搜索
冲压工艺摘要:冲压作为一种效率高、精度好、机械自动化程度高的加工工艺是机械生产中最常用的加工工艺之一。不同的冲压工艺应用于加工不同需求的零件。冲压工艺的在我国未来的发展是机遇与挑战并存的态势。关键词:冲压特点冲压工艺发展趋势冲压加工是借助于常规或专用冲压设备的动力，使板料在模具里直接受到变形力并进行变形，从而获得一定形状,尺寸和性能的产品零件的生产技术。板料，模具和设备是冲压加工的三要素。按冲压加工温度分为热冲压和冷冲压。前者适合变形抗力高，塑性较差的板料加工；后者则在室温下进行，是薄板常用的冲压方法。它是金属塑性加工（或压力加工）的主要方法之一，也隶属于材料成型工程技术。与机械加工及塑性加工的其它方法相比，冲压加工无论在技术方面还是经济方面都具有许多独特的优点。主要表现如下。(1)冲压加工的生产效率高，且操作方便，易于实现机械化与自动化。这是因为冲压是依靠冲模和冲压设备来完成加工，普通压力机的行程次数为每分钟可达几十次，高速压力要每分钟可达数百次甚至千次以上，而且每次冲压行程就可能得到一个冲件。（2）冲压时由于模具保证了冲压件的尺寸与形状精度，且一般不破坏冲压件的表面质量,而模具的寿命一般较长,所以冲压的质量稳定,互换性好,具有“一模一样”的特征。（3）冲压可加工出尺寸范围较大、形状较复杂的零件，如小到钟表的秒表，大到汽车纵梁、覆盖件等，加上冲压时材料的冷变形硬化效应，冲压的强度和刚度均较高。（4）冲压一般没有切屑碎料生成，材料的消耗较少，且不需其它加热设备，因而是一种省料，节能的加工方法，冲压件的成本较低。由于冲压具有如此优越性，冲压加工在国民经济各个领域应用范围相当广泛。例如，在宇航，航空，军工，机械，农机，电子，信息，铁道，邮电，交通，化工，医疗器具，日用电器及轻工等部门里都有冲压加工。不但整个产业界都用到它，而且每个人都直接与冲压产品发生联系。像飞机，火车，汽车，拖拉机上就有许多大，中，小型冲压件。小轿车的车身，车架及车圈等零部件都是冲压加工出来的。据有关调查统计，自行车，缝纫机，手表里有80%是冲压件；电视机，收录机，摄像机里有90%是冲压件；还有食品金属罐壳，钢精锅炉，搪瓷盆碗及不锈钢餐具，全都是使用模具的冲压加工产品；就连电脑的硬件中也缺少不了冲压件。但是，冲压加工所使用的模具一般具有专用性，有时一个复杂零件需要数套模具才能加工成形，且模具制造的精度高，技术要求高，是技术密集形产品。所以，只有在冲压件生产批量较大的情况下，冲压加工的优点才能充分体现，从而获得较好的经济效益的。当然，冲压加工也存在着一些问题和缺点。主要表现在冲压加工时产生的噪音和振动两种公害，而且操作者的安全事故时有发生。不过，这些问题并不完全是由于冲压加工工艺及模具本身带来的，而主要是由于传统的冲压设备及落后的手工操作造成的。随着科学技术的进步，特别是计算机技术的发展，随着机电一体化技术的进步，这些问题一定会尽快而完善的得到解决。冲压主要是按工艺分类，可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序也称冲裁，其目的是使冲压件沿一定轮廓线从板料上分离，同时保证分离断面的质量要求。成形工序的目的是使板料在不破坯的条件下发生塑性变形，制成所需形状和尺寸的工件。在实际生产中,常常是多种工序综合应用于一个工件。冲裁、弯曲、剪切、拉深、胀形、旋压、矫正是几种主要的冲压工艺。冲裁是利用冲裁使板料沿封闭的轮廓分离的工序，包括冲孔各落料两个工序。二者的区别是冲孔是在板料上冲出孔洞，以获得带孔的制件，落料的部分为废料；而落料则是为了获得具有一定的形状和尺寸的落料件，冲落的部分是成品余下的部分是余料或是废料。冲裁时板料的变形和分离过程如下图所示；凸模各凹模的边缘都带有锋利的刃口。当冲头向下运动压住板料进，板料爱挤压产生弹性变形，并进而发生塑性变形，当上、下刃口附近材料内的应力超过一定的限度后，即开始出现裂纹，随着冲头继续下压，上、下裂纹逐渐向板料内部扩展直至会合，板料即被切离。