冷冲压工艺及模具

冷冲压工艺及模具设计第一章冲压加工概述与冲压设备1.1冲压加工概述1.1.1冷冲压的概念冷冲压是在常温下利用冲模在冲压设备上对材料（板料）施加压力，使其产生分离或变形，以获得所需要的零件形状和尺寸。冷冲压工艺建立在金属塑性变形的基础上，是一种先进的金属加工方法。1.1.2冷冲压工序的分类1.1.2.1分离工序分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓进行断裂分离加工，以获得所需要的零件形状和尺寸，又称为冲裁工序。分离工序种类：落料、冲孔、切断、切边、剖切、切舌等。1.1.2.2成形工序成形工序是在材料不发生破坏的前提下使毛坯发生塑性变形，以获得所需要的零件形状和尺寸。成形工序种类：弯曲、拉深、翻边、胀形、起伏成形、缩口、扩口、旋压、校形等。1.1.2.3冲压工艺方案冲压工艺方案是在分析冲压件工艺性的基础上，确定冲压工序性质、工序数目、工序顺序、工序组合及其它辅助工序，即确定冲压件的工艺路线。正确的工艺路线对于冲压件质量、生产效率、模具设计制造和经济成本具有重大意义。1.1.3冷冲压工艺的特点及应用1.1.3.1冷冲压工艺的特点1、优点：1）冷冲压是金属薄板成形的重要工艺方法；2）冷冲压件质量稳定、互换性好；3）材料利用率高、成本较低；4）工艺操作简单、生产率高；5）适合于成批、大量零件生产。2、缺点：1）模具结构复杂、生产成本较高；2）一般不适于单件、小批量零件生；3）工作环境有待改善提高。1.1.3.2冷冲压工艺的应用冷冲压工艺具有许多突出的优点，在机械制造、电子电器等各行各业中都得到了广泛的应用，尤其在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器、仪表、电子产品和日用品的生产中占据十分重要的地位，有的产品其冲压件的数量约占工件总数的70～80%以上。随着国民经济的发展，对由金属薄板制成的冲压产品的需求量将会越来越大，因此，学习、研究和发展冷冲压技术，对我国制造业的发展和民族振兴具有极大的意义。1.1.4冷冲压工艺的发展1、工艺分析计算方法现代化采用有限变形的弹塑性有限元等先进的算法，对复杂成形件的成形过程进行应力应变分析和计算机仿真模拟，以预测某一工艺方案对零件成形的可行性及可能发生的问题。从根本上改变了传统的依赖经验和反复试验及修改，才能转入批量生产的模式。2、模具设计制造现代化大力开展模具CAD/CAM技术的研究和应用，已有许多成熟的模具CAD/CAM一体化软件应用于模具的设计及制造，使设计者尽可能将时间和精力用于创新开发。3、冷冲压生产的机械化和自动化大力推进冲压工艺中的送料、冲压、取件甚至装配等生产环节的机械化和自动化研究和应用，使生产率得到极大的提高。4、适应多品种、小批量的市场需求研究和发展新的成形工艺、简易模具、通用组合模具、数控冲压设备和冲压柔性制造系统，使冲压工艺适应产品更新换代快和生产批量小的现代市场的特点。5、不断改进板料的冲压成形性能实践证明，研制和生产高性能的冲压钢板比改进冲压工艺和模具结构更具有现实意义。随着现代冲压技术的发展，成形钢板的工艺性能和表面质量将会成为制约冲压工艺进步的瓶颈。1.2冲压设备1.2.1曲柄压力机的基本组成1、工作机构即为曲柄连杆机构，由曲轴、连杆、滑块组成，是压力机完成工作的主要机构。冲模的上模固定在滑块上。2、传动系统包括电动机、带轮传动和齿轮传动等机构，其作用是将电动机的运动和能量按照一定要求传给工作机构。其中带轮又称飞轮，能够使压力机在整个工作周期里负荷均匀，能量得以充分利用。3、操纵系统由空气分配系统、制动器、离合器和电气控制箱等组成。压力机的工作是通过操纵机构进行控制的。4、支承部件包括床身、工作台、拉紧螺栓等部分。床身是压力机的基础，保证设备所要求的精度、强度和刚度。床身上固定有工作台，用于安装冲模的下模。5、辅助系统包括气路系统和润滑系统。6、附属装置包括过载保护、气垫、滑块平衡装置、移动工作台、快速换模和监控装置等。1.2.2曲柄压力机的主要结构类型1、按床身结构分分为开式压力机和闭式压力机两种。