冲压模具设计——第二章

简介：冲裁是最基本的冲压工序。本章是本课程的重点之一。在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上，介绍冲裁工艺计算、工艺方案制定。涉及冲裁变形过程分析、冲裁件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲裁力与压力中心计算等。第二章冲裁工艺及冲裁模具的设计金属的应力-应变图1-实际应力曲线2-假象应力曲线冲压变形理论基础塑性：表示材料塑性变形能力。它是指固体材料在外力作用下发生永久变形而不破坏其完整性能力。一、塑性变形的基本概念塑性指标：衡量金属塑性高低的参数。常用塑性指标为延伸率δ和断面收缩率ψ。%100%1000000FFFLLLkk变形：弹性变形、塑性变形。冲压变形理论基础金属受外力作用产生塑性变形后不仅形状和尺寸发生变化，而且其内部的组织和性能也将发生变化。一般会产生加工硬化或应变刚现象：塑性变形对金属组织和性能的影响金属的机械性能，随着变形程度的增加，强度和硬度逐渐增加，而塑性和韧性逐渐降低；晶粒会沿变形方向伸长排列形成纤维组织使材料产生各向异性；由于变形不均，会在材料内部产生内应力，变形后作为残余应力保留在材料内部。冲压变形理论基础3．金属塑性变形时的应力应变关系塑性力学基础（续）弹性变形阶段：应力与应变之间的关系是线性的、可逆的，与加载历史无关；第一章冷冲压模具设计与制造基础塑性变形阶段：应力与应变之间的关系则是非线性的、不可逆的，与加载历史有关。131332322121第三节冲压变形理论基础1．硬化规律四、金属塑性变形的一些基本规律加工硬化：硬化曲线：σ=Aεn塑性降低，变形抗力提高。能提高变形均匀性。实际应力曲线或真实应力曲线。表示硬化规律。这种变化规律可近似用指数曲线表示。第三节冲压变形理论基础3．体积不变条件四、金属塑性变形的一些基本规律（续）金属材料在塑性变形时，体积变化很小，可以忽略不计。一般认为金属材料在塑性变形时体积不变，可证明满足：ε1+ε2+ε3=0第三节冲压变形理论基础4．最小阻力定律四、金属塑性变形的一些基本规律（续）在塑性变形中，破坏了金属的整体平衡而强制金属流动，当金属质点有向几个方向移动的可能时，它向阻力最小的方向移动。在冲压加工中，板料在变形过程中总是沿着阻力最小的方向发展。这就是塑性变形中的最小阻力定律。弱区先变形，变形区为弱区第三节冲压变形理论基础1．冲压成形性能五、冲压材料及其冲压成形性能材料的冲压成形性能：材料的冲压性能好成形极限高成形质量好便于冲压加工冲压成形性能是一个综合性的概念成形极限高成形质量好材料对各种冲压加工方法的适应能力。冲压加工的依据。第三节冲压变形理论基础2．冲压成形性能的试验方法五、冲压材料及其冲压成形性能（续）间接试验和直接试验3．板料的机械性能与冲压成形性能的关系板料的强度指标越高，产生相同变形量的力就越大；塑性指标越高，成形时所能承受的极限变形量就越大；刚度指标越高，成形时抵抗失稳起皱的能力就越大。不同冲压工序对板料的机械性能的具体要求有所不同。冲裁模：冲裁：利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。1、基本工序：落料和冲孔。包括切口、修边等2、范畴：包括板料加工中利用模具产生分离的一切工序，即板料分离工序的总称。3、落料、冲孔变形机理是一样的。但因所取不同，模具设计原则不一样。冲裁工序所使用的模具。它是冲裁过程必不可少的工艺装备。特点：凸、凹模刃口锋利，间隙小。分类:普通冲裁模、精密冲裁模第一节冲裁过程分析一、冲裁变形区力学分析1、板料受力冲裁时作用于板料上的力1-凸模2-板材3-凹模四对力：Fp1、Fp2—模具对板的垂直作用力F1、F2—模具对板的侧压力Fp1、Fp2—模具端面与板料间的摩擦力F1、F2—模具侧壁与板料间的摩擦力一个力矩：由于凸、凹模间隙存在，产生弯矩。