冲压工艺及模具设计二.docx
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冲压工艺及模具设计二
第二章冲裁
内容简介:
冲裁是最基本的冲压工序。
本章是本课程的重点章。
在分析冲裁变形过程及冲裁件质量影响因素的基础上,介绍冲裁工艺计算、工艺方案制定和冲裁模设计。
涉及冲裁变形过程分析、冲裁件质量及影响因素、间隙确定、刃口尺寸计算原则和方法、排样设计、冲裁力与压力中心计算、冲裁工艺性分析与工艺方案制定、冲裁典型结构、零部件设计及模具标准应用、冲裁模设计方法与步骤等。
章节内容:
2.1冲裁变形过程分析
2.2冲裁质量分析与控制
2.3冲裁力和压力中心的计算
2.4冲裁模间隙
2.5冲裁工作部分尺寸确定
2.6冲裁排样设计
2.7冲裁工艺设计
2.8精密冲裁
学习目的与要求:
1.了解冲裁变形规律、冲裁件质量及影响因素;
2.掌握冲裁模间隙确定、刃口尺寸计算、排样设计、冲裁力计算等设计计算方法。
3.掌握冲裁工艺性分析与工艺设计方法;
4.认识冲裁模典型结构(尤其是级进模和复合模)及特点,了解模具标准,掌握模具零部件设计及模具标准应用方法;
5.掌握冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。
重点内容:
1.冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素;
2.刃口尺寸计算原则和方法;
3.冲裁工艺性分析与工艺方案制定;
4.冲裁模典型结构及特点;
5.冲裁模结构设计及模具标准应用;
6.冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。
难点内容:
1.冲裁变形规律及冲裁件质量影响因素;
2.刃口尺寸计算原则和方法;
3.模具结构设计及模具标准应用;
4.冲裁工艺与冲裁模设计的方法和步骤。
主要参考书:
[1]王同海.实用冲压设计技术.北京:
机械工业出版社,2000
[2]冯炳尧.模具设计与制造简明手册.上海:
上海科学技术出版社,2000
复习思考题:
1.说明冲裁变形的三个阶段。
2.绘出冲裁凸模与凹模上所受的力。
3.冲裁件断面存在哪几个区域,各有什么特点?
4.分析冲裁间隙对冲裁力、模具寿命的影响。
5.计算冲裁模工作部分刃口尺寸、计算冲裁力,画出排样图。
6.分析普通冲裁件工艺分析步骤。
例题与解答:
[1]凸、凹模刃口尺寸及公差计算
[2]压力中心计算
[3]冲裁工艺及模具设计综合实例
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2.1冲裁变形过程分析
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。
根据变形机理的差异,冲裁可分为普通冲裁和精密冲裁。
通常我们说的冲裁是指普通冲裁,它包括落料、冲孔、切口、剖切、修边等。
冲裁所使用的模具称为冲裁模,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,也可直接制作零件的模具是冲压一板状零件的冲裁模。
图2.1所示为冲裁加工示意图。
由图可见,冲裁加工必须使用模具。
图中1为凸模,2为凹模,凸模端部及凹模洞口边缘的轮廓形状与工件形状对应,并有锋利的刃口。
凸模刃口轮廓尺寸略小于凹模,其差值称为冲裁间隙。
图2.1 冲裁加工示意图
1—凸模;2—凹模
2.1.1冲裁变形的3个阶段
在间隙正常、刃口锋利情况下,冲裁变形过程可分为三个阶段:
1.弹性变形阶段
变形区内部材料应力小于屈服应力。
2.塑性变形阶段
变形区内部材料应力大于屈服应力。
凸、凹模间隙存在,变形复杂,并非纯塑性剪切变形,还伴随有弯曲、拉伸,凸、凹模有压缩等变形。
3.断裂分离阶段
变形区内部材料应力大于强度极限,裂纹首先产生在凹模刃口附近的侧面,然后凸模刃口附近的侧面,再次上、下裂纹扩展相遇,最后材料分离。
动画:
冲裁变形过程,图2-2(说明:
变形三个过程与断面区域分布)
2.1.2冲裁变形区及受力
由上述冲裁变形过程的分析可知,冲裁过程的变形是很复杂的。
冲裁变形是在以凸、凹模刃口连线为中心而形成纺锤形区域(如图2.3(a)所示),即从模具刃口向板料中心变形区逐步扩大。
