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1、冲压工艺与模具设计摘要 本次针对汽车消音器冲压模具的设计，是对该项零件进行冲压工艺分析和有关工艺计算，确定合理的冲压工艺方案，设计冲压工序的三套模具，正确选用标准模架。使用UG三维绘图软件绘制模具图，对冲压结构进行工艺分析。明确了设计思路，确定了冲压成型工艺过程并对各个具体部分进行了详细的计算和校核。这样设计出的结构可以确保模具工作时运用可靠，保证与其他零部件的配合，根据三维图绘制模具二维装配图和零件图。关键词 工艺计算 标准模架 三维图绘制 二维装配图冲裁 冲裁是利用模具使板料产生分离的冲压工序，包括落料与冲孔。它可以制成零件也可以为弯曲，拉伸，成形等工序准备毛坯。从板料上冲下所需形状的零件
2、叫落料。在工件上冲出所需形状的孔叫做冲孔。 如下图所示的垫圈，就是由落料和冲孔两道工序完成。通过生产实践，我们对冲裁过程及模具结构有了一定的了解，从感性认识上升到理性认识，才能真正理解冲裁过程的本质，更好的制定工艺和设计模具。下面就冲裁变形过程，冲裁件质量，冲裁横刀口尺寸设计及冲裁模具结构设计等问题进行分析讨论。第1节 冲裁变形机理由图1-2所示的冲裁变形过程可以看出，凸模与凹模组成上下刃口材料放在凹模上，凸模逐步下降使材料产生变形，直至全部分离完成冲裁。随着凸模作用在材料上的外力在数量上的变化，材料内部的变形不断发展。 冲裁过程的变形分为三个阶段（图1-2）1. 弹性变形阶段凸模与材料的力与
3、冲床冲头接触，材料发生弹性压缩与弯曲并挤入凹模洞口。这时材料的内力没有超过屈服极限，若凸模卸压，材料即恢复原状，故称弹性变形阶段。2. 塑性变形阶段凸模继续加压，材料内应力达到屈服极限，部分金属被挤入凹模洞口，产生塑形剪切变形，是闪亮的蛆切表面。因凹，凸模间存在缺陷，故在塑性剪切变形的同时还伴有材料的弯曲与拉伸。3. 断裂分离阶段外力继续增加材料内应力不断增大，在凸凹模刀口处由于应力集中，内应力首先超过抗剪切变形强度，出现微裂纹。凸模继续下压，凸凹刃处的微裂纹不断向材料内部扩展，材料即被拉断分离。如果凹凸模间隙合理时，上下裂纹互相重合。应力应变状态进一步分析冲裁时变形区的应力应变状态，有助于对
4、冲裁过程的了解。在凹模和凸模刃口的连线上取单元体，其应力应变图如图1-3所示。从图中可以看出从中可以看出似乎金属断裂线AB，切削刃在线）在45度的主轴方向1是拉伸力与拉伸变形，拉应力使金属纤维伸长；与其垂直的主轴方向2是压力与压缩变形，使纤维受挤压；在切线方向的应力与应变很小，忽略不计，与主应力方向成45度角方向为最大剪应力方向。而凹凸模之间存在间隙，使金属伸长并撕断，致使破裂面粗糙，并带有毛刺。上述冲裁过程还可以通过冲裁力的变化曲线图得到确认。从图中可以看出，冲裁厚度为3毫米的材料时冲裁力与凸模行程的关系曲线。从图中可以看出：在冲裁过程中冲裁力的大小是不断变化的，AB段相当于冲裁的弹性变形阶
5、段，BC段为塑性变形阶段。当材料内应力达到抗剪强度时材料开始产生裂纹，CD段为裂纹扩展直至材料分离的阶段，DE段为将材料推出凹模口。剪切断面分析参见图2-10上述冲裁过程得到的冲裁件截面并不是光滑垂直的，断面存在三个区域，即圆角带，光亮带与断裂带。圆角带是在冲裁过程中塑性变形开始时，由于金属纤维的弯曲与拉伸而形成的，软料比硬料的圆角大。光亮带是在变形过程的第二阶段金属产生塑剪变形时形成的，有光滑垂直的表平面，光亮带占全断面的3/12/1,软材料的光亮带窄，随材料机械性能，间隙，模具结构会产生不同的变化。断裂带相当于冲裁过程的第三阶段，主要是由于拉应力的作用，裂纹不会产生纤维断裂扩展，故表面极粗
