第八章板料的冲压工艺

第八章板料的冲压工艺第一节分离工序第二节变形工序第三节冲模的分类和构造第四节冲压工艺过程的制定板料冲压：是利用装在冲床上的冲模对金属板料加压，使之产生变形或分离，从而获得零件或毛坯的加工方法。板料冲压又称薄板冲压或冷冲压。板料冲压通常在室温下进行，故又称冷冲压。当板料厚度超过810mm时，需采用热冲压。板料冲压的特点：1）在常温下加工，金属板料必须具有足够的塑性和较低的变形抗力。2）金属板料经冷变形强化，获得一定的几何形状后，结构轻巧，重量轻，强度和刚度较高。3）冲压件尺寸精度高，质量稳定，互换性好，一般不需机械加工即可作零件使用，节省原材料。5）可以冲压形状复杂的零件，废料少。6）冲压模具结构复杂，精度要求高，制造费用高，只适用于大批量生产。冲压工艺广泛应用于汽车、飞机、农业机械、仪表电器、轻工和日用品等工业部门。板料冲压的基本工序板料冲压的基本工序按变形性质可分为分离工序和变形工序两大类。4）冲压生产操作简单，生产率高，便于实现机械化和自动化。第一节分离工序分离工序是使坯料的一部分与另一部分相互分离的工序。如落料、冲孔、切断、精冲等。一、落料及冲孔落料是被分离的部分为成品，而周边是废料；冲孔是被分离的部分为废料，而周边是成品;落料及冲孔（统称冲裁）是使坯料按封闭轮廓分离的工序。51板料的冲裁过程如下图所示。凸模与凹模具有与工件轮廓一样的刃口，凸、凹模之间存在一定的间隙。当压力机滑块将凸模推下时，放在凸、凹模之间的板料冲裁成所需的工件。板料的冲裁示意图1.冲裁过程图8-1冲裁时板料的变形过程冲裁时板料的变形过程可分为三个阶段，如图8-1所示。①当凸模开始接触板料并下压时，板料产生弹性压缩、弯曲、拉伸等变形；②凸模继续下压，板料的应力达到屈服点，板料发生塑性变形；③当板料应力达到抗剪强度时，板料在与凸、凹模刃口接触处产生裂纹，当上下剪裂纹相连时，板料便分成了两部分。（1）冲裁变形过程可分为三个阶段①蹋角（圆角）带：刃口附近材料被弯曲和拉伸的结果。②光亮带：塑性变形过程中凸模（或凹模）挤压切入材料，使其受到剪切和挤压应力的作用而形成。表面光滑，断面质量最好。③剪裂（断裂）带：由于刃口处的微裂纹在拉应力作用下不断扩展断裂而形成。表面粗糙，略带斜度。④毛刺：微裂纹出现时产生,冲头继续下行时被拉长。（2）冲裁件切断面上的区域特征冲裁件的切断面不很光滑，并有一定锥度，它可分为如下几个区域：2.冲裁凸凹模间隙52冲裁间隙是指冲裁凸模与凹模之间工作部分的尺寸之差，如图所示，即：Z=D凹－D凸冲裁间隙不仅对冲裁件的质量起决定性的作用，而且直接影响模具的使用寿命。图冲裁间隙间隙过小：凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向外错开。两裂纹之间的材料随着冲裁的进行将被第二次剪切，在断面上形成第二光亮带；因间隙太小，凹凸模受到金属的挤压作用增大，增加了材料与凹凸模之间的摩擦力，刃口所受压力增大，造成模具刃口变形及端面磨损加剧，加剧了凹凸模的磨损，缩短了模具寿命。严重时甚至发生崩刃现象。间隙过大：凸模刃口处裂纹相对于凹模刃口裂纹向内错开。板料受拉伸、弯曲的作用加大，拉应力增大，易产生剪裂纹，塑性变形阶段较早结束，致使切断面光亮带减小，剪切断面圆角（塌角）和锥度增大，导致冲裁件平面产生翘曲现象，上下裂纹不重合，工件有明显的厚而大的拉断毛刺，且难以去除。因此，落料件的外形尺寸较小，冲孔件的内腔尺寸增大，品质较差。但推件力和卸料力却大为减少，甚至为零，材料对凹凸模的摩擦作用大大减弱，故模具的寿命较长。适用于公差无特殊要求的批量较大的冲裁件。•较小的间隙有利于提高冲裁件的质量。•较大的间隙则有利于提高模具的寿命。•间隙合理：间隙合理时，上下裂纹重合一线，冲裁力、卸料力和推件力适中，模具有足够长的寿命。光亮带占板厚的1/2~1/3，圆角带、断裂带和锥度很小。零件的尺寸几乎与模具一致。影响间隙值的主要因素：是板料厚度及材料性质。