冲裁的切口形状如下图；切口由塌角、光亮带、剪裂带和毛刺组成。光亮带具有良好的尺寸精度和光洁的表面，其他三个区域（尤其是毛刺）则降低冲裁件的质量。这四个区域的尺寸比例与材料的性质、板料的厚度、模具结构各尺寸、模具间隙、刃口锋利程度等因素有关。模具间隙对冲裁质量和模具寿命有重大的影响，是冲裁的工艺参数。间隙合适时，上、下裂纹自然会合，光亮带约占板厚的1/3左右，毛刺不太；间隙过大，上、下裂纹不能自然会和，断口呈撕裂现象，塌角及毛刺增大，断口粗糙，间隙过小，不仅裂纹不能自然会合，并且冲模刃口很快磨钝，大大缩短模具寿命。对于低碳钢及铜、铝等合金，可选Z（双面间隙）＝（10%-15%）s(s为板料的厚度)。d1=d0+Z因此在设计冲孔模具时，应使凸模刃口尺寸等于所要求的孔尺寸，凹模刃口尺寸则是孔的尺寸加上冲模尺寸的双面间隙；设计落料模具时，凹模刃口尺寸应等于落料件尺寸，凸模尺寸是应减去相应的双面间隙。为此对于冲裁件的设计应满足如下要求：1）简化模具制造，降低生产成本。在满足使用要求的前提下，应尽简化冲裁件的形状，多采用圆形、矩形等规则形状，以便于使用通用机床加工模具，并减少钳工修配的工作量。2）切口上线段相交处必须圆弧过渡低碳钢冲裁件的最小圆角半径r=（0.25—0.60）s。3）要考虑排料方便，以便节约原材料。弯曲是将板料弯成一定的角度各圆弧的变形工序。弯曲变形的过程如右图所示：冲头下降与板料接触后，板料开始弯曲，此时弯曲半径R0较大，板料发生弯曲的部分是宽度为L0范围内的金属；随着凸模下压，弯曲半径由R0减小为R1,板料外侧与凹模工作表面的接触距离（即板料上受弯曲作用的宽度）由L0缩短为L1；凸模继续向下压，弯曲半径和弯曲宽度继续减小。并且板料的内侧与凸模的工作表面接触长度增加，此后L2段以外与凸模和凹模工作表面接触点之间的部分板料又向相反的方向弯曲，直到最后板料与凸模和凹模完全贴合。板料上各部分金属变形前后的情况如图所示：板料弯曲后，只有内径r、角度的那一部分金属发生了变形，其余部分的金属没有发生变形。显然，板料内铡的金属在切向压应力的作用下，产生压缩变形；外侧金属在切拉应力作用下，产生了拉伸变形。板料的外表面层金属产生的拉伸应变量最大，所受的拉应力也就最大，甚至可能拉裂。弯曲应力的数值与弯曲半径、弯曲角度、板料的厚度及板料金属的力学性能等因素有关。为了防止拉裂，应尽量选用强度高而塑性好的材料；限制工件的弯曲半径小于材料允许的最小弯曲半径（低碳钢、纯铝、黄铜的最小弯曲半径约为板料厚度的0.3～0.8倍）；下料时要注意，使弯曲圆弧的切线方向与板料轧制的流纹方向一致。防止板料表面划伤，以免划伤部位处于拉伸位置而造成应力集中。弯曲件的弹复：塑性弯曲与任何的塑性变形一样，在外加载荷的作用下，板料的塑性变形保留下来，而有一部分变形在除去外加载荷后要恢复，从而使板料发生与弯曲方向相反的变形，这种现象称为弹复，又称回弹如左图：弹复程度通常用∆α=α−α′表示。弹复角的大小与材料的力学性能、弯曲半径、弯曲角等因素有关。材料的屈服强度越高，弹复角越大；弯曲半径越大，则在整个弯曲过程中，弹复变形后所占的比例越大，弹复角也越大，这也是弯曲半径大的冲压件不易弯曲成形的原因。克服弹复变形影响常用的方法是在设计模具时，使凸模和凹模工作面的角度等于板料弯曲后的夹角减去弹复角，这样弹复后即可得到所需要的弯曲角度。对于弯曲角度不大的工件，也可以采用拉弯要工艺。（由于拉弯时，整个横截面上都处应力状态，应力公布与均匀拉伸近似，卸载后不发生角度弹复）。拉深是将平面板料变开为中空形状冲压件的工序，又称拉延。拉深的过各如右图所示：拉深的缺陷及防止：拉深正常进行的条件是：拉深件底部和侧壁的拉应力应限制在不使板料发生塑性变形的限度内；环形区内的径向拉应力应达到和超过材料的屈服强度，并且切向压应力不致引起板料失稳，否则就会产生拉穿或皱褶缺陷。防止拉穿或皱褶的措施有：a.设计拉深件时，在满足使用要求的前提下，应使拉深件的形状尽量简单，尽量采用回转体形状，深度越小易于拉深。