冲压工艺及模具设计

冲压工艺及模具设计冲压是一种金属塑性加工方法，其坯料主要是板材、带材、管材及其他型材，利用冲压设备通过模具的作用，使之获得所需要的零件形状和尺寸。材料、模具和设备是冲压的三要素。冲压加工要求被加工材料具有较高的塑性和韧性，较低的屈强比和时效敏感性，一般要求碳素钢伸长率δ≥16%、屈强比σs/σb≤70%，低合金高强度钢δ≥14%、σs/σb≤80%。否则，冲压成形性能较差，工艺上必须采取一定的措施，从而提高了零件的制造成本。模具是冲压加工的主要工艺装备。冲压件的表面质量、尺寸公差、生产率以及经济效益等与模具结构及其合理设计的关系很大。6-1概述特点：无屑加工，材料利用率高。在压力机简单冲压下，能，能得到形状复杂的零件。完成的零件一般不需要进一步加工，可直接用来装配，并具有一定精度和互换性。被加工的金属在再结晶温度一下产生变形，不产生切屑，变形中金属产生加工硬化。生产率高。冲压零件的质量主要靠冲模保证所以操作简单，要求工人技术等级不高便于组织生产。在大量生产的条件下，产品的成本低。缺点是模具要求高、制造复杂、周期长、制造费用高冲压工艺分类一、按变形性质分分离工序和成形工序1、分离工序被加工材料在外力作用下产生变形，当作用在变形部分的应力达到了材料的抗剪强度，材料便产生剪裂而分离。剪裁、冲孔、落料、切口、切边、剖切。2、成形工序被加工材料在外力作用下，作用在变形部分的相当应力处于材料的屈服强度和抗拉强度之间，材料仅仅产生塑性变形，从而获得一定形状和尺寸的零件。弯曲：压弯把坯料弯成一定的形状卷板对板料进行连续三点弯曲，制成曲面形状不同的零件滚弯通过一系列轧辊把平板卷料滚弯成复杂形状拉弯在拉力与弯矩共同作用下实现弯曲变形可得精度较好的零件拉深拉深把平板形坯料制成空心工件、壁厚基本不变变薄拉深把空心工件拉深成侧壁比底部为薄的工件成形缩口把空心工件的口部缩小翻边把工件的外缘翻起圆弧或曲线状的竖立边缘翻孔把工件上有孔的边缘翻出竖立边缘扩口把空心工件的口部扩大，常用于管子起伏把工件上压出筋条，花纹或文字，在起伏处的整个厚度上都有变形卷边把空心件的边缘卷成一定形状胀形使工件的一部分凸起，呈凸肚形整形把形状不太准确的工件校正成形，如获得小的r等校平校正工件的平直度压印在工件上压出文字或花纹，只在制件厚度的一个平面上有变形按照冲压工序的组合方式分有：简单工序一副模具只完成零件的一个工序组合工序1、复合冲压在压力机的一次行程中，在模具的同一位置上同时完成两种或两种以上的简单工序2、连续冲压在压力机的一次行程中，在模具的不同位置上同时完成两种或两种以上的简单工序3、连续-复合冲压在一副模具内包括连续冲压和复合冲压的组合工序6-2冲裁工艺与模具设计落料和冲孔统称为冲裁。落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯料变形和模具结构相同，只是用途不同。落料时被分离的部分为所需工件，留下的周边部分为废料，冲孔则相反。为能顺利地完成冲裁过程，要求凸模和凹模都有锋利的刃口，且凸模与凹模之间的间隙Z适当。冲裁件品质和冲裁模结构与冲裁时板料的塑性变形有关。同时还包括切口、剖切、整修和精密冲裁。冲裁所得到的零件可直接作为零件使用或作为弯曲、拉深、成形等其它工序的毛坯。1、冲裁变形过程弹性变形阶段当凸模与板料接触时，便开始冲裁由于凸模和凹模之间有间隙，板料在承受凸模较小压力的同时，也受到弯矩的作用，板料不仅产生弹性压缩也产生弯曲和拉伸变形，结果是凸模下的材料挤入凹模孔口内，凹模上面的材料向上翘，在凸模与凹模间形成很小的圆角。塑性变形阶段凸模继续下降刃口处由于应力集中，材料应力首先达到屈服强度，板料进入塑性变形阶段。断裂分离阶段当刃口附近材料达到极限应变和应力时，材料裂纹便产生。第一节冲裁工艺分析冲裁时的变形区冲裁时材料的变形是由其受力状况决定的，上下刃尖连线为中心的纺锤形区域为主要变形区，从模具刃尖向材料中心变形区逐渐扩大，当凸模挤入材料后，新形成的纺锤形变形区被以前已经变形而冷作硬化了的区域所包围。