精冲工艺与精冲模具

2.9精密冲裁工艺与精冲模具简介2.9.1精密冲裁概述（1）精密冲裁的工作原理及过程精密冲裁属于无屑加工技术，是在普通冲压技术基础上发展起来的一种精密冲压方法，简称精冲。它能在一次冲压行程中获得比普通冲裁零件尺寸精度高、冲裁面光洁、翘曲小且互换性好的优质冲压零件，并以较低的成本达到产品质量的改善。为了能更好地应用精冲技术，必须充分了解和掌握其基本要素：精冲机床、精冲模具、精冲材料、精冲工艺及精冲润滑等。图2.9.1所示为普通冲裁和精冲两种工艺方法的比较。图2.9.1普通冲裁的精冲的区别1-落料凸模；2-凹模；3-冲孔凸模；4-顶件板；5-顶杆；6-压板；7-压杆；8-齿圈；9-精冲材料；10-精冲件；11-内形废料；c-冲裁间隙图2.9.2精冲过程示意图精冲是塑性剪切过程。是在专用(三动)压力机上，借助于特殊结构的精冲模，在强力的作用下使精冲材料产生塑性剪切。图2.9.2所示的冲裁过程中落料凸模1接触材料9之前，通过压力FR使V形齿圈8将材料压紧在凹模第二章冲裁工艺及冲裁模设计Page1of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30上，从而在V形齿的内面产生横向侧压力，以阻止材料在剪切区内撕裂和金属的横向流动。在冲孔凸模压入材料的同时，利用顶件板4的反压力FG，将材料压紧；并在压紧状态中，在冲裁力FS作用下进行冲裁。剪切区内的金属处于三向压应力状态，从而提高了材料的塑性。此时，材料就沿着凹模的刃边形状，呈纯剪切的形式冲裁零件。1—齿圈压板2—凹模(落料)3—凸凹模4—顶板5—材料6—零件7—冲孔废料图2.9.3精冲过程a)模具初始位置b)齿圈压入c)冲裁d)冲裁过程结束e)模具开启f)卸出冲孔废料g)顶出零件及卸出带料h)排出零件和废料，向前送料(二)普通冲裁与精密冲裁的工艺特点对比(表2.9.1)表2.9.1普通冲裁与精冲的工艺特点技术特征普通冲裁精密冲裁1.材料分离形式剪切变形、断裂分离塑性剪切变形2.尺寸精度ISO11～13ISO6～93.冲裁断面质量：表面粗糙度Ra/μm不垂直度平面度Ra＞6.3大大Ra=1.6～0.4小（单面0.0026㎜/1㎜）小（0.02㎜/10㎜）4.模具：间隙刃口??????双边（5～15）t%锋利单边0.5t%小圆角5.冲压材料无要求塑性好（球化处理）6.毛刺双向、大单向、小Page2of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30塌角（20～30）%（10～25）%8.压力机普通（单向力）特殊（三向力）9.润滑一般特殊10.成本低高（回报周期短） 根据表2.9.1分析可知，要实现精密冲裁，工艺上必须采取一些特殊措施（1）采用带齿圈的压板，产生强烈压边作用力，使塑性剪切变形区形成三向压应力状态，且增加变形区及其邻域的静水压力。（2）凹模(或凸模)刃尖处制造出0.02～0.2mm左右的小圆角，抑制剪裂纹的发生，限制断裂面的形成，有利工件断面的挤光作用。（3）采用较小的间隙，甚至为零间隙。使变形区的拉应力尽量小，压应力增大。（4）施加较大的反顶亚压力，减小材料的弯曲，同时起到增加压应力的作用。图9.2.3所示为一带强力齿圈压板精冲模精冲过程。2.9.2精密冲裁的工艺方法冲裁工艺除上述带强力齿圈压板的精冲方法外，还有一些通过工艺措施来提高冲裁质量的工艺方法，这些变形条件要求不高，主要有：1.整修它是将普通冲裁后的毛坯放在整修模中，进行一次或多次的整修加工，除去粗糙不平的冲裁断面和锥度，从而得到光滑平整的断面。