冲压工艺与冲压模设计模板.doc

第6章 冲压工艺过程设计冲压工艺过程是冲压件各加工工序总和。加工工序不仅包含冲压件所用到冲压加工基础工序，而且包含基础工序之前准备工序、基础工序之间辅助工序和基础工序以后后续工序。工艺过程设计任务就是依据生产条件，对这些工序前后次序做出合理安排(协调组合)，其基础要求是技术上可行、经济上合算，还要考虑操作方便和安全。冲压工艺过程优劣，决定了冲压件质量和成本，所以，冲压工艺过程设计是一项十分关键工作。6.1 冲压工艺过程设计步骤冲压工艺过程设计包含内容很多很广，所以应分步进行，其步骤现已大致形成规律，可依据程序进行。通常步骤以下。1. 熟悉原始资料在接到冲压件设计任务以后，首先应熟悉以下原始资料：(1)产品图及技术条件或实物样品；(2)原材料牌号、尺寸规格、冲压性能；(3)生产纲领或生产批量；(4)可提供冲压设备种类、型号、规格、技术参数及使用说明；(5)可提供模具制造能力和技术水平；(6)相关技术标准和资料。2. 冲压件工艺性分析按上述原始资料对冲压件结构形状、尺寸、精度要求、材料性能等进行分析。判定该冲压件用冲压工艺成形能不能达成要求技术要求，需要哪多个性质工序和工步，各道中间工序件/半成品形状和尺寸由哪道工序完成，然后按前几章分别叙述冲压工艺性要求逐一分析，裁定该冲压件加工难易程度，裁定是否需要采取特殊工艺方法。因为生产条件(工艺装备及生产传统习惯)不一样，工艺性涵义也会有部分差异。若存在冲压工艺性不好、冲压加工困难，则应在不影响其使用性能前提下提出修改意见，经和产品设计人员协商同意后对冲压件图样作出适合工艺性修改。3. 确定最好工艺方案经过工艺性分析，结合工艺计算，并经分析比较确定最好方案，这是冲压工艺过程设计中十分关键步骤。其内容包含工艺性质、工序数目、工序次序、工序件/半成品件形状尺寸和其它辅助工序安排，6.2节将专题叙述。4. 完成工艺计算工艺方案确定后，对各道冲压工序进行工艺计算，其内容关键包含：(1)排样及计算材料消耗定额；(2)计算冲压所需力、所消耗功；(3)计算凸、凹模工作部分尺寸。5. 选择模具类型及结构形式依据确定工艺方案和冲压件形状特点、精度要求、生产批量、模具加工条件、操作方便和安全等要求，选定冲模类型及结构形式。通常而言，用复合模冲出制件精度高于级进模，而级进模又高于单工序模。这是因为用单工序模冲压多工序冲压件时，要经过数次定位和变形，产生积累误差大，冲压件精度较低。复合模是在同一位置一次冲出，不存在定位误差。所以，厚料、低精度、小批量、大尺寸冲压件宜单工序生产，用简单模；薄料、小尺寸、大批量产品宜用级进模连续生产；而形位精度高产品，可用复合模加工相关尺寸。具体内容见第7章。6. 选择冲压设备依据工艺计算结果和模具空间尺寸估算值，结合可提供冲压设备情况，合理确定设备类型和标称压力。7. 编写工艺过程卡冲压工艺过程设计归宿是编制出冲压工艺过程卡，它是针对具体冲压产品，对其生产方法、方法、数量、质量等作出全部决定和记载，其内容关键包含工序名称、工序内容、工序说明(工序件/半成品形状和尺寸)、模具类型、选择设备、检验要求等(参见表6.1、表6.2)。应该说明是，上述各项内容难免相互联络、相互制约，所以各设计步骤应前后兼顾和呼应，有时要相互穿插进行。6.2 冲压工艺方案确实定在分析冲压件加工工艺性基础上，提出多种可能冲压工艺方案，经过综合分析、比较，最终确定适合生产条件最好方案，其内容关键包含工序性质、工序数目、工序次序和其它辅助工艺(热处理等)安排。6.2.1 工序性质确实定工序性质是由冲压件结构形状、尺寸精度、弱区变形性质所决定。通常冲压件加工过程由表1.1、表1.2中所列各基础工序中一个或多个组成，即可完成冲压成形。