板料厚度愈大，间隙数值愈大，反之板料愈薄则间隙愈小。通常冲裁软钢、铝合金、铜合金等材料时，模具间隙取板厚的6％～8％，冲裁硬钢等材料时，模具间隙取板厚的8％～12％。实际生产中，模具的间隙数值可通过查表8-1获得，合理的间隙值有相当大的变动范围，约为5％～25％，在保证冲裁件质量的前提下，应采用较大的间隙。3.凸模、凹模刃口部分尺寸计算53冲孔和落料所用的模具结构基本相同，但刃口部分的尺寸有所区别。凸模和凹模刃口尺寸直接决定了冲裁件的尺寸和间隙大小，是模具中最重要的尺寸。模具刃口设计原则如下：①落料时，落料件的尺寸是由凹模决定的，因此应以落料凹模为设计基准。冲孔件的尺寸是由凸模决定的，因此应以冲孔凸模为设计基准。②模具磨损后将使模具凹模尺寸变大，凸模尺寸变小，因此设计模具时，对于落料件，凹模是设计基准，凹模刃口尺寸应接近落料件的最小极限尺寸，凸模刃口尺寸比凹模缩小一个间隙量；对于冲孔件，凸模是设计基准，凸模刃口尺寸应接近冲孔件的最大极限尺寸，凹模刃口尺寸比凸模放大一个间隙量。具体计算公式如下：凹＝（凹0max)xDD落料：冲孔：0min)(凸－＝凹凸ZDD0min)(凸＝凸xdd凹＋＝凸凹0min)(Zdd4.冲裁力的计算54式中：D凹、D凸──分别为落料凹模和凸模的基本尺寸，mm；d凸、d凹──分别为冲孔凸模和凹模的基本尺寸，mm；Dmax──落料件的最大极限尺寸，mm；dmin──冲孔件的最小极限尺寸，mm；Δ──冲裁件的公差，mm；x──磨损系数，其值应在0.5~1之间，与冲裁精度有关。当工件公差为IT10以上时，x=1，当工件公差为IT11~IT13时，x=0.75，当工件公差为IT14以下时，x=0.5。δ凹、δ凸─分别为凹模和凸模的制造公差。冲裁时材料对模具的最大抗力称为冲裁力。冲裁力是选择压力机的主要依据，也是设计模具所必须的依据。冲裁力大小与板料的材质、厚度及冲裁件周边的长度有关。普通平刃口冲裁模冲裁力的计算方法如下：P=KL(3-14)式中P──冲裁力，N；L──冲裁件周长，mm；──板料厚度，mm；55K──安全系数，通常取1.3。τ──材料的抗剪强度，MPa；查手册或=0.8b5.冲裁件的排样排样是指落料件在条料，带料或板料上合理布置的方法。排样合理则废料最少，材料利用率最大。如图：所需板料分别为：182.75mm2、117mm2、225.25mm2、97.5mm2。落料件的排样有两种类型：无搭边排样：用落料件的一个边作为另一个落料件的边。该方法材料利用率很高；但毛刺不在同一个平面上，尺寸不够准确，适用于对落料件品质要求不高的场合。图8-4同一落料件的四种排样方式有搭边排样：各落料件之间均留有一定尺寸的搭边。该方法毛刺小，而且在同一个平面上，落料件尺寸准确，品质较高，但材料消耗多。对精度要求较高的零件常在冲裁后再进行修整。即在修整模上利用切削的方法，将冲裁件的外缘或内孔切去很薄一层金属，切掉冲裁件切断面上存留的剪裂带和毛刺，提高冲裁件的尺寸精度，降低表面粗糙度，以获得平直而光洁的断面的一种工艺方法。修整时应合理确定修整余量和修整次数：大间隙落料件，单边修整量为板料厚度的10%。小间隙落料件，单边修整量为板料厚度的8%以下。二、冲裁后的修整图8-5修正工序简图a)外缘修整b）内缘修整1-凸模2-凹模修整总量大于一次修整量、或板料厚度大于3mm时，需多次修整，但修整次数越少越好。外缘修整时凹凸模间隙单边取：0.001~0.01mm。修整后的工件尺寸精度可达IT6～IT7，Ra值为0.8~1.6μm。三、精密冲裁１．原理精密冲裁是指通过一次冲压行程即可获得低表面粗糙度和高精度的冲裁零件的工艺方法。精密冲裁是利用小间隙的凸、凹模获得纯塑性剪切变形，避免出现撕裂现象的原理，从而获得既不带锥度又表面光洁的冲裁件。图8-6精冲原理示意图(a)带齿圈压板精冲法(b)精冲时坯料变形区受力情况(c)普通冲裁的法1－凸模；2－齿圈压板；3－板料；4－顶板；5－凹模①一般冲裁：精度为IT10～IT11，Ra：12.5～3.2；②精密冲裁：IT8～IT9，Ra：3.2～0.20。