9精密成形技术(3-3).

精密、复杂板料成形技术4精密冲裁技术精密冲裁（简称精冲）是通过改变模具结构，增大变形区静水压力来抑制裂纹的产生，从而提高制件精度，改善断面质量的冲裁方法。精冲工艺有齿圈压板冲裁、负间隙冲裁、小间隙圆角刃口冲裁、对向凹模冲裁、挤光和整修等。这里介绍应用广泛的齿圈压板冲裁。图4-1由4个精冲件组成的液压泵图4.2由两个精冲件组成的行星齿轮机构精冲可取代扁平类零件的机械加工，具有优质、高效、低耗的特点，技术经济效果显著。70年代以来，该项技术在仪器仪表、汽车、运输机械、纺织机械、航空器等部门得到了推广应用。一辆小轿车就采用70多种精冲件，已成为汽车制造业降低成本增加产量的重要技术措施之一。图4-1为由4个精冲件组成的卡车控制液压泵。图4-2为由两个4mm厚的精冲件组成的行星齿轮机构。4.1精密冲裁的变形特点（1）精冲过程图4-3显示了精冲的全过程。由图中可见，精冲是在V形压边圈4和反压板2压紧材料的条件下进行的。由于材料被挤入模具，卸料、顶件和出料较普通冲裁困难。a)起始位置b)齿圈压入c)冲裁d)冲裁结束e)模具开启f)卸、顶料b)g)顶出、送料h)取、出料i)准备冲裁1－凹模；2－反压板；3－冲孔凸模；4－V形压边圈；5－凸凹模；6－顶杆图4-3精冲工艺全过程（2）力—行程曲线图4-4为精冲力—行程曲线，图中虚线表示普通冲裁力—行程曲线。可见，精冲力大，最大力持续时间长，与普通冲裁相比，变形功要大得多。此外，压边力、反压力和卸、顶件力都较大。1－冲裁力；2－压边力；3－反压力；4－卸料力；5－顶件力图4-4精冲力-行程曲线（3）区域性特征及变形区应力应变状态从图4-5图中可见，变形区材料纤维沿厚向有很大伸长，沿径向纤维密集且有压缩；冲裁接近完成时，制件和条料仍然保持为一个整体。从图4-4也可看出，在接近精冲终了，制件和条料之间仍然保持一定的强度，继续冲裁还需要足够的冲裁力，直到精冲结束为止。图4-5精冲变形区剖面宏观照片1－压边圈；2－凸模；3－凹模；4－反压板；5－工件Ⅰ、Ⅱ－塑性变形区；Ⅲ－塑性变形影响区；Ⅳ－弹性变形区图4-6精冲变形区域及变形过程如图4-6a所示，塑性变形主要集中在AB联线间的Ⅰ、Ⅱ两个区内，Ⅲ区受Ⅰ、Ⅱ区的影响也会产生少量塑性变形，Ⅳ区为弹性变形区。在精冲过程中，Ⅰ区的材料将被凸模逐渐挤压到条料上，Ⅱ区的材料将被凹模逐渐挤压到工件上，产生倒锥。如图4-6b所示，精冲时，变形区材料处于三向压应力和平面应变状态。（4）剪切面的加工硬化变形集中在凸、凹模刃口之间的一定区域内，形成了剪切表面层的加工硬化。如图4-7所示，由于加工硬化，表面硬度超过原始硬度一倍多；表面的硬化曲线呈半梨状，沿厚度方向逐渐增加；变形区硬度分布由表层向内层逐渐降低。材料：16Mn；料厚：8mm；原始硬度：160HV×－剪切表面；△－距表面0.5mm；●－距表面1mm；□－距表面2mm；〇－距表面3mm图4-7精冲件剪切表面及内层硬化曲线4.2精密冲裁对原材料的要求（1）精冲件用材料应符合有关标准的规定。精冲件用材料应有质量合格证书。（2）生产厂根据需要，按有关标准及质量合格证书对材料部分或全部检验项目进行复检，复检合格方可投入生产。（3）当材料表面不能满足精冲件图样要求时，如材料表面有氧化层、污物或其他缺陷，应采用相应工艺措施将其清除。（4）对于中、高碳钢和合金钢，碳化物球化率应在90%以上，且均匀分布。若不符合要求，精冲前要进行球化退火处理。退火工艺按JB3814的规定进行。（5）精冲件常用材料参见表4-1，未列入的材料可参照表中与其化学成分相接近的材料来判定。