2、板料受力情况如图，凸模下行与板面接触时，材料受到凸凹模端面的压力作用，使作用力点间的材料产生剪切变形，由于间隙的存在，两个力不在一个垂直线上，故材料受到弯矩作用，而是材料翘曲材料向凸模侧面靠近凸模端面下的材料被强迫压进凹模，故材料受横向侧压力，产生横向挤压变形。此外材料在模具端面和侧面还受摩擦力。所以说冲裁时由于有间隙的存在材料受垂直方向的压力、切力、横向挤压力、弯矩和拉力作用冲裁变形过程中冲裁力与凸模行程关系图。AB段弹性变形阶段。凸模开始接触板料时，由于板料翘曲，力增加缓慢，之后便迅速增加。BC段为塑性变形阶段。切刃一旦挤入板料，力的上升缓慢下来，主要是因为虽然承受力的板料面积减少了，但是材料硬化的影响超过了剪切面积的减小的影响，冲裁力仍然上升。当硬化与受切面积两者影响达到相等时，冲裁力便达到最大值。CD为裂纹扩展直至板料断裂阶段，这一阶段中，受切面积的减少超过了硬化的影响，于是冲裁力下降。DE则是凸模的推料过程。第二节冲裁件质量和影响因素一、冲裁件断面特征有圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四部分1、圆角带光滑的圆弧带，是刃口刚压入材料时，刃口附近的材料牵连拉入产生弯曲和伸长变形的结果2、光亮带由于板料产生塑性变形时，材料在和模具侧面接触中被模具侧面挤光而形成的光亮垂直的断面。3、断裂带是由于刃口处的微裂纹在拉应力的作用下不断扩展断裂而形成。4、毛刺塑性变形阶段后期产生，凸模和凹模的刃口切入一定深度后刃口正面材料被压缩，刃尖部分为压力状态，使裂纹起点不在刃尖处，而在距刃尖不远的模具侧面，此处受拉应力裂纹加长，材料断裂而产生毛刺。二、冲裁件尺寸无论是孔还是落下的料，其尺寸都有大小两个部分，小的部分等于凸模尺寸，而大的部分等于凹模尺寸。冲孔尺寸等于凸模刃口尺寸，落料件尺寸等于凹模刃口尺寸。三、影响冲裁件质量的因素冲裁件质量是指断面质量、尺寸精度及形状误差，剪切断面应垂直光滑，尺寸及制件外形应满足图样要求，表面尽可能平整。（一）影响断面质量的因素1、材料性能的影响塑性好则裂纹出现较迟，板料被剪切的深度大，光亮带占比例大，毛刺也较大，断裂带较窄。2、模具间隙的影响断面质量与裂纹走向有关，而裂纹走向与间隙有关。间隙大小关系剪切时附加变形的大小，也决定着凸凹模刃口附近板料产生的上、下裂纹是否重合。只有凸凹模间隙适当，裂纹才重合，此时零件断面斜度很小，且比较平直光滑，毛刺小，无裂纹分层断面质量比较满意。如图。3、模具刃口钝利情况的影响凸模钝落料件产生毛刺，凹模钝，冲孔件产生毛刺。4、模具和设备导向情况模具导向装置精度高，压力机滑块导向精确可靠，则可保证冲裁时间隙合理，冲裁件断面质量就好。（二）影响尺寸精度的因素冲裁件尺寸精度是指冲裁件实际尺寸与基本尺寸的差值，差值越小，则冲裁件精度越高。这个差值主要有模具本身的制造、磨损引起的偏差；冲裁件相对于凸、凹模尺寸的偏差。1、模具制造精度的影响2、模具间隙的影响落料δ=零件外形实际尺寸-凹模刃口尺寸冲孔δ=零件孔实际尺寸-凸模刃口尺寸3、材料性质、厚度和轧制方向的影响4、零件形状尺寸的影响6-3冲裁模间隙一、间隙对冲裁工作的影响1、对零件质量的影响2、对冲裁力的影响3、对模具寿命的影响二、合理间隙值的确定设计模具时一定要选择合理的间隙，使冲裁件的断面质量好，所需冲裁力较小，模具寿命较高。生产中通常是选择一个适当的范围做为合理间隙，只要间隙在这个范围内，就能得到合格的产品和较长的模具寿命。分别为Zmin和Zmax，（一）理论确定法理论确定法的主要根据是保证上下裂纹重合，以获得良好的冲裁断面。影响间隙值的主要因素是材料的性质和厚度，材料愈硬愈厚，所需合理间隙值愈大。6-4凸、凹模刃口尺寸的计算一、凸、凹模刃口尺寸的计算原则依据：冲裁变形规律，即落料件尺寸与凹模刃口尺寸相等，冲孔尺寸与凸模刃口尺寸相同。零件的尺寸精度合理的间隙值冲模的加工制造方法。原则：保证冲出合格的零件根据冲裁变形规律，冲孔尺寸等于凸模刃口尺寸，落料件尺寸等于凹模刃口尺寸。