弯曲使变形不均匀，刃口处受力最大2、变形区应力状态（无卸料板压紧板料时）1—径向应力，2—切向应力，3—轴向应力A：—凸模下压引起轴向拉应力3（+），弯曲与凸模侧压致径向压应力1（-），切向为弯曲引起的压应力与侧压引起的拉应力的合成应力2（-）B：—模具下压与板弯曲引起三向压应力C：—板料纤维方向1（+），轴向3（-）D：—凹模挤压致3（-），板弯曲致1（+）2（+）E：—轴向拉应力3（+），合成应力2（？）1（？）可能受拉，也可能受压，与间隙有关。间隙正常、刃口锋利情况下，冲裁变形过程按凸模行程可分为三个阶段：二、冲裁变形过程1．弹性变形阶段变形区内部材料应力小于屈服应力。2．塑性变形阶段变形区内部材料应力状态满足塑性条件或屈服条件。3．断裂分离阶段变形区内部材料应力大于强度极限。裂纹首先产生在凹模刃口侧面的板料中继而在凸模刃口侧面处产生上、下裂纹扩展相遇而聚合，大致沿最大剪应变速度方向发展材料分离冲裁件质量：第二节冲裁件的质量分析垂直、光洁、毛刺小图纸规定的公差范围内外形满足图纸要求；表面平直，即拱弯小指断面质量、尺寸精度和形状误差。1、冲裁件断面组成与表面质量断面的形成、组成与特征圆角带（塌角）a：刃口压入时附近的材料产生弯曲和伸长变形。光亮带b：塑性剪切变形。表面光滑，断面质量最好的区域。决定孔或落料件的尺寸断裂带c：裂纹形成及扩展形成的撕裂面。断面粗糙，有斜度。毛刺区d：由于间隙存在，裂纹产生不在刃尖，毛刺不可避免。此外，间隙不正常、刃口不锋利，还会加大毛刺。表面质量垫圈的落料与冲孔a)落料b)冲孔落料冲孔复合模1-下模板2-卸料螺钉3-导柱4-固定板5-橡胶6-导料销7-落料凹模8-推件块9-固定板10-导套11-垫板12、20-销钉13-上模板14-模柄15-打杆16、21-螺钉17-冲孔凸模18-凸凹模19-卸料板22-挡料销冲裁区应力、变形和冲裁件正常的断面状况a）冲孔件b）落料件毛刺断裂带光亮带塌角冲裁变形过程2、冲裁件断面质量的影响因素(1)材料性能的影响(2)模具间隙的影响间隙小，出现二次剪裂，产生第二光亮带间隙大，出现二次拉裂，产生二个斜度(3)模具刃口状态的影响当凸模刃口磨钝时，则会在落料件上端产生毛刺；当凹模刃口磨钝时，则会在冲孔件的孔口下端产生毛刺；当凸、凹模刃口同时磨钝时，则冲裁件上、下端都会产生毛刺。a、b、d大，c小3、冲裁件尺寸精度及其影响因素冲裁件的尺寸精度：指冲裁件的实际尺寸与图纸上基本尺寸之差。影响因素：该差值包括两方面的偏差：一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差；二是模具本身的制造偏差。（1）冲模的制造精度（零件加工和装配）（2）材料的性质（3）冲裁间隙（4）冲裁件的形状（5）模具结构第三节冲裁间隙一、间隙的重要性冲裁间隙Z：Z=DA-dT指冲裁模中凹模刃口横向尺寸DA与凸模刃口横向尺寸dT的差值。亦称双面间隙，用Z表示。Z/2称为单面间隙，通常用c表示。c=（DA-dT）/21、间隙对冲裁件质量的影响间隙的大小与分布的均匀性是影响冲裁件质量的主要因素。1）间隙对冲裁断面质量的影响间隙小，材料弯曲与拉应力，裂纹较晚产生光亮带，出现二次剪裂，产生第二光亮带；间隙大，材料弯曲与拉应力，裂纹较早产生光亮带，塌角、剪裂带间隙合适，上下裂纹与最大切应力方向一致、重合，断面平直、光洁，毛刺断面质量较好。为合理冲裁间隙。2）间隙对尺寸精度的影响间隙大，材料弯曲与拉应力工件脱模后弹性恢复：孔尺寸凸模尺寸;落料尺寸凹模尺寸间隙小，材料受凸凹模挤压力脱模后弹性恢复：孔尺寸凸模尺寸;落料尺寸凹模尺寸3）间隙对工件弯曲度的影响材料受弯矩作用变形时产生弯曲脱模后工件残留有一定的弯曲度间隙大，冲压件曲率半径工件弯曲严重2、间隙对冲裁力的影响间隙小，材料受拉应力，压应力冲裁力，且产生裂纹后冲裁力不是急剧下降。间隙增大，冲裁力有一定程度的降低，但影响不是很大。