b.拉深模具的工作部分必须加工成圆角，凹模圆角半径Rd和凸模半径Rp分别为Rd＝（5～30）sRp≤Rdc.控制模具的双面间隙，使双面间隙（双边）Z=(2.2～3.0)s。d.限制拉深系数板料的拉伸程度以拉深系数K表示K=𝑑𝐷⁄e.为防止由于径向压应力过大而产生皱褶，通常都用压边圈将板料压住。但压边圈的压力不宜过大，能压住工作不致引起皱即可。压力过大易导致工件拉裂。f.为了减少由于摩擦引起的拉深伯的内应力增加及减少模具的磨损，拉深前应在板料上涂有润滑剂。其他冲压工序起伏是在板料或半成品上使局部金属变薄以形成局部凸超或凹陷的变形工序胀形是将板料或空心状半成品的局部表面面积胀大的工序翻边是将板料或半成品上沿一定的曲线翻超竖立的边缘的成形工序未来的发展趋势：据统计，据统计，2003年中国生产汽车冲压件约240万吨/8亿件，摩托车冲压件约28万吨/19亿件，拖拉机、农用车冲压件约96万吨/7.1亿件，家用空调和冰箱冲压件100万吨/12.8亿件。业内专家预计，随着冲压成形行业最大用户市场--汽车行业今后继续迅猛发展，中国冲压行业已迎来了一个快速发展机遇期，但能否抓住机遇获得新的更快的发展，专家指出，前进的道路上尚有许多阻力和障碍需要克服与突破。中型冲压美国680条冲压线中有70%为多工位压力机，日本国内250条生产线有32%为多工位压力机，而这种代表当今国际水平的大型多工位压力机在我国的应用却为数不多；中小企业设备普遍较落后，耗能耗材高，环境污染严重；封头成形设备简陋，手工操作比重大；精冲机价格昂贵，是普通压力机的5~10倍，多数企业无力投资阻碍了精冲技术在中国的推广应用；液压成形，尤其是内高压成形，设备投资大，中国难以起步。要改变当前大部分还是手工上下料的落后局面，结合具体情况，采取新工艺，提高机械化、自动化程度。汽车车身覆盖件冲压应向单机连线自动化、机器人冲压生产线，特别是大型多工位压力机方向发展。争取加大投资力度，加速冲压生产线的技术改造，使尽早达到当今国际水平。而随着微电子技术和通讯技术的发展使板材成形装备自动化、柔性化有了技术基础。应加速发展数字化柔性成形技术、液压成形技术、高精度复合化成形技术以及适应新一代轻量化车身结构的型材弯曲成形技术及相关设备。同时改造国内旧设备，使其发挥新的生产能力。许多汽车集团大而全，形成封闭内部配套，导致各企业的冲压件种类多，生产集中度低，规模小，易造成低水平的重复建设，难以满足专业化分工生产，市场竞争力弱；摩托车冲压行业面临激烈的市场竞争，处于“优而不胜，劣而不汰”的状态；封头制造企业小而散，集中度仅39.2%。迅速改变“大而全”、“散乱差”的格局，尽快从汽车集团中把冲压零部件分离出来，按冲压件的大、中、小分门别类，成立几个大型的冲压零部件制造供应中心及几十个小而专的零部件工厂。通过专业化道路，才能把冲压零部件做大做强，成为国际上有竞争实力的冲压零部件供应商。冲压板材自给率不足，品种规格不配套：中国汽车薄板只能满足60%左右，而高档轿车用钢板，如高强度板、合金化镀锌板、超宽板(1650mm以上)等都依赖进口。用材应与行业协调发展：流水线汽车用钢板的品种应更趋向合理，朝着高强、高耐蚀和各种规格的薄钢板方向发展，并改善冲压性能。铝、镁合金已成为汽车轻量化的理性材料，扩大应用已势在心行。在中国，许多冲压新技术起步并不晚，有些还达到了国际先进水平，但常常很难形成生产力。先进冲压工艺应用不多，有的仅处于试用阶段，吸收、转化、推广速度慢。技术开发费用投入少，导致企业对先进技术的掌握应用慢，开发创新能力不足，中小企业在这方面的差距更甚。国内企业大部分仍采用传统冲压技术，对下一代轻量化汽车结构和用材所需的成形技术缺少研究与技术储备。中国与欧、美、日等相比，存在的最大的差距就是还没有一个产、学研联合体，科研难以做大，成果不能尽快转化为生产力。所以应围绕大型开发和产业化项目，以高校和科研单位为技术支持，企业为应用基地，形成产品、设备、材料、技术的企业联合