材料牌号钢08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、7016Mn、15CrMn、20CrMn、20CrMo、65Mn、T8A、T10A0Cr13、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、1Cr18Ni9铜及铜合金T2、T3、T4、H62、H68、H80、H90、H96HSn62-1、HNi65-5、QSn4-3、QA17、QBe1.7、QBe2铝及铝合金1070A、1060、1050A、1035、1200、8A06、5A02、3A21、2A11、2A12表4-1精冲件常用材料4.3精密冲裁件结构工艺性（1）基本概念及一般原则1）精密冲裁件的工艺性零件在精密冲裁时的难易程度。影响精冲件工艺性的因素有：零件的几何形状、零件的尺寸和形位公差、剪切面质量、材质及厚度。其中零件的几何形状是主要的影响因素。2）精密冲裁件的结构工艺性零件几何形状对工艺性的影响。在满足技术要求的前提下，精冲件的几何形状应力求简单，尽可能是规则的几何形状，避免尖角。正确设计精冲件有利于提高产品质量，延长模具寿命，降低生产成本。3）尺寸极限范围实现精密冲裁的零件尺寸极限范围。取决于模具的强度、寿命和剪切面质量。（2）精密冲裁件的结构要素1）圆角半径2）槽和悬臂的宽度3）环宽4）孔径和孔边距5）齿形模数6）半冲孔相对深度4.4精冲复合工艺在精冲过程中,通过连续模或复合模和其他工艺(如挤压、半冲孔、压扁、压印、压沉头和弯曲工艺等)复合的冲压加工方法称为精冲复合工艺，它是精冲工艺的发展和延伸。就产品对象而言，这种复合工艺已从等厚的精冲件发展到了不等厚的精冲件；就工艺而言，它已从板料单一分离工艺发展成了成形与分离的组合工艺。a)b)冲裁型c)d)挤压型e)f)模锻型图4-8各种形式带凸台精冲件（1）带凸台精冲件的分类如图4-8所示，带凸台精冲件可分为冲裁型、挤压型和模锻型三类。（2）精冲半冲孔1）变形过程分析图4-9所示为半冲孔变形区金属的宏观流线。由图中可见，与普通冲裁不同，凸模进入材料深度超过料厚的3/4，材料仍未分离，变形区材料发生了剧烈的变形后仍保持为一个整体图4-9半冲孔变形区金属的宏观流线如图4-10所示，在半冲孔凸模、顶杆、凸凹模和反压板的强压作用下，变形区材料在三向压应力作用下变形，提高了材料的塑性。可见，半冲孔时材料的变形过程与齿圈压板精冲类似，即纯塑性剪切贯穿变形的全过程。1-凸凹模；2-V型压边圈；3-凹模；4-反压板；5-半冲孔凸模；6制件；7；顶杆图4-10半冲孔复合工艺过程2）半冲孔相对深度半冲孔凸模进入材料深度h和材料厚度t之比称为相对深度，用符号C表示，按下式计算。它是衡量半冲孔变形程度的重要指标%100thC对塑性好的材料，在C值很大，t和h很薄情况下，凸台和本体仍可为整体并保持一定强度。但是，考虑到连接部分材料剧烈硬化会变脆，在冲击载荷下凸台和本体有分离的危险，推荐软钢的半冲孔极限相对深度C=70%，根据零件的结构一般可在65%～75%之间取值。3）精冲半冲孔复合工艺实例图4-11显示了几种典型的精冲半冲孔零件。由图中可见，半冲孔工艺既可将各种异形凸台包括齿形附在平面零件上，也可将异形盲孔包括内齿附在平面零件上。半冲孔的这一独特功能对于一般机械加工来说是非常困难的。a）双联齿轮b）齿轮凸轮c）齿轮内形凸轮d）e）齿轮偏心轴图4-11精冲半冲孔零件图4-12a为原整体链轮结构，它采用铸造或锻造毛坯，经过多道机械加工完成。采用半冲孔组合结构后，两个零件各需一道冲压工序即可完成。将冲孔凸模长度作成柔性可调的，两件可共用一套模具。图4-12精冲半冲孔组合件实例之一图4-13a为原整体双联齿轮结构，它同样采用铸造或锻造毛坯，经过多道机械加工完成。采用半冲孔组合结构也获得了成功。图4-13精冲半冲孔组合件实例之二此外，许多扁平类形状的零件也可用相应的精冲半冲孔件来组合。精冲件组合时，除采用传统的螺栓、铆钉及点焊方法外，还可利用精冲件本身的凸台来代替铆钉进行铆接，如图4-14所示。图4-14用于铆接的精冲半冲孔零件（3）挤压、模锻凸台1）精冲和挤压复合精冲和挤压复合成形过程如图4-15所示。由图中可见，制件外形的精冲和一般精冲相同；所不同的是，成形过程中由凸模6和凸、凹模2完成正挤压过程。