用普通冲裁所得到的工件，剪切断面比较粗糙，而且还会产生塌角、毛刺等缺陷并带有斜度，工件的尺寸精度较低。精密冲裁（简称精冲）是指在专用精冲压力机或普通压力机上使用带V形齿圈压板的精密冲裁法，它是在普通冲裁基础上发展起来的一种冲裁工艺。精冲的工作原理如图8-6所示。精冲时，齿圈压板2将板料3压紧在凹模5表面，V形齿压入材料，使坯料径向受到压缩，当凸模下压时，板料处于凸模1的下压力、齿圈压板2的压边力及顶板4的反压力的共同作用下，此外由于凸、凹模的间隙很小，坯料处于强烈的三向压应力状态，提高了材料的塑性，抑制了剪切过程中裂纹的产生，使冲裁过程以接近于纯剪切的变形方式进行。２．特点①材料分离形式：纯塑性剪切变形。②断面质量：全是光亮带。③间隙及刀口形式：精冲凸、凹模间隙要比普通冲模小的多；凸、凹模的刃口也不一定做成很锋利，而有时须做成圆弧及圆角形式。④毛刺：毛刺是在板料分离将要结束时形成的,形成后不再变形(不再被拉长)。⑤精冲的工件极限尺寸较小,可冲裁宽度或孔径小于料厚的0.5～0.7mm的工件。⑥对原材料要求须有良好的塑性。⑦使用模具设备比普通冲裁复杂,使用自动及精冲专用设备；或在普通冲床上使用精冲模。⑧成本低。对同一精度冲裁件精冲提高了效率(普通冲裁需加整修工序)、节约工时、降低成本。３．应用：目前广泛用于一些精密的电子仪器、仪表、钟表及照相机零件的生产。精密冲裁法：改变冲裁条件，以增大变形区的静水压作用，抑制材料的断裂，使塑性剪切变形延续到剪切的全过程，在材料不出现剪裂纹的冲裁条件下实现材料的分离，从而得到断面光滑而垂直的精密零件。第二节成形工序一、拉深1.拉深变形过程及特点：拉深过程如图示，其凸模和凹模有一定的圆角，其间隙一般稍大于板料厚度。拉深件的底部一般不变形，厚度基本不变。直壁厚度有所减小。圆筒形零件的拉深采用拉深方法可生产筒形、阶梯型、锥形、球形、方盒形及其他不规则形状的薄壁零件。因此，拉深工艺在汽车、拖拉机、电器、仪表工业中得到广泛的应用。将平面板料冲压成各种空心开口件的冲压工序称为拉深。拉深又称为拉延、引伸、延深等。58视频拉深工序直径为D，厚度为t的毛坯经拉深模拉深，变成内径为d、高度为h的开口圆筒形工件。在拉深过程中，毛坯的中心部分成为圆筒形工件的底部，基本不变形。毛坯的凸缘部分是主要变形区域。拉深过程实质就是将凸缘部分的材料逐渐转移到筒壁部分。在转移过程中部分材料由于拉深力的作用以及材料间的相互挤压作用，在其径向和切向分别产生拉应力和切应力，在两种应力的共同作用下，凸缘部分的材料发生塑性变形。在凸模的作用下不断被压入凹模形成圆筒形开口空心件。图3-34为圆筒形工件的拉深过程示意图。拉深工序见视频。图3-34圆筒形工件拉深过程示意图由于上述应力的作用，拉深件的壁厚在不同的部位有减薄或增厚的变化：侧壁的上部增加最多，靠近底部的圆角部位附近，壁厚最小，也是拉深过程中最容易破裂的部分。底部和侧壁的拉应力应限制在不使材料发生塑性变形内，而环形区内的径向拉应力应达到或超过材料的屈服极限，任何部位的应力总和应小于强度极限。否则会造成拉穿缺陷。同时环状变形区的切向压力很大，易使板料出现皱折，应采取措施预防。拉深变形具有以下特点:①变形区是板料的凸缘部分，其他部分是传力区。②板料变形在切向应力和径向拉应力的作用下，产生切向压缩和径向伸长的变形。③拉深时，金属材料产生很大的塑性流动，板料直径越大，拉深后筒形直径越小，其变形程度越大。•经过拉深后，筒形件壁部的厚度与硬度都会发生变化。筒壁愈靠上，切向压缩愈大，壁部愈厚，变形量愈大，加工硬化现象严重，硬度愈高。筒壁的底部靠近圆角处，几乎没有切向压缩，变形程度小，加工硬化现象小，材料的屈服点低，壁厚变薄。整个筒壁部由上而下壁厚逐渐变小，硬、薄板料拉深时最容易产生破裂。（1）拉裂2.拉深中常见的废品及防止措施拉裂是筒形件拉深时的最主要的破坏形式。拉深时，极限变形程度就是以不拉裂为前提