开式压力机床身前、左和右三个方向是敞开的，操作和安装模具很方便，便于自动送料。但由于床身呈C字型，刚性较差。当冲压力较大时，床身易变形，影响模具寿命，因此只适用于中、小型压力机。闭式压力机床身两侧封闭，只能前后送料，操作不如开式的方便。但机床刚性较好，能承受较大的冲压力，适用于一般要求的大、中型压力机和精度要求较高的轻型压力机。2、按滑块行程是否可调分分为曲轴压力机和偏心压力机两种。曲轴压力机压力机行程较大且不能调节，但曲轴受力结构合理，负荷均匀，可制造大行程和大吨位压力机。偏心压力机压力机行程较小且能适当调节，但由于偏心轴受力结构的关系，因此只适用于中、小型压力机。3、按连杆的数目分可分为单点、双点和四点压力机。4、按滑块数目分可分为单动、双动和三动压力机。5、按传动方式分可分为上传动和下传动压力机。6、按工作台结构分可分为可倾式、固定式和升降台式。1.2.3曲柄压力机工作部分的结构及调整1.2.3.1压力机工作部分的结构J23-40B压力机工作部分的结构如左图所示：1）连杆滑块机构由曲轴、连杆、调节螺杆、滑块组成，是压力机完成工作的主要机构。其中滑块用来安装上模。2）工作台是压力机的工作平台，用来安装下模3）工作空间位于滑块下底面和工作台上表面之间，是安装模具和进行工作的主要空间。4）打料机构由横杆和止动杆组成。是冲压的辅助机构，和模具配合进行工作。1.2.3.2连杆滑块结构的调整连杆滑块机构剖面如下图所示：1）连杆由连杆体和调节螺杆组成，通过调整调节螺杆可改变连杆的长度，进而改变压力机的工作空间。2）滑块上设置模柄夹持机构用来安装上模，通过锁紧螺钉将上模锁紧固定。3）连杆和滑块体通过保险块连接，可预防因冲压过程中意外的负荷过载而导致设备或模具的损坏。3模具在压力机上的工作过程模具在压力机上的工作过程大致分为：1）条料送进和定位2）冲压过程3）卸料、推件过程4）取出制件为了从上模中打下工件或废料，压力机的滑块中装有打料装置，在滑块的矩形横向孔中，放有横杆。当滑块回程，横杆与床身上的止动杆相碰时，即可通过上模中的推杆和推件块将工件或废料从上模中推下。调节止动杆的长度，便可控制打料行程。1.2.4曲柄压力机的主要技术参数压力机的主要技术参数是反映一台压力机的工艺能力，所能加工零件的尺寸范围和生产率等指标，也是模具设计中选择冲压设备、确定模具结构的重要依据。1、1、公称压力•公称压力是指压力机曲柄旋转到离下止点前某一特定角度αa（称为公称压力角，一般小于300）时，滑块上所容许的最大工作压力。•在冲压生产中，必须使冲压工序工艺力—行程曲线不超出压力机的许用压力曲线，如左图所示。2、滑块行程滑块行程是指滑块从上死点到下死点所经过的距离。对于曲柄压力机，其值即为曲柄半径的两倍。在冲压生产中，应根据模具结构、零件高度尺寸和生产率等因素来选择所需行程的压力机。3、滑块每分钟行程次数是指滑块每分钟往复的次数。滑决每分钟行程次数的多少，关系到生产率的高低。一般压力机行程次数都是固定的。4、闭合高度压力机的闭合高度是指滑块在下止点时，滑块底面到工作台面的高度。模具的闭合高度应小于压力机的最大闭合高度。5、压力机工作台面尺寸压力机工作台面尺寸应大于冲模的最大平面尺寸。一般工作台面尺寸每边应大于模具下模座尺寸50～70mm，以便于安装固定模具用的螺钉和压板。1．2．5曲柄压力机的型号与规格压力机的型号是按锻压机械标准的类、列、组编制的。如：JB23—100A其中J—表示锻压机械的类别，J为机械式压力机；B—表示压力机的变型次数（次要参数与基本型号不同）；2—表示列别；3—表示组别；100—表示压力机的公称压力（1000千牛）；A—表示压力机的改进次数（结构、性能等的改进）。本节中的JB23—40B型是机械式曲柄压力机，属于第2列第3组，为开式双柱可倾式压力机，公称压力400千牛，经过第2次变形和第2次改进。各种压力机的规格参数可参照有关冲压设备的标准。1.3练习思考题1、谈一谈冷冲压的概念及其工艺特点？2、试绘制一实际冲压零件的形状简图，分析其由哪几道工序冲压制成，并叙述各工序的主要变形特点？