次行程中，在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。3.3冲裁工艺与模具结构冲裁是利用模具使板料沿一定轮廓线产生分离的冲压工序。冲裁时所使用的模具称为冲裁模。冲裁工艺的种类很多，常用的有切断、落料、冲孔、切边、切口、剖切等，其中落料和冲孔应用最多。落料是沿工件的外形封闭轮廓线冲切，冲下部分为工件。冲孔是沿工件的内形封闭轮廓线冲切，冲下部分为废料。图3-20所示的垫圈即由落料和冲孔两道工序完成，图3-20(a)所示为落料，图3-20(b)所示冲孔，图3-20(c)所示为最后完成的垫圈产品。落料与冲孔的变形性质完全相同，但在进行模具设计时，模具尺寸的确定方法不同，因此，工艺上必须作为两个工序加以区分。冲裁工艺是冲压生产的主要方法之一，主要有以下用途：1.直接冲出成品零件；2.为弯曲、拉深、成形等其它工序备料；3.对已成形的工件进行再加工（如切边，切舌，拉深件、弯曲件上的冲孔等）。3.3.1冲裁变形过程在冲裁过程中，冲裁模的凸、凹模组成上下刃口，在压力机的作用下，凸模逐渐下降，接触被冲压材料并对其加压，使材料发生变形直至产生分离。板料的冲裁是瞬间完成的。当模具间隙正常时，整个冲裁变形分离过程大致可分为三个阶段，如图3-20所示。1.弹性变形阶段(图3-21a)当凸模开始接触板料并下压时，凸模与凹模刃口周围的板料产生应力集中现象，使材料产生弹性压缩、弯曲、拉深等复杂的变形。板料略有挤入凹模洞口的现象。此时，凸模下的材料略有弯曲，凹模上的材料则向上翘。间隙越大，弯曲和上翘越严重。随着凸模继续压入，直到材料内的应力达到弹性极限。2.塑性变形阶段(图3-21b)当凸模继续下压，材料内的应力达到屈服点，材料进入塑性变形阶段。凸模切入板料上部，同时板料下部挤入凹模洞口。在板料剪切面的边缘由于弯曲拉伸等作用形成形成圆角，同时由于塑性剪切变形在切断面上形成一小段光亮且与板面垂直的直边。随着凸模挤入板料深度的增大，塑性变形程度增大，变形区材料硬化加剧，冲裁变形抗力不断增大，直到刃口附近侧面的材料由于拉应力的作用出现微裂纹时，塑性变形阶段结束，此时冲裁变形抗力达到最大值。由于凸、凹模间存在间隙，故在这个阶段中板料还伴随着弯曲和拉伸变形。间隙越大，弯曲和拉伸变形也越大。3.断裂分离阶段(图3-21c)当板料的应力达到强度极限后，凸模继续下压，凹模刃口附近的侧面材料内产生裂纹，紧接着凸模刃口附近的侧面材料产生裂纹。已形成的上下微裂纹随凸模继续压入不断向材料内部扩展，当上下裂纹重合时，板料便被剪断分离。随后，凸模将分离的材料推人凹模洞口。由上述冲裁变形过程的分析可知，冲裁过程的变形是很复杂的，除了剪切变形外，还存在拉深、弯曲与横向挤压等变形。所以冲裁件及废料的平面不平整，常有翘曲现象。3.3.2冲裁件的断面特征在正常冲裁工作条件下，在凸模刃口产生的剪切裂纹与在凹模刃口产生的剪切裂纹是相互汇合的，这时可得到图3-22所示的冲裁件断面，它具有如下四个特征区。1.塌角（圆角）区该区域是由于当凸模刃口压入材料时，刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形，材料被拉入凸凹模间隙形成的。冲孔工序中，塌角位于孔断面的小端；落料工序中，塌角位于工件断面的大端。板料的塑性越好，凸、凹模之间的间隙越大，形成的塌角也越大。2.光亮带该区域发生在塑性变形阶段。当刃口切入板料后，板料与凸、凹模刃口的侧表面挤压而形成光亮垂直的断面。通常占全断面的1/3～1/2。冲孔工序中，光亮带位于孔断面的小端；落料工序中，光亮带位于零件断面的大端。板料塑性越好，凸、凹模之间的间隙越小，光亮带的宽度越宽。光亮带通常是测量带面，影响着制件的尺寸精度。3.断裂带该区域是在断裂阶段形成。断裂带紧挨着光亮带，是由刃口附近的微裂纹在拉应力作用下不断扩展而形成的撕裂面，断裂带表面粗糙，并带有4°~6°的斜角。在冲孔工序中，断裂位于孔断面的大端；在落料工序中，断裂位于零件断面的小端。凸、凹模之间的间隙越大，断裂带越宽且斜角越大。4.毛刺(图3-22)毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期，凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时，刃口正面材料被压缩，刃尖部分是高静压应力状态，使裂纹的起点不会在刃尖处发生，而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生，在拉应力的作用下，裂纹加长，材料断裂而产生毛刺，裂纹的产生点和刃口尖的距离成为毛刺的高度。在普通冲裁中毛刺是不可避免的。影响冲裁件断面质量的因素很多，其中影响最大的是凸、凹模之间的冲裁间隙。在具有合理间隙的冲裁条件下，所得到的冲裁件断面塌角较小，有正常的光亮带，其断裂带虽然粗糙，但比较平坦，斜度较小，毛刺也不明显。3.3.3冲裁模具的典型结构由于冲裁件形状、尺寸、精度和生产批量及生产条件不同，冲裁模的结构类型也不同,下面介绍常见冲裁模的典型类型和结构。1.落料模的典型结构（1）导柱式弹顶落料模如图3-23（a）所示，模具由上、下模两部分构成，上模由上模座1、模柄5、垫板8、凸模固定板9、凸模10、卸料板11、导套22和螺钉、销钉等零件组成；下模由凹模12、顶件