冲裁模设计及其工艺机械制造基础论文.docx
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冲裁模设计及其工艺机械制造基础论文
宁 夏 大 学
机械工程学院
机械制造基础课程报告
冲裁模设计及其工艺
报告撰写人:
陈勇勇
指导教师:
段建中教授
班级与学号:
卓工班(12012243502)
报告完成日期:
2014、6、19
摘要:
近年来,随着我国经济的高速发展,对制造业提出了新的要求,尤其是机械制造业方面,因为机械制造业标志着一个国家的工业水平。
而在机械制造业中,模具的设计与加工制造又是基础。
因而模具的设计及其工艺的重要性自是不言而喻。
本论文就模具中的冲裁模的设计及其工艺的基本知识作一简单的探讨与研究,从而使我们可以掌握关于冲裁模设计的基本知识,加深我们对冲裁模的认识与了解。
关键词:
冲裁模、设计方法、凸模、凹模、排样、工艺
1前言
模具以特定的结构形式通过一定方式使材料成型的一种工业产品,同时也是能成批生产出具有一定形状和尺寸要求的工业产品零部件的一种生产工具。
美国工业界认为“模具工业是美国工业的基石”;日本称模具工业为“进入富裕社会的原动力”;德国给模具工业冠之以“金属加工中的帝王”称号;欧盟一些国家称“模具就是黄金”;新加坡则把模具工业称为“磁力工业”;中国模具权威称“模具是印钞机”。
可见模具工业在世界各国经济发展中所具有的重要地位,模具技术已成为衡量一个国家产品制造水品的重要标志之一。
1.1模具技术的现状
我国模具工业的产值在国际上排名位居第三位,仅次于日本和美国。
国内的模具生产厂已超过17000家,从业人员达50万。
近年来,我国的模具工业一直以每年13%左右的增长速度快速发展我国模具行业在“十五”期间的增长速度达到13%~15%。
(1)中国模具产业的进出口。
近几年来,我国每年进口模具约占市场总量的20%左右,已超过10亿美元,成为世界上最大的模具进口国其中塑料与橡胶模具占全部进口模具的50%以上,冲压模具占全部进口模具约40%中、高档模具进口比例占市场总量的40%以上。
(2)我国模具技术的发展进步主要表现:
①研究开发了模具新钢种及硬质合金、钢结硬质合金等新材料,并采用了一些新的热处理工艺,延长了模具的使用寿命。
比如冲模广泛使用合金工具钢代替碳素工具钢,提高模具寿命,减少模具热处理变形。
②开发了多工位级进模和硬质合金模等新产品,并根据国内生产需要研制了精密塑料注射模。
③研究开发了一些模具加工新技术和新工艺。
如三维曲面数控加工;模具表面抛光、表面皮纹加工及皮纹辊制造技术;模具钢的超塑性成型技术和各种快速成型技术等。
④模具加工设备已得到较大发展,已广泛使用精密坐标磨床、数控(CNC)铣床、CNC电火花线切割机床和高精度电火花成型机床等。
模具零件的精度由数控机床保证,解决了以前传统切削加工生产模具零件,靠钳工技艺保证质量,质量难保证的问题。
⑤模具计算机辅助设计和制造(模具CAD/CAM/CAE)已在国内得到了广泛的开发应用。
三维造型软件和仿真软件的广泛应用,不仅能自动编程,还能进行干涉检查,保证设计和工艺的合理性。
(3)中国模具工业存在的问题。
精密加工设备还很少大型、精密、复杂和长寿命模具的产需矛盾十分突出许多先进的技术如CAD/CAE/CAM技术的普及率还不高。
1.2本课程设计的主要任务
本课程设计主要是对冲裁模设计方法及其工艺相关的知识进行梳理与探讨,并结合最新冲裁模具技术的发展现状将该知识进行一次系统的、基础的整理与完善。
1.3本课程设计的意义
通过本次课程设计,加深对冲裁模设计方法及其工艺相关的知识的认识与理解,从而为实际的冲裁模具的设计奠定坚实的基础。
2冲裁模具技术
2.1冲裁模具简介
冲裁是利用模具使板料沿着一定的轮廓形状产生分离的一种冲压工序。
它包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等工序,其中落料和冲孔是最常见的两种工序。