经整修后，零件的尺寸精度可达IT6～7级；表面粗糙度可达Ra＝0.4～0.8μm。常用的修整方法主要有外缘整修、内孔整修、叠料整修和振动整修。图2.9.4为外缘整修，图2.9.4b)为内孔整修。1—凹模2—切屑3—凸模4—工件图2.9.4整修2.光洁冲裁（1）小间隙圆角刃口冲裁小间隙圆角刃口冲裁(图2.9.5)与普通冲裁相比，其差别在于为廖6加强了冲裁区的静水压，起到了抑制裂纹的作用，采用了小圆角刃口和极小的冲裁间隙。落料时，凹模带有小圆角刃口(图a)；冲孔时，凸模带有小圆角刃口(图b)。小圆角半径的数值。一般可取材料厚度的10%，模具间隙可取0.01～0.02mm。此方法适用于塑性较好的材料，如软铝、紫铜、软黄铜、05F和08F等。制件公差可达IT11～8级，粗糙度Ra可达1.6~0.4μm。但冲裁力比普通时冲裁力大50%左右。图２.9.5小间隙圆角刃口冲裁Page3of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30(a)落料(b)冲孔（2）负间隙冲裁(图2.9.6)负间隙冲裁的机理与小间隙圆角刃口冲裁基本相同。负间隙冲裁的凹模也带有小圆角刃口，其半径可取材料厚度的5～10％，而凸模刃口保持锋利。由于采用了凸模刃口尺寸比凹模刃口尺寸大，间隙为负值；冲裁时小圆角刃口凹模处静水压作用很强。冲裁时，凸模工作端面在下止点位置不能与凹模面接触，而应保持0.1～0.2mm的距离，工件虽未全部挤入凹模，但可借助下一个工件冲裁时将它全部挤入并推出凹模。因此，冲裁力比普通冲裁大得多(冲裁铝件时，大30～60%；冲裁软黄铜时，大2.25～2.8倍)，凹模也容易开裂。为防止开裂，可采用多层组合凹模；冲裁时，保持良好润滑，可延长模具寿命。负间隙冲裁时，由于凸模比凹模尺寸大，冲裁过程中出现的裂纹方向与普通冲裁相反，形成间隙冲裁可认为是落料与整修复合的工序。该工艺适用于冲压塑性较好的铝、铜和软钢。图2.9.6负间隙冲裁3.对向凹模精冲法目前，在精冲工艺中，常用强力压板精冲来获得工件的光洁冲裁面。然而，其静水压力大。凸模、凹模间的间隙小,影响模具寿命；材料的金相组织要求高，精冲前需对材料球化处理；且搭边较宽，降低了材料的利用率；而塌角和毛刺也难以消除。对向凹模精冲法，是利用与负间隙整修相似的“准切削机理”，将冲裁废料(搭边)向外挤压流动的同时，而进行冲裁的方法。（1）对向凹模精冲法的变形特征对向凹模冲裁是在专用压力机上，借助特殊结构的凸起凹模，在强力作用下，使材料发生剪切变形。而变形区主要集中在搭边周围。①如图2.9.7所示，冲裁时，凸起凹模将搭边向外挤压。在连接平凹模刃口A与凸起凹模外侧刃口C的连接面附近,产生了强烈的剪切变形。剪切变形面AC与工件轮廓冲裁面AB成倾角θ。在金属向外流动的同时，材料也被挤入平凹模。②工件轮廓冲裁面AB不发生畸变,而在冲裁搭边内产生畸变。这恰好和强力压板精冲相反。③挤压时,在凸起凹模和平凹模间的材料,近似于镦压变形。④压终了时,在压紧状态下,冲裁凸模将材料与工件分离。 图2.9.7对向凹模精冲的变形特征（2）对向凹模精冲法的工作过程如图2.9.8所示，为对向凹模落料时的工作过程：Page4of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30①模具开启，材料进入（图a）;2.9.8对向凹模落料过程②模具闭合，凸起凹模开始切入材料顶住冲裁凸模底面，此时它与冲裁凸模无相对运动金属沿其周围流动，少许材料进入平凹模(图2.9.8b)；③当材料挤压到一定深度(h=0.7～0.8t)时，挤压结束。