凸模挤入材料一定深度后,变形区域也同样按纺锤形区域来考虑,但变形区被此前已变形并加工硬化的区域所包围(如图2.3(b)所示)。
其变形性质是以塑性剪切变形为主,还伴随有拉伸、弯曲与模向挤压等变形。
无压边装置的冲裁过程中板料所受外力如图2.4所示。
2.2冲裁质量分析与控制
2.2.1尺寸精度
冲裁件的尺寸精度是指冲裁件的实际尺寸与基本尺寸的差值,差值越小,则精度越高,这个差值包括两方面的偏差,一是冲裁件相对于凸模或凹模尺寸的偏差,二是模具本身的制造偏差。
2.2.2形状误差
图2.2.1中对冲裁变形区及受力分析得知,材料在冲裁过程中会受到弯曲力偶的作用,因此冲裁件会出现弯拱现象。
加工硬化指数大的材料,弯拱较大。
凹模间隙愈大,弯拱也愈大。
预防各减少弯拱的措施是:
对于冲孔件在模具结构上增设压料板;对于落料件,则在凹模孔中加顶件板。
2.2.3断面质量
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。
间隙值的大小,影响冲裁时上、下形成的裂纹会合;影响变形应力的性质和大小。
当间隙过小时,如图2.2.1a所示,上、下裂纹互不重合。
两裂纹之间的材料,随着冲裁的进行将被第二次剪切,在断面上形成第二光亮带,该光亮带中部有残留的断裂带(夹层)。
小间隙会使应力状态中的拉应力成分减小,挤压力作用增大,使材料塑性得到充分发挥,裂纹的产生受到抑制而推迟。
所以,光亮带宽度增加,圆角、毛刺、斜度翘曲、拱弯等弊病都有所减小,工件质量较好,但断面的质量也有缺陷,像中部的夹层等。
当间隙过大时,如图2.2.1c所示,上、下裂纹仍然不重合。
因变形材料应力状态中的拉应力成分增大、材料的弯曲和拉伸也增大,材料容易产生微裂纹,使塑性变形较早结束。
所以,光亮带变窄,剪裂带、圆角带增宽、毛刺和斜度较大,拱弯翘曲现象显著,冲裁件质量下降。
并且拉裂产生的斜度增大,断面出现2个斜度,断面质量也不理想。
当间隙适中时,上、下裂纹会合成一条线。
尽管断面有斜度,但断面较平直,圆角和毛刺均不大,有较好的综合断面质量。
这种间隙是设计选用的合理间隙,图2.2.1b所示。
当模具间隙不均匀时,冲裁件会出现部分间隙过大,部分间隙过小的断面情况。
这对冲裁件断面质量也是有影响的,要求模具制造和安装时必须保持间隙均匀。
图2.2.1间隙大小对冲裁件断面质量的影响
a)间隙过小; b)间隙合适; c)间隙过大
2.2.4毛刺高度
刃口状态对冲裁断面质量有较大影响。
当模具刃口磨损成圆角时,挤压作用增大,则冲裁件圆角和光亮带增大。
钝的刃口,即使间隙选择合理,在冲裁件上将产生较大毛刺。
凸模钝时,落料件产生毛刺;凹模钝时,冲孔件产生毛刺。
图2.2.4模具刃口状态对断面质量的影响
2.3冲裁力和压力中心的计算
2.3.1冲裁力的计算
计算冲裁力的目的是为了选用合适的压力机、设计模具和检验模具的强度。
压力机的吨位必须大于所计算的冲裁力,以适应冲裁的需求。
普通平刃冲裁模,其冲裁力P一般可按下式计算:
FP=KptLτ
式中τ——材料抗剪强度,见附表(MPa);
L——冲裁周边总长(mm);
t——材料厚度(mm)
系数Kp是考虑到冲裁模刃口的磨损、凸模与凹模间隙之波动(数值的变化或分布不均)、润滑情况、材料力学性能与厚度公差的变化等因素而设置的安全系数,一般取13。
当查不到抗剪强度τ时,可用抗拉强度σb代替τ,而取Kp=1的近似计算法计算。
当上模完成一次冲裁后,冲入凹模内的制件或废料因弹性扩张而梗塞在凹模内,模面上的材料因弹性收缩而紧箍在凸模上。
为了使冲裁工作继续进行,必须将箍在凸模上的材料料刮下,将梗塞在凹模内的制件或废料向下推出或向上顶出。
从凸模上刮下材料所需的力,称为卸料力;从凹模内向下推出制件或废料所需的力,称为推料力;从凹模内向上顶出制件需的力,称为顶件力(图2.3.3)。
2.3.1降低冲裁力的措施
在冲压高强度材料、厚料和大尺寸冲压件时,需要的冲裁力较大,生产现场压力机的吨位不足时,为不影响生产,可采用一些有效措施降低冲裁力。
图2.3.1凸模阶梯布置
凸模阶梯布置由于各凸模工作端面不在一个平面,各凸模冲裁力的最大值不同时出现,从而达到降低冲裁力的目的。
当凸模直径有较大差异时,一般把小直径凸模做短一些,高度差H=(0.5~1)t。
凸模的阶梯布置会给刃磨造成一定困难,仅在小批量生产采用。
图2.3.2斜刃冲裁
(a)、(b)落料凹模为斜刃;(c)、(d)、(e)、冲孔凸模为斜刃;(f)用于切口或切断的单边斜刃