1-V型压边圈；2-凸凹模；3-顶杆；4-凹模；5-反压板；6-挤压凸模；7-制件图4-15精冲挤压复合工艺过程2）精冲和模锻复合精冲和模锻的复合成形过程如图4-16所示。同样，制件外形的精冲和一般精冲相同；而内形的闭式模锻由成形凸模6和凸凹模2及顶杆3来实现。精冲模锻复合工艺必须先开始外形精冲后进行内部的体积成形。1-V型压边圈；2-凸凹模；3-顶杆；4-凹模；5-反压板；6-成形凸模；7-制件图4-16精冲模锻复合工艺过程（4）精冲压印复合成形精冲压印复合成形过程如图4-17所示。由图中可见，一般的复合形式为外轮廓精冲，内表面压印。a）反压板压印b）凸模压印1-凹模；2-反压板；3-制件；4-凸模；5-V型压边圈图4-17精冲压印复合工艺过程（5）精冲压扁复合成形如图4-18所示，精冲压扁复合工艺是获得不等厚精冲件的另一种方法，一般在连续模上进行。由于条料经压扁硬化后不能进行退火，因此精冲压扁一般只适应于硬化指数较低的低碳钢一类材料。图4-18精冲压扁复合工艺（6）精冲弯曲复合成形精冲弯曲复合工艺的关键是如何根据零件弯曲形状特征、技术要求、生产批量来选择复合的形式，确定模具的结构。1）精冲弯曲同时进行精冲弯曲同时进行采用的是精冲弯曲复合模。a．切口弯曲如图4-19所示，切口弯曲可弯曲锐角、直角和其它形状的制件；既可实现内形的弯曲，也可进行外形弯曲。切口弯曲比较容易实现与精冲的复合。图4-19精冲切口弯曲复合工艺b．浅Z形弯曲对于高度h＜t，角度α＜75°的Z形弯曲件，可以采取精冲与弯曲同时进行的复合成形工艺。如图4-20所示，精冲弯曲复合模的凸模和反压板按制件弯曲形状制造，压边圈和凹模保持平面形状。这种结构模具制造和维修方便，精冲后的废料保持平直有利于自动送料。t-料厚，mm；h-弯曲高度，mm；α-弯曲角度，°1-V型压边圈；2-凸模；3-凹模；4-反压板图4-20精冲和弯曲同时进行的复合工艺2）先弯曲后精冲图4-21显示了先弯曲后精冲复合成形过程。压边圈和凹模、反压板和凸模分别按制件的内外形制造，闭合时压边圈和凹模、反压板和凸模间的距离都相隔一个料厚。要注意的是，不能使凸模和凹模闭合时其刃口间也相隔一个料厚，否则精冲时凸模必须进入凹模一段距离（）ty)1cos1(才能使制件的斜边分离。正确的设计应该是模具闭合时，使凸模和凹模的平刃口和斜刃口都相切合缝，这样才能防止完成弯曲精冲时凸模进入凹模。先弯曲后精冲的制件在弯曲变形区的剪切面质量不高。与先精冲后弯曲生产的零件相比，用该法生产的零件在与弯曲变形区两侧有关联的内外形尺寸更为精确。1-凸模；2-反压板；3-凹模；4-V型压边圈；5-冲孔凸模；6-顶杆图4-21先弯曲后精冲的复合工艺3）先精冲后弯曲图4-22显示了先精冲后弯曲的工步示意图。可见，先精冲后弯曲一般是在连续模上完成的。a）冲孔切口b）定位弯曲c）落料图4-22精冲弯曲连续模上的工步图（7）精冲与压沉孔的复合精冲可以和压沉孔复合。如图4-23所示，根据不同的沉孔形式、沉孔的深度和沉孔的部位，需采用不同的工序。a）落料、冲孔、压沉头b）冲孔、压沉头c）压沉孔d）压沉孔图4-23部分精冲压沉孔工艺（8）三维精冲复合成形图4-24显示了2个典型的三维精冲件。所谓三维精冲件是指零件的尺寸和公差要求是三维的。该类制件可采用精冲、挤压、弯曲、翻边、压筋、压扁、压印和半冲孔等复合工艺来生产。图4-24典型三维精冲件5流动控制成形(FlowControlForming,FCF)如图5-1和图5-2所示，FCF是一种将拉深、变薄拉深、内孔翻边等板料成形与冷挤压、冷镦等冷锻成形相结合的板料精密成形技术。这种技术是20世纪90年代初由中野隆志等人首先提出的。拉深+变薄拉深+镦挤图5-1FCF加工过程拉深+翻边+变薄翻边+正挤压图5-2FCF加工过程5.1FCF的特点(1)主要变形区及其应力应变状态一般而言，在FCF成形过程中，整个坯料都要发生变形，各区域的变形是极不均匀的。根据其工序组合形式的不同，在整个变形过程中，不同变形区坯料所受的应力和应变状态