如图1.1所示的垫圈即由落料和冲孔两道工序完成。
a)落料b)冲孔
图1.1垫圈的落料和冲孔
根据变形机理的差异,冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。
冲裁所使用的模具称为冲裁模,它是冲裁过程必不可少的工艺装备,如落料模、冲孔模、切边模、冲切模等。
冲裁工艺与冲裁模在生产中使用广泛,它可为弯曲、拉深、成形、冷挤压等工序准备毛坯。
2.2冲裁模具的分类
冲裁模具的分类方法有4种:
按工序组合程度分类、按凹模位置分类、按导向位置分类和工序性质分类。
(1)按工序组合程度分类
冲裁模具可分为单工序模、级进模和复合模。
1单工序冲裁模:
在压力机滑块每次行程中只能完成一种冲裁工序。
特点是磨具结构简单、制造方便、成本低廉,但不能精确保证外形与内孔的位置精度,且生产率低。
2级进冲裁模具:
也叫连续模,指由多个工位组成、各工位完成不同的加工、各工位顺序关联,在冲床的一次行程中完成一系列的不同的冲压加工。
3复合模:
在磨具上只有一个加工工位,在压力机的一次行程中完成两个或两个以上的加工工序。
表1.1复合模、级进模、单工序模优缺点比较
比较项目
单工序模
复合模
级进模
结构
简单
较复杂
复杂
成本、周期
小、短
小、短
高、长
制造精度
低
较高
高
材料利用率
高
高
低
生产效率
低
低
高
维修
不方便
不方便
方便
产品精度
高
高
低
品质
低
低
高
安全性
不安全
不安全
安全
自动化
较易
难
易于自动化
冲床性能要求
低
低
高
应用
小批量生产
大、中型零件的冲压试制
大批量生产
内外形精度要求高
大批量生产
中、小零件冲压
(2)按凹模位置分类
一般来说,冲裁模具可分为正装模与倒装模。
正装与倒装是冲裁模具的两种基本结构形式。
正装是指凸模装在上模,凹模装在下模;倒装是指凹模装在上模,凸模装在下模。
(3)按导向位置分类
冲裁模可分为外导向与内导向。
外导向是指利用上模座、下模座、导柱、导套组成的模架进行的导向;内导向是指利用小导柱和小导套对卸料板进行导向,同时卸料板又对凸模进行导向。
(4)按工序性质分类
冲裁模具可分为落料模、冲孔模、切边模、冲切模、切断模、冲槽模、修整模等
2.3冲裁模具的工作过程
直接或间接固定在上模座上的零件组成模具的上模,它通过模柄或利用压板与压力机滑块相连。
固定在下模座的零件组成了模具的下模,并利用压板固定在压力机的工作台上。
上模与下模通过导柱、导套导向。
工作时,条料靠着挡斜销定位。
当上模随滑块下降时,卸料板先压住板料,接着凸模冲落凹模(卸料板)上面的材料获得工件。
这时工件卡在凹模内或自由下落,废料也紧紧箍在凸模上(正装结构)。
在上模回程时,工件由顶料块借助弹簧的弹力从凹模洞口顶出(倒装结构);同时箍在凸模上的废料,由卸料板靠弹簧的弹力卸掉,再取走工件,至此完成整个落料过程。
再将条料送进下一个步距,进行下一次冲裁过程,如此往复进行。
图1.2冲裁模的工作过程
2.4冲裁变形过程分析
2.4.1剪切区力态分析
冲裁时,由于板料弯曲的影响,其变形区的应力状态是复杂的,且与变形过程有关。
对于无压料板压紧材料的冲裁,图1.3是模具对板料进行冲裁时其变形区应力状态图。
当凸模下降至与板料接触时,板料受到凸模、凹模端面的作用力。
由于凸模、凹模之间存在冲裁间隙,使凸模、凹模施加于板料的力产生一个力矩M,其值等于凸模、凹模作用的合力与稍大于间隙的力臂a的乘积。
在无压料板压紧装置冲裁时,力矩使材料产生弯曲,故模具与板料仅在刃口附近的狭小区域内保持接触,接触宽度约为板厚的0.2~0.4倍。
并且凸模、凹模作用于板料垂直压力呈不均匀分布,随着向模具刃口靠近而急剧增大。
图1.3冲裁时作用在材料上的力
其中F1、F2——凸模、凹模对板料的垂直作用力;
F3、F4——凸模、凹模对板料的侧压力;
μF1、μF2——凸模端面与板料间摩擦力,其方向与间隙大小有关,但一般指向模具刃口;