2.斜刃冲裁(图2.3.2)
斜刃是将冲孔凸模或落料凹模的工作刃口作成斜刃,冲裁时刃口不是全部同时切入,而是逐步地将材料分离,能显著降低冲裁力,但斜刃刃口制造和刃磨都比较困难,刃口容易磨损,冲件也不够平整。
为了能得到较平整的工件,落料时斜刃做在凹模上;冲孔时斜刃做在凸模上。
另外,加热冲裁使金属抗剪强度降低,也能降低冲裁力。
2.3.3卸料力、推件力和顶件力
影响卸料力、推料力和顶件力的因素很多,要精确地计算是困难的。
在实际生产中常采用经验公式计算:
卸料力FQ=KFPN(2.4.2)
推料力FQ1=nK1FP(2.4.3)
顶件力FQ2=K2FP(2.4.4)
图2.3.3工艺力示意图
式中P——冲裁力(N);
K——卸料力系数,其值为0.02~0.06(薄料取大值,厚料取小值);
K1——推料力系数,其值为0.03~0.07(薄料取大值,厚料取小值);
K2——顶件力系数,其值为0.04~0.08(薄料取大值,厚料取小值);
n——梗塞在凹模内的制件或废料数量(n=h/t);
h——直刃口部分的高(mm);t——材料厚度(mm)。
卸料力和顶件力还是设计卸料装置和弹顶装置中弹性元件的依据。
2.3.4总冲压力
冲裁时,压力机的公称压力必须大于或等于冲裁各工艺力的总和。
采用弹压卸料装置和下出件的模具时:
FP总=FP+FQ+FQ1
采用弹压卸料装置和上出件的模具时:
FP总=FP+FQ+Q2
采用刚性卸料装置和下出件模具时:
FP总=FP+FQ1
2.4冲裁模间隙
2.4.1冲裁间隙对模具寿命的影响
模具寿命受各种因素的综合影响,间隙是影响模具寿命诸因素中最主要的因素之一。
冲裁过程中,凸模与被冲的孔之间,凹模与落料件之间均有摩擦,而且间隙越小,模具作用的压应力越大,摩擦也越严重。
所以过小的间隙对模具寿命极为不利。
而较大的间隙可使凸模侧面与材料间的摩擦减小,并减缓间隙由于受到制造和装配精度的限制,出现间隙不均匀的不利影响,从而提高模具寿命。
2.4.2冲裁间隙对冲裁力及卸料力、推件力、顶件力的影响
间隙对冲裁力影响不是很大。
间隙小,挤压状态、压应力增大,板料不易产生裂纹,F裁↑
间隙大,拉伸增大、容易产生裂纹,F裁↓
间隙对卸料力、推件力的影响比较显著。
随间隙增大,卸料力和推件力都将减小。
2.4.3合理冲裁间隙的选用
由以上分析可见,凸模、凹模间间隙对冲裁件质量、冲裁工艺力、模具寿命都有很大的影响。
因此,设计模具时一定要选择一个合理的间隙,以保证冲裁件的断面质量、尺寸精度满足产品的要求、所需冲裁力小、模具寿命高。
但分别从质量、冲裁力、模具寿命等方面的要求确定的合理间隙并不是同一个数值,只是彼此接近。
考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损、生产中通常只选择一个适当的范围作为合理间隙,只要间隙在这个范围内,就可冲出良好的制件,这个范围的最小值称为最小合理间隙cmin,最大值称为最大合理间隙cmax。
考虑到模具在使用过程中的磨损使间隙增大,故设计与制造新模具时要采用最小合理间隙值cmin。
确定合理间隙的方法有理论确定法与经验确定法。
1。
理论确定法
理论确定法的主要依据是保证上下裂纹会合,以便获得良好的断面。
图2.4.3所示为冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态。
根据图中三角形ABC
的关系可求得间隙值c为:
图2.4.3冲裁过程中产生裂纹的瞬时状态
根据图中三角形ABC的关系可求得间隙值c为:
c=(t-h0)tanβ=t(1-h0/t)tanβ
式中,h0——凸模切入深度;β——最大剪应力方向与垂线方向的夹角。
从上式看出,间隙c与材料厚度t、相对切入深度h0/t以及裂纹方向β有关。
而h0与β又与材料性质有关,材料愈硬,h0/t愈小。
因此影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。
材料愈硬愈厚,所需合理间隙值越大。
表2.4.3为常用冲压材料的h0/t与β的近似值。
由于理论计算方法在生产中使用不方便,故目前间隙值的确定广泛使用的是经验公式与图表。
(二)经验确定法
根据近年来的研究与使用经验,在确定间隙值时要按要求分类选用。
对于尺寸精度、断面垂直度要求高的制件应选用较小间隙值,对于断面垂直度与尺寸精度要求不高的制件,应以降低冲裁力、提高模具寿命为主,可采用较大间隙值。