材料大量流入平凹模和少量流入凸起凹模(图c)；④在凸起凹模和平凹模强力压紧下，冲裁凸模下降，使工件与材料分离，最后顶出工件（图d)。（3）对向凹模精冲法的工艺方法①对向凹模落料相对于精密冲裁对向凹模落料有如下工艺特点：a.由于剪切变形偏向搭边，工件冲裁面不产生撕裂，因而扩大了材料的使用范围，使之能加工脆性材料、高强度材料和厚板。b.在平滑的冲裁面内部，因无不均匀变形，冷作硬化小，从而提高分离面的变形能力和后续成形加工极限。c.冲裁时，由于二凹模间的材料向外流动，而无材料流入间隙内，故塌角小。d.由于凸起凹模和冲裁凸模有一个高度差(Δh=O.25t)，而凸起凹模和平凹模又从材料两端切入，两侧形成塌角。而当凸起凹模切入量和它与冲裁凸模间的间隙选择合理时可控制毛刺的发生。f.冲裁力小。因为冲裁厚度仅为料厚的30%:凸起凹模与冲裁凸模间的间隙又可调整；况且凸起凹模的磨损在外侧,与成形尺寸无关。故提高了模具寿命。g.冲裁搭边值小,材料利用率提高。h.平凹模刃口带有圆角半径。i.必须在三动或四动压力机上,进行对向凹模精冲冲。②对向凸模冲孔如图2.9.9所示，对向凸模冲孔时,要采用凸起凸模，以便向内挤压废料。同时要考虑足够容纳废料的空间废料仓。Page5of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30图2.9.9对向凸模冲孔由图可以看出,下面的凸模带预冲孔部分。但当孔径d大于料厚6倍时(d6t)，即使不预冲孔，只通过废料的弯曲，就可以达到必要的排料。 对向凹模冲裁(图2.9.8)是采用一个凹模与另一个带凸台的凹模对向运动，并利用推顶凸模完成材料最后的分离。1-凸起凹模；2-冲裁凸模；3-平凹模；4-顶件器；5-卸料器；6-上模座；7-下模座图2.9.10对向凹模复合模2.9.3精冲件的工艺性1.精冲件材料的工艺性精冲的材料必须具有良好的变形特性，屈服极限低、硬度较低、屈强比较大、断面延伸率高；具有理想的金相组织结构；含碳量低等。以便在冲裁过程中不致发生撕裂现象。以σb＝400～500MPa的低碳钢精冲效果最好。但含碳量在0.35～0.7%，甚至更高的碳钢，以及铬、镍、钼含量低的合金钢，经退火处理后仍可获得良好的精冲效果。值得注意的是，材料的金相组织对精冲断面质量影响很大(特别对含碳量高的材料)，最理想的组织是球化退火后均布的细粒碳化物(即球状渗碳体)。至于有色金属包括纯铜、黄铜(含铜量大于62%)、软青铜、铝及其合金(抗拉强度低于250MPa)都能精。铁素体和奥氏体不锈钢（C≤0.15%）也能获得较好的精冲效果。 2.精冲件的结构工艺性（1）圆角半径为了保证零件质量和模具寿命，要求精冲零件避免尖角太小的圆角半径。否则，会在零件相应的剪切面上发生撕裂，以及在凸模尖角处崩裂和磨损。零件轮廓的最小圆角半径与材料厚度、机械性能以及尖角角度有关，设计时可参考图2.9.11。图2.9.11最小圆角半Page6of142.9精密冲裁工艺与模具简介2011-6-30Ⅰ-σb＝750MPⅡ-σb＝600MPaⅢ-σb＝450MPaⅣ-σb＝300MPaⅤ-σp＝１５０MPa图2.9.12最小孔径（2）孔径、槽宽和壁厚精冲件的孔径d和槽宽b不能太小，否则也会影响模具寿命和零件质量。冲孔的最小孔径可查图2.9.12，最小槽宽可查图2.9.13。精冲件的壁厚是指孔、槽之间，或孔、槽内壁与零件外缘之间的距离，同轴圆弧的壁厚和直边部分的壁厚，均可视为窄带，可由图2.9.13的窄槽值粗略确定，也可参考有关精冲设计资料。图2.9.13槽宽和壁厚2.9.4精密冲裁模的设计要点1.设计要求和内容精冲模