6、糙不光滑，且有料度。在冲孔的断面上同样具有上述特征，只是三个位置的分布与落料相反。冲裁件除断面处有纤维度外，还有点弯曲不平整，端面有毛刺，所以冲裁只是合与一般要求的冲裁件。第2节 模具间隙冲裁时不仅要求冲出符合图纸形状要求的零件，还应有一定质量要求，冲裁件质量是指切断面质量，尺寸精度及形状误差。切断面应平直，光洁，无裂纹和撕裂，夹层等缺陷，表面应尽可能平坦，即穹弓小，尺寸精度保证不超出图纸规定的公差范围。 影响冲裁质量的因素很多，从生产实际知道，凸凹模具间隙大小及力的均匀性，模具刃口状态，模具结构与制造精度，材料品质等，对冲裁件都有影响。但我们必须从其中找出对冲裁质量起着决定性作用的因素，间隙
7、就是一个。1. 对冲裁断面质量的影响比较平直光洁，且无毛刺。在这种情况下的零件断面质量认为是良好的。当间隙过小时，则上下裂纹互不重合。当间隙过大时，裂纹也不重合。若间隙分布不均，局部毛刺，磨损不均，加剧；所以间隙不仅要选用合理，而且再制造和调整冲模时保证间隙均匀。2. 间隙对尺寸精度的影响冲裁件的尺寸精度指冲件的实际尺寸与公称尺寸的差值，差值越小则精度越高。这个差值包括两方面的偏差，一是冲裁件与凸模或凹模尺寸的偏差，一是模具本身的制造偏差。冲裁件与凸，凹模尺寸的偏差主要是由于：制件（废料）从凹模内推出，由于材料的弹性恢复造成的。偏差值可能是正，也可能是负。影响这个偏差值的因素有：1. 凹凸模间
8、隙 间隙大，拉伸作用明显，弹性恢复使落料件小于凹模尺寸，冲孔件间隙小2. 材料性质 材料性质对尺寸精度有影响，因为材料性质直接决定了材料的冲裁质量。软钢的弹性变形量较小，冲裁后的弹性恢复量也就小，故工件精度较高。硬钢弹性恢复较大，工件精度就较低。3. 工件形状与尺寸 材料厚度与工件形状对哨度也有影响，薄材料冲裁的弹性恢复大。工件形状越复杂，模具创造及调整时就越难保证间隙均匀，故尺寸偏差也越大。4. 刃口状态对断面质量的影响5.间隙对冲裁力的影响间隙越小，冲裁变形区的静水压力越高，材料的变形抗力就越大，冲裁力也就越大；反之，当间隙增大时抗力降低，冲裁力也就减小，但减小的数值不大。第3节 凹凸模间
9、隙的确定由此可见，凹凸模间隙对冲裁件质量，冲裁力，模具寿命都有很大的影响，因此设计模具时一定要选择个合理的间隙，以保证冲裁件的断面质量好，所需冲裁小，模具寿命高。但是分别从质量，精度，冲裁力多方面的要求分别确定的合适间隙并不是同一个数值，而是彼此接近，同时考虑到模具制造中的偏差及使用中的磨损，故生产中常选择一个适合的范围为合理间隙，只要间隙落在这个范围内就可以冲出良好制品，这个范围的最小值称最小合理间隙，最大之称为最大合理间隙。在最小合理间隙时可以得到与板面垂直的断面，而不产生显著的毛刺。在最大间隙仍能得到满意端面质量。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
10、间隙。 确定合理间隙的方法有理论计算与经验确定法两种。1. 理论确定法 理论确定法的主要依据是要保证裂纹重合，以便获得良好的断面。图1冲裁过程中开始产生裂纹的瞬时状态q从图中的三角形ABC可求的间隙Z式子中A-凸模压入深度; B-最大剪应力方向与垂线间夹角；从上式可以看出，间隙z与材料厚度t，相对切入深度h。/t 以及裂纹方向有关，而又与材料性质有关，材料越硬h。/t 越小。因此从上式可以看出影响间隙值的主要因素是材料性质和厚度。材料越硬越厚，所需合理间隙值越大。表1-3为常用冲压材料的h。/ t 与的近似值。 由于各种材料的h。/ t 与值目前还没有准确的测定数值，而且，生产中使用这种方法也