其值可按下列经验公式和实用间隙表选用:
软材料:
t<1mm,c=〔3%~4%〕t
t=1~3mm,c=(5%~8%)t
t=3~5mm,c=(8%~10%)t
硬材料:
t<1mm,c=(4%~5%)t
t=1~3mm,c=(6%~8%)
t=3~8mm,c=(8%~13%)
表2.4和表2.5是汽车拖拉机行业和电子、仪器仪表行业推荐的间隙值。
表2.4冲裁模初始用间隙2c(mm)(汽车拖拉机行业)
材料厚度
08、10、35、
09Mn、Q235
16Mn
40,50
65Mn
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
小于0.5
极 小 间 隙
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.2
1.5
1.75
2.0
2.1
2.5
2.75
3.0
3.5
4.0
4.5
5.5
6.0
6.5
8.0
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.126
0.132
0.220
0.246
0.260
0.360
0.400
0.460
0.540
0.640
0.720
0.940
1.080
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.360
0.380
0.500
0.560
0.640
0.740
0.880
1.000
1.280
1.440
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.680
0.780
0.840
0.940
1.200
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.240
0.320
0.380
0.400
0.540
0.60
0.660
0.780
0.920
0.960
1.100
1.200
1.300
1.680
0.040
0.048
0.064
0.072
0.090
0.100
0.132
0.170
0.220
0.260
0.280
0.380
0.420
0.480
0.580
0.680
0.7800.980
1.140
0.060
0.072
0.092
0.104
0.126
0.140
0.180
0.230
0.320
0.380
0.400
0.540
0.600
0.660
0.780
0.920
1.040
1.320
1.500
0.040
0.048
0.064
0.064
0.090
0.090
0.060
0.072
0.092
0.092
0.126
0.126
注:
冲裁皮革、石棉和纸板时,间隙取08钢的25%。
表2.5 冲裁模初始双面间隙Z (mm)(电器仪表行业)
材料名称
45
T7,T8(退火)
65Mm(退火)
磷青铜(硬)
铍青铜(硬)
10、15、20、30钢板,冷轧钢带
H62、H65(硬)
LY12
硅钢片
Q215、Q235钢板08、10、15钢板
H62、H68(半硬)
磷青铜(软)
铍青铜(软)
H62、H68(软)
紫铜(软)
L21~LF2
硬铝
LY12(退火)
力学性能
HBS
≥190
140~190
70~140
≤70
σb/MPa
≥600
400~600
300~400
≤300
厚度t(㎜)
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
2cmin
2cmax
0.3
0.04
0.06
0.03
0.05
0.02
0.04
0.01
0.03
0.5
0.08
0.10
0.06
0.08
0.04
0.06
0.025
0.045
0.8
0.12
0.16
0.10
0.13
0.07
0.10
0.045
0.075
1.0
0.17
0.20
0.13
0.16
0.10
0.13
0.065
0.095
1.2
0.21
0.24
0.16
0.19
0.13
0.16
0.075
0.105
1.5
0.27
0.31
0.21
0.25
0.15
0.19
0.10
0.14
1.8
0.34
0.38
0.27