3、结合具体事例谈一谈自己对冷冲压技术在国民经济中的地位及其发展的认识？4、比较开式偏心压力机和闭式曲轴压力机的特点和应用场合？5、解释JC23—63、J23—100B压力机规格的含义？第二章金属塑性成形的基本概念2.1塑性变形的物理性质2.1.1塑性变形的概念2.1.1.1晶体结构1）晶体和多晶体从金属学的观点来看，所有的固态金属都是晶体。工业上常用的金属中，最常见的晶格结构有面心立方结构、体心立方结构和密排六方结构。晶体中由原子组成的平面称为晶面，由原子组成的直线称为晶向。每种晶格不同晶面上的原子密度和不同晶向上的原子间距是不同的，这就导致了金属晶体不同方向上的性质差异，这是结晶物质的特点，也是金属各向异性的根源。工业上用于塑性成形的金属和合金都是多晶体。多晶体中每个晶粒都是各向异性的，但大量结晶方位互不相同的晶粒聚集在一起，在宏观上使金属各个方向呈现出大体相同的性质，称为伪同向性。了解晶体结构及其特点是了解金属及合金塑性变形的基础。2）晶体的缺陷晶体缺陷是指实际晶体结构中和理想的晶体点阵结构发生偏差的区域。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将之分成三大类：a）点缺陷如空位、间隙原子、溶质原子。b）线缺陷如位错。c）面缺陷如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错。在晶体中，缺陷随着各种条件的改变而不断变化，它们可以产生、发展、运动和交互作用，而且能合并和消失。晶体缺陷对金属的许多性能有很大的影响，特别是对塑性、强度、扩散等有着决定性的作用。2.1.1.2塑性变形1）塑性变形金属受外力作用就会发生变形，表现为形状、尺寸、体积等的变化。变形力去除后，能恢复原状的变形称为弹性变形；不能恢复原状的永久变形称为塑性变形。除脆性材料外，大部分固体材料变形时都呈现出明显的弹性变形阶段和塑性变形阶段。弹性变形时，金属内原子的位置发生变化，表现为原子间距有微小的改变，从而引起了体积的变化。此时，原子的稳定平衡状态遭到破坏，作用在物体上的外力和企图使原子恢复到最小势能位置的原子间反作用力相平衡，这种反作用力称为内力，单位面积上的内力就称为应力。当金属所受外力较大时，使原子偏离其稳定平衡位置超过某一数值，外力去除后原子就不会再回到其原来位置，而是停留在邻近的稳定平衡位置上，发生了永久性变形，这种变形称为塑性变形。作用在变形体上的外力去除后，原子也可能既未回到原来的稳定平衡位置，也未转移到新的稳定平衡位置上去，则原子仍处于受力状态，此时原子所受的内力称为残余应力。残余应力经常带来不利影响，但在清除残余应力的过程中，金属也要发生一定的变形。2）塑性变形的主要方式研究表明，再结晶温度以下晶体的塑性变形主要通过晶内滑移和孪动两种方式进行，其中以晶内滑移变形为主。在晶体内部，一定的晶面和一定的晶向组成一个滑移系。当其它条件相同时，晶体的滑移系愈多，则滑移时可能出现的滑移空间位向愈多，金属的塑性就愈好。实际观察表明，晶体的滑移变形就是在切应力的作用下通过滑移面上的位错运动进行的。一个位错移到晶体表面形成一个原子间距的滑移量。同一个滑移面上许多位错移到晶体表面便形成明显的滑移线。许多滑移线聚集在一起便形成滑移带，这种滑移带一般可在光滑的拉伸变形金属试样表面上观察到，如上图所示。多晶体的变形，由于还存在着晶粒之间的相对滑动和转动，这种晶粒之间的变形称为晶间变形。所以多晶体的变形实质上是晶内变形和晶间变形综合作用的结果。2.1.1.3塑性变形对塑性成形工艺的影响在金属塑性变形的过程中，材料的性能和组织状态都会发生变化，对冲压成形工艺和制件质量有相当大的影响。常见问题如下：1、制件表面质量的下降粗晶粒的板料在冲压变形的过程中，由于晶粒之间的相对转动，会使制件表面呈现出凹凸不平的所谓“桔皮”现象。对于光亮表面的细晶粒板料，亦会因表面出现大量的滑移线和滑移带而导致表面质量明显下降。2、应变硬化现象在冲压成形的过程中，随着变形程度的提高，材料的变形阻