间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。随间隙增大，卸料力和推件力都将减小。间隙合适，上下裂纹与最大切应力方向一致、重合产生裂纹后剪切力急剧下降。小间隙将使磨损增加，甚至使模具与材料之间产生粘结现象，并引起崩刃、凹模胀裂、小凸模折断、凸凹模相互啃刃等异常损坏。为了延长模具寿命，在保证冲裁件质量的前提下1)采用适当或较大的间隙值；2)减缓间隙不均匀的影响；3)采用小间隙时必须提高模具硬度与光洁度、精度；4)改善润滑条件，减少磨损。3、间隙对模具寿命的影响模具寿命分为刃磨寿命和模具总寿命。失效原因：磨损、变形、崩刃、折断和胀裂。二、冲裁模间隙值的确定从使用角度：iii）对尺寸精度和断面垂直度要求高的工件，取较小合理间隙。iv）对尺寸精度和断面垂直度要求不高的工件，以降低冲裁力、提高模具寿命为主，取较大的合理间隙。从设计角度：i）考虑到生产过程中的磨损使间隙变大，在设计与制造新模具时应采用最小合理间隙Zminii）材料愈硬愈厚，所需合理间隙值愈大1.确定原则：1）理论确定法——以保证变形时上下裂纹重合为基础2）经验确定法（查表）tan12tan200ththtZ2.确定方法：较小间隙值—高精度要求时较大间隙值—精度要求不高Z=f（t，或）非唯一性：不同的国家、不同的行业，根据各自工件设计精度要求和制造业的水平不同，有不同的经验表格与数据间隙对剪切裂纹与断面质量的影响a）间隙过小b）间隙合理c）间隙过大凸、凹模刃口磨钝时毛刺的形成情况第四节凸模和凹模工作部分尺寸的计算1．冲裁件的断面都带有锥度。光亮带是测量和使用部位，落料件的光亮带处于大端尺寸，冲孔件的光亮带处于小端尺寸；且落料件的大端（光面）尺寸等于凹模尺寸，冲孔件的小端（光面）尺寸等于凸模尺寸。2．凸模轮廓越磨越小，凹模轮廓越磨越大，结果使间隙越用越大。一、凸、凹模刃口尺寸计算原则生产实践发现的规律：1、先确定基准件落料：以凹模为基准，间隙取在凸模上；冲孔：以凸模为基准，间隙取在凹模上。2、考虑冲模的磨损规律设计落料模时，凹模刃口磨损工件尺寸。凹模基本尺寸应取接近或等于工件的最小极限尺寸；设计冲孔模时，凸模刃口磨损工件孔尺寸。凸模基本尺寸则取接近或等于工件孔的最大极限尺寸。模具磨损预留量与工件制造精度有关。计算原则：3、冲裁（设计）间隙一般选用最小合理间隙值Zmin。4、选择模具刃口制造公差时，要考虑工件精度与模具精度的关系，即要保证工件的精度要求，又要保证有合理的间隙值。一般冲模精度较工件精度高2~3级；对未注工件公差尺寸：非圆形工件：零件按IT14级处理，冲模取IT11级圆形工件：零件按IT9~10级处理，冲模取IT6~7级（加工/测量方法）1、凹模、凸模分开加工/特点二、凸、凹模刃口尺寸的计算方法具有互换性、制造周期短，但合理间隙范围不易保证，需提高加工精度，增加制造难度。圆形、简单形状多用分开加工方法。合理间隙范围易保证，无互换性、制造周期长。复杂形状多用配合加工方法。配合件以合理间隙Zmin~Zmax配作。2、凹模、凸模配合加工/特点模具刃口计算、标注原则1、凹模、凸模分开加工分别计算凹、凸模刃口尺寸分别标注凹模、凸模刃口尺寸与制造公差。只标注模具基准件（工件外形－凹模；或工件孔－凸模）的刃口尺寸与制造公差；配合件以合理间隙Zmin~Zmax配作。只标注基本尺寸，但特别注明“与……零件配作（配制）”2、凹模、凸模配合加工1、按凸模与凹模图样分别加工法（1）落料：（工件尺寸：D）dxDDd0max0minmax0minppZxDZDDdp（2）冲孔（工件尺寸：d）0minpxddpddZxdZddpd0minmin0min（3）（多孔凹模）孔心距（工件尺寸：=L±dL81+00—基准基准L±21为了保证可能的初始间隙不超过Zmax，即≤凸、凹模的制造公差，可按IT6～IT7级来选取，也可查表选取，但需校核。或取dPdPminmaxZZp≤minmax4.0ZZd≤mi