11、不方便，故广泛采用经验公式与图表法。2. 经验确定法经验确定法也是根据材料性质与厚度，按下式确定 式中：K-与材料性质有关的系数 t-材料厚度软材料如08,10，黄铜，紫铜Z=（0.08-0.1）t中硬材料：A3，A4,20,25 Z=（0.1-0.12）t硬材料如A5,50Z=（0.1-0.14）t其中薄料取下限。3 图表法 此外也可以直接查表确定间隙值（如教材2-3,2-4,2-5表）表2-5是原机械工业部的冲裁间隙指导性技术文件（JB/z271-86）推荐的间隙值。 过去我国一直采用苏联资料介绍的间隙值，从使用的经验来看，其间细值一般较小。原因之一是这种间隙没有根据生产特点分类选用，其二
12、是只以冲裁件精度作为主要依据，而没有考虑断面及模具寿命等其他重要因素，所以在生产中存在不少问题。例如：磨损+冲裁力 所以，在实际应用中，除了特别要求断面垂直的制件以外，尽量采用大间隙。 另外，实践中根据经验，还应：（1） 冲空的z值可比落料取大些;（2） 冲孔时z值取大些，以防凸模折断；（3） 硬质合金模z值应比钢模大30%；（4） J凹模孔口为锥形的比直型的z值小些；（5） 高速冲压时模具易发热，f值应取大些；（6） 凹凸模壁薄时，为防止涨裂，应放大冲孔的z。第4节 冲裁刃口尺寸的计算 模具的刃口尺寸和公差，直接影响冲裁件的尺寸精度，合理间隙也要靠它来保证。因此，正确的计算模具的刃口尺寸和公
13、差是模具设计中的一项十分重要的工作。 在计算刃口尺寸和工差时应遵循以下原则：1. 考虑到落料件的尺寸取决于凹模尺寸，而冲孔件的尺寸取决于凸模尺寸，故设计落料模时，应以凹模为基准，间隙留在凸模上;设计冲孔模时，应以凸模为基准，间隙留在凹模上。（断面是有锥度的，落料件大端尺寸=a凹模尺寸，冲孔件小端尺寸=凸模尺寸）2. 考虑到磨损会使凹模尺寸增大，凸模尺寸减小，为保证模具的寿命，落料凹模的基本尺寸应取靠近或等于工件的最小极限尺寸；冲孔凸模的基本尺寸应取靠近或等于工件的最大极限尺寸，并采用最小合理间隙值。3. 选择刃口的制造公差时，应保证工件的精度和合型间隙的要求，同时要便于模具制造工差过大，则冲出
14、的件可能不合格，或不能保证合理间隙；如果过小，则模具制造难并使模具成本增加。模具精度与冲裁件精度的关系见表 特别说明：若工件尺寸没有标注公差，则按未注公差IT14级来处理，而模具则按IT11级制造（对非图形件），或按IT6-7级制造（对圆形件）按模具加工方法的不同，刃口计算方法分为两种1. 凸模与凹模分开加工 分开加工，是指凸模与凹模分别按各自的图纸单独加工，模具间隙靠加工出的尺寸保证。因此，要分别计算和标注出凹模，凸模的尺寸和公差。此法适用于圆形或形状简单的工件。 （1）落料模 设落料件尺寸度d，根据上述原则，先确定凹模尺寸在减小凸模尺寸以保证合理间隙。刃口部分尺寸关联图如图所示。 落料模的
15、刃口尺寸计算公式如下 （2）冲孔模 设冲孔尺寸为d。根据上述计算原则先确定凸模尺寸，在增大凹模尺寸以保证最小合理间隙刃口部分各尺寸关联图如图2-13（b）所示。冲孔径的刃口尺寸计算公式如下： 符号意义：x-公差带偏移系数，目的是为避免多数冲裁件都偏向极限尺寸其值与工件精度有关。公差带偏移系数x可查2-7,或按下列关系取工件精度IT10以上：x=1工件精度IT11-13：x=1.75工件精度IT14：x=0.5为了保证合理间隙，模具制造公差必须满足下列条件：凹凸模分开加工的优点是：凹凸模有互换性，便于模具成批加工。凹凸模分开加工的缺点是：为了保证合理间隙，需要较高的模具制造公差等级，模具制造比较