因而冲孔时应以凸模为基准件；落料时，以凹模为基准件，基准件的尺寸应在零件的公差范围内。冲孔时间隙取在凹模上，落料时间隙取在凸模上。保证模具有一定的使用寿命考虑冲模制造修理方便、减低成本二、刃口尺寸计算方法制造冲模的关键主要是控制凸、凹模的刃口尺寸及其合理间隙。由于模具加工方法不同，凸、凹模刃口尺寸的计算公式和公差标注也不同（一）凸模与凹模分别加工这种方法使用于圆形或简单规则形状的冲裁件。采用这种方法要分别标注凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差（凸模δp、凸模δd)需要满足：δp+δd≤Zmax-Zminδp=0.4（Zmax-Zmin）δd=0.6（Zmax-Zmin）冲孔：设工件孔的尺寸为，根据以上原则首先确定基准件的凸模刃口尺寸，使凸模基本尺寸接近或等于工件孔的最大极限尺寸，再增大凹模尺寸以保证最小合理间隙Zmin。凸模制造偏差取负偏差，凹模取正偏差。0()ppddx0dmin0min0()()dddpddZdxZ-------冲孔凸、凹模直径pddd、pd、-------凸、凹模制造公差-------工件制造公差落料：设工件尺寸为。根据上述原则，落料时首先确定凹模尺寸，使凹模公称尺寸接近或等于工件轮廓的最小极限尺寸，再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值。minZD0()ddDDx0minmin()()pppdDDZDxZpdDD、------落料凸、凹模尺寸x--------磨损量（二）凸模与凹模配合加工对于形状复杂或料薄的工件，为了保证凸、凹模间一定的间隙值，一般采用配合加工。即先做好其中的一件作为基准件，然后以此基准件为标准来加工另一件，使它们之间保持一定的间隙。只在基准件上标注尺寸和制造公差，另一件只标注基本尺寸并著名配做所六间隙值。δ=Δ/4。1、冲孔以凸模为基准，然后配做凹模，一般分三种：变小的尺寸变大的尺寸无变化的尺寸2、落料应以凹模为基准件，然后配做凸模变大的尺寸变小的尺寸无变化的尺寸6-5排样一、排样的意义和材料利用率排样：冲裁件在条料、带料或板料上的布置方法。材料利用率：减少废料面积，废料包括结构废料和工艺废料。结构废料：由零件的形状特点产生的废料。一般不能改变但可利用大尺寸的结构废料冲制小尺寸的零件。工艺废料：由零件之间和零件与条料侧边之间的废料，以及料头、料尾所产生的废料。要提高材料利用率，主要是减少工艺废料着手，设计合理排样方案，在不影响设计要求的情况下，改善零件结构。二、排样形式的确定1、有废料排样沿零件全部外形冲裁，零件周边都留有剩料。2、少废料排样沿零件部分外形切断或冲裁只局部有剩料。3、无废料排样除头尾外无任何废料影响排样形式的主要因素：零件的形状零件的断面面积、精度材料利用率冲模结构模具寿命操作的方便和安全生产率直排几何形状简单的零件斜排T形或其他复杂零件对排T、Ⅱ、Ⅲ形零件混排两个材料及厚度相同的零件有搭边排样形式选择多排大批量生产中轮廓尺寸较小的零件冲裁搭边大批量生产中小而窄的零件无搭边排样形式直排矩形零件斜排T形或其他形状的零件，外形允许有不大缺陷对排梯形零件混合排两个外形互相嵌入的零件多排大批量生产中尺寸较小的矩形、方形和六角形零件冲裁搭边用宽度均匀的条料或卷料制造的长形件板料排样三、搭边是指排样时零件之间以及零件与条料侧边之间留下的剩料。作用是使条料定位，保证零件的质量和精度，补偿定位误差，确保冲出合格的零件，并使条料具有一定的刚度，不弯曲，便于送进，并能使模具寿命提高。搭边值大小有关因素：材料的机械性能硬材料的搭边值小一点，软材料和脆材料要大一些。工件的形状和尺寸工件尺寸大或是有尖突的复杂形状时要大一些材料厚度厚材料的的要大一些送料及挡料方式手工送料有侧压板导向的要小一些6-6冲裁工艺力的确定1、计算冲裁力目的是为了合理选用压力机和设计模具平刃模具冲裁时，其冲裁力可以利用下式：F0=