0.31
0.20
0.24
0.13
0.17
2.0
0.38
0.42
0.30
0.34
0.22
0.26
0.14
0.18
2.5
0.49
0.55
0.39
0.45
0.29
0.35
0.18
0.24
3.0
0.62
0.65
0.49
0.55
0.36
0.42
0.23
0.29
3.5
0.73
0.81
0.58
0.66
0.43
0.51
0.27
0.35
4.0
0.86
0.94
0.68
0.76
0.50
0.58
0.32
0.40
4.5
1.00
1.08
0.78
0.86
0.58
0.66
0.37
0.45
5.0
1.13
1.23
0.90
1.00
0.65
0.75
0.42
0.52
6.0
1.40
1.50
1.00
1.20
0.82
0.92
0.53
0.63
8.0
2.00
2.12
1.60
1.72
1.17
1.29
0.76
0.88
2.5冲裁工作部分尺寸确定
2.5.1计算的原则
冲裁件的尺寸精度主要决定于模具刃口的尺寸精度,模具的合理间隙值也要靠模具刃口尺寸及制造精度来保证。
正确确定模具刃口尺寸及其制造公差,是设计冲裁模主要任务之一。
从生产实践中可以发现:
(1)由于凸模、凹模之间存在间隙,使落下的料或冲出的孔都带有锥度,且落料件的大端尺寸等于凹模尺寸,冲孔件的小端尺寸等于凸模尺寸。
(2)在测量与使用中,落料件是以大端尺寸为基准,冲孔孔径是以小端尺寸为基准。
(3)冲裁时,凸模、凹模要与冲裁件或废料发生摩擦,凸模愈磨愈小,凹模愈磨愈大,结果使间隙越来越大。
由此在决定模具刃口尺寸及其制造公差时需考虑下述原则:
(1)落料件尺寸由凹模尺寸决定,冲孔时孔的尺寸由凸模尺寸决定。
故设计落料模时,以凹模为基准,间隙取在凸模上;设计冲孔模时,以凸模为基准,间隙取在凹模上。
(2)考虑到冲裁中凸模、凹模的磨损,设计落料模时,凹模基本尺寸应取尺寸公差范围的较小尺寸;设计冲孔模时,凸模基本尺寸则应取工件孔尺寸公差范围内的较大尺寸。
这样,在凸模、凹模磨损到一定程度的情况下,仍能冲出合格制件。
凸模、凹模间隙则取最小合理间隙值。
(3)确定冲模刃口制造公差时,应考虑制件的公差要求。
如果对刃口精度要求过高(即制造公差过小),会使模具制造困难,增加成本,延长生产周期;如果对刃口精度要求过低(即制造公差过大),则生产出来的制件可能不合格,会使模具的寿命降低。
制件精度与模具制造精度的关系见表2.2.1。
若制件没有标注公差,则对于非圆形件按国家标准“非配合尺寸的公差数值”IT14级处理,冲模则可按IT11级制造;对于圆形件,一般可按IT7~IT6级制造模具。
冲压件的尺寸公差应按“入体”原则标注,落料件上偏差为零,下偏差为负;冲孔件下偏差为零,上偏差为正。
2.5.2计算方法
由于模具加工方法不同,凸模与凹模刃口部分尺寸的计算公式与制造公差的标注也不同,刃口尺寸的计算方法可分为二种情况。
1. 分别加工法
采用这种方法,是指凸模和凹模分别按图纸标注的尺寸和公差进行加工。
冲裁间隙由凸模、凹模刃口尺寸和公差来保证。
要分别标注凸模和凹模刃口尺寸与制造公差(凸模δp、凹模δd),优点是具有互换性,但受到冲裁间隙的限制,它适用于圆形或简单形状的冲压件。
从图2.21冲压件与凸模、凹模刃口尺寸及公差的分布状态可以看出,要保证初始间隙值小于最大合理间隙2cmax,必须满足下列条件:
|δp|+|δd|≤2cmax-2cmin
也就是说,新制造的模具应该是|δp|+|δd|+2cmin≤2cmax。
否则制造的模具间隙已超过允许变动范围2cmin~2cmax,影响模具的使用寿命。
若|δp|+|δd|>2cmax-2cmin,可取δp=0.4(2cmax-2cmin),δd=0.6(2cmax-2cmin)作为模具的凸模、凹模的制造偏差。
下面对落料和冲孔两种情况分别进行讨论。
1.落料:
设工件的尺寸为D0-△,根据计算原则,落料时以凹模为设计基准。
首先确定凹模尺寸,使凹模基本尺寸接近或等于制件轮廓的最小极限尺寸,再减小凸模尺寸以保证最小合理间隙值2cmin。
各尺寸分配位置见图2.21(a)。
凹模制造偏差取正偏差,凸模偏差取负偏差,其计算公式如下:
(2-3-1)
(2-3-2)
2.冲孔:
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