μF3、μF4——凸模、凹模侧面与板料间的摩擦力。
2.4.2冲裁变形过程
冲裁是分离变形的冲压工序。
当凸模、凹模之间的设计间隙合理时,工件受力后必然从弹性变形开始,进入塑性变形,最后以断裂分离告终,如图1.4所示。
图1.4冲裁变形过程
(1)弹性变形阶段
由于凸模加压于板料,使板料产生弹性压缩、弯曲和拉伸(AB′>AB)等变形,板料底面相应部分材料略挤入凹模洞口内。
此时,凸模下的板料略有拱弯(锅底形),凹模上的板料略有上翘。
间隙越大,拱弯和上翘越严重。
在这一阶段中,若板料内部的应力没有超过弹性极限时,当凸模卸载后,板料立即恢复原状。
(2)塑性变形阶段
当凸模继续压入,板料内的应力达到屈服极限时,板料开始产生塑性剪切变形。
凸模切入板料并将下部板料挤入凹模孔内,形成光亮的剪切断面。
同时,因凸凹模间存在间隙,故伴随着弯曲与拉伸变形(间隙愈大,变形亦愈大)。
随着凸模的不断压入,材料的变形程度便不断增加,同时硬化加剧,变形抗力也不断上升,最后在凸模和凹模的刃口附近,达到极限应变与应力值时,材料就产生微小裂纹,这就意味着破坏开始,塑性变形结束。
(3)断裂分离阶段
裂纹产生后,此时凸模仍然不断地压入材料,已形成的微裂纹沿最大剪应变速度方向向材料内延伸,向楔形那样发展,若间隙合理,上下裂纹则相遇重合,板料就被拉断分离。
由于拉断的结果,断面上形成一个粗糙的区域。
当凸模再下行,凸模将冲落部分全部挤入凹模洞口,冲裁过程到此结束。
图1.5冲裁力与凸模行程曲线
图1.5为冲裁时冲裁力与凸模行程曲线。
图中AB段相当于冲裁的弹性变形阶段,凸模接触材料后,载何急剧上升,当凸模刃口一旦挤入材料,即进入塑性变形阶段后,载荷的上升就缓慢下来,如BC段所示。
虽然由于凸模挤入材料使承受冲裁力的材料面积减小,但只要材料加工硬化的影响超过受剪面积减小的影响,冲裁力就继续上升,当两者达到相等影响的瞬间,冲裁力达最大值,即图中的C点。
此后,受剪面积的减少超过了加工硬化的影响,于是冲裁力下降。
凸模继续下压,材料内部的微裂纹迅速扩张,冲裁力急剧下降,如图CD段所示,此为冲裁的断裂阶段。
2.4.3剪切断面分析
(1)断面特征
冲裁件正常的断面特征如图1.6所示。
它由圆角带、光亮带、断裂带和毛刺四个特征区组成。
①圆角带该区域的形成主要是当凸模刃口刚压入板料时,刃口附近的材料产生弯曲和伸长变形,材料被带进模具间隙的结果。
②光亮带该区域发生在塑性变形阶段,当刃口切入金属板料后,板料与模具侧面挤压而形成的光亮垂直的断面。
通常占全断面的1/2~1/3。
③断裂带该区域是在断裂阶段形成,是由于刃口处产生的微裂纹在拉应力的作用下,不断扩展而形成的撕裂面其断面粗糙,具有金属本色,且带有斜度。
④毛刺毛刺的形成是由于在塑性变形阶段后期,凸模和凹模的刃口切入被加工板料一定深度时,刃口正面材料被压缩,刃尖部分处于高静水压应力状态,使微裂纹的起点不会在刃尖处发生,而是在模具侧面距刃尖不远的地方发生,在拉应力的作用下,裂纹加长,材料断裂而产生毛刺。
在普通冲裁中毛刺是不可避免的。
在四个特征区中,光亮带剪切面的质量最佳。
各个部分,在整个断面上所占的比例,随材料的性能、厚度、模具冲裁间隙、刃口状态及摩擦等条件的不同而变化。
a—圆角带;b—光亮带;c—断裂带;d—毛刺
1.6冲裁件的断面特征
(2)材料的性能对断面质量的影响
对于塑性较好的材料,冲裁时裂纹出现得较迟,因而材料剪切的深度较大。
所以得到的光亮带所占比例大,圆角和穹弯较大,断裂带较窄。
而塑性差的材料,当剪切开始不久材料便被拉裂,光亮带所占比例小,圆角小,穹弯小,而大部分是带有斜度的粗糙断裂带。
(3)模具冲裁间隙大小对断面质量的影响
冲裁单面间隙是指凸模和凹模刃口横向尺寸的差值的一半,常称冲裁间隙。
用c表示。
间隙值的
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- 冲裁模 设计 及其 工艺 机械制造 基础 论文