16、困难。2. 凸模与凹模配合加工 对于形状复杂或薄材料工件，为了便于模具制造，应采用配合加工。此方法是先加工基准件（落料时为凹模，冲孔时为凸模），然后根据基准件的实际尺寸，来配做另一件（落料时为凸模，冲孔时为凹模），在另一件上修出最小合理间隙值。故采用配合加工时，只需要在基准件上标注尺寸和公差，另一只只标注基本尺寸，并注明“凸模尺寸按凹模实际尺寸配制，保证单面间隙”（落料时）；或“凹模尺寸按凸模实际尺寸配制，保证单面间隙”（冲孔时）。 配合加工时，基准件的制造公差6f不再受间隙值的限制，甚至可以适当放大制造公差，故模具比较容易制造。目前一般工厂都采用这种加工方法。基准件的制造公差一般可以选择取A
17、/4. 对于一些形状复杂的冲裁件，由于各部分尺寸性质不同，其磨损规律也不同，故必须具体分析，分别计算。 如图2-20a为落料件凹模尺寸，2-20b为冲孔件和凸模尺寸，在这两个图中：A类尺寸为磨损后变大的尺寸，这类尺寸应按落料凹模尺寸公式（2.2）计算，B类尺寸是磨损后小的尺寸应按冲孔凸模尺寸公式（2-4）计算；C类尺寸为磨损后不变的尺寸，对这类尺寸，把工件的中间尺寸作为模具的基本尺寸，然后标对称偏差即可，集体计算公式见下表：第5节 冲裁工艺力 冲裁工艺力包括分离材料所需的冲裁力以及卸料力，推件力和顶件力。冲裁后，冲下的工件（或废料）由于弹性恢复而扩张，会梗塞在凹模洞口内。同样，废料（或工件）上
18、冲出的孔会因为弹性收缩而箍紧在凸模上。 计算冲压工艺力的目的是什么呢？就是为合理选择压力机的吨位。（当然选择压力机不仅要考虑吨位，还有工作台，压机结构，闭合高度等）选择压力机时，压力机的公称压力（N）必须大于或等于冲裁时的总压力。1. 冲裁力的计算 生产中常用平刀口模具冲裁，其冲裁力可按下式计算： K-安全系数，一般取P=1.3，考虑到模具刃口磨损变钝，凸模与凹模间隙不均匀，材料性能和厚度偏差波动等因素。 冲裁高强度材料和或厚料大尺寸工件时，需要的冲裁力较大。如果超过车间现有压力机的吨位，就必须设法降低冲裁力。1. 加热冲裁 材料在加热状态下剪切强度大大下降，因而可以降低冲裁力。但材料加热后会
19、产生氧化皮，还会产生变形，故此法只适用于厚板或工件表面质量及精度要求不高的工件。2. 阶梯布置凸模冲裁 在多凸模的冲裁中，将凸模做成不同角度，呈阶梯布置，可使各个凸模冲裁力的最大值同时出现，从而降低了总的冲裁力。凸模间的高度差按材料厚度确定：t3mm h=0.5t 采用阶梯布置凸模时，应尽可能对称布置，同时应把小凸模做的短一些，大凸模做的长一些，这样可以避免小凸模由于材料流动的侧压力产生倾斜或折断的现象。3. 斜刀口模具冲裁 平刀口冲裁时，整个刃口平面向对接触板料，而斜刀口模具冲裁时，由于刃口是倾斜的，冲裁时刀口不是同时切入，而是逐步冲裁材料，这样相当于减小了冲断面积2. 其他冲裁工艺力的计算 影响这些力的因素很多，主要是材料的性能和厚度，模具间隙，工件形状和尺寸及润滑条件等。而这些因素的影响规律也很复杂，要精确的从数量上反应这些力的大小是很困难的，所以一般采用下列经验公式：Fx=KF(K 查表2-10)总的冲压工艺力根据实际模具结构具体分析文献出处：李雄，张鸿冰，阮雪榆，罗中华，张艳，模具热处理及其导向平行设计.钢铁研究学报英文版，2006.13（1）：40-43,74