简单冲压件形状能很直观地反应出冲压加工工序性质类别，图6.1所表示弯曲件，需经落料、弯曲、冲孔等工序完成。但有些冲压件工序性质类别并不能直观地反应出来，其弱区和强区是相正确，必需经过计算和比较才能确定，图1.13所表示“环形坯料变形趋向”，改变坯料各部分相对尺寸、改变模具工作部分几何形状和尺寸，甚至改变坯料和模具之间摩擦阻力，全部会使坯料某部分由弱区转化为强区，或由强区转化为弱区，从而改变冲压工序性质。为了使每道工序全部能顺利完成任务，必需使该道工序中应该变形部分处于弱区，并确保需要变形先变形，不需要变形部分不变形，为此，应采取方法对冲压变形加以控制(详见1.4.4节)。为了改善弱区变形条件，有时要增加部分附加工序。图6.2所表示轴承盖零件，其拉深系数为0.43，已超出极限拉深系数，不能一次拉深成形，该件一个工艺方案为落料第1次拉深第2次拉深冲23mm孔，但若在落料同时，在坯料中心预冲11mm孔，则在拉深时凸缘仍然是弱区，但底部也能够产生一定变形量，拉深时11mm孔扩大，底部部分材料转向侧壁，从而使成形高度得到增加，而坯料直径则可合适减小，所以可一次拉深成形，此时该件工艺方案变为冲孔(11)落料复合拉深冲孔(23)。显然，后一方案愈加好。另外，冲裁件假如平面度要求较高，应增加校平工序；弯曲件弯曲半径太小时，应增加整形工序，使之达成要求；各类空心件若采取拉深工序，拉深件圆角半径太小时，也要增加整形工序。图6.1 弯曲件图6.2 轴承盖零件图6.2.2 工序数目标确定冲压件基础工序确定后，工序数目关键依据材料极限变形参数(如拉深系数、翻边系数、缩口系数、胀形系数等)来确定，另外，下列原因也对工序数目标确定产生影响。1. 冲压件形状、尺寸要求影响对于复杂冲裁件，因为受模具结构或强度限制，常常将其内外轮廓分成多个部分，用几道冲压工序或在级进模中分多个工步进行冲裁。很靠近孔，不能同时冲出，也要分步冲裁。弯曲件工序数目决定于弯角多少、相对位置和弯曲方向。2. 工序合并情况影响对于多工序冲压件，应尽可能把冲压基础工序合并起来，采取复合工序或级进工序，以提升生产效率。料薄、尺寸小冲压件，宜经过工序合并，用级进工序进行冲压；形位精度高冲压件，宜经过工序合并，用复合工序加工相关尺寸，反之宜采取单工序分散冲压。工序合并是否，还需考虑冲压设备能力、模具制造能力、模具造价及使用可靠性。3. 冲压件尺寸精度及形位公差要求图6.3所表示某锁圈，因为内孔是配合尺寸，有精度要求，所以其工艺方案为落料成形冲孔。假如其内孔22没有精度要求，则其工艺方案能够是落料冲孔复合成形。这么工序少、效率高。图6.3 有精度要求锁圈弯曲件弯曲角度公差要求较高时，需增加校正弯曲；有凸缘拉深件底部和凸缘有平面度要求时，要增加整形工序。拉深件口部、翻边件边缘等全部难以直接做到规则而平齐，所以通常情况下，拉深件、翻边件等最终全部有一道修边工序。若对周围口部没有较高要求时，修边工序可省略。4. 坯料类型影响图5.24所表示，该制件如用板料加工，从落料到最终冲孔共需6道工序，改为用管料则只需切断、缩口、第2次缩口共3道工序。当然，这种替换只有对细长管类制件才有效。5. 操作安全和方便方面要求工人操作是否安全、方便也是在确定工艺方案时要考虑一个十分关键问题。比如，对于部分形状复杂、需要进行多道工序冲压小型件，假如用单工序模分步冲压，需用手钳放置或取出坯料/工序件/制件，数次进出危险区域，很不安全。还可能出现定位困难。为此，有时即使批量不大，也采取比较安全级进模进行冲压。图6.4和图6.5所表示即为一实例。图6.4 形状复杂小冲压件图6.5 形状复杂小冲压件在级进模上连续冲压排样1冲废；2冲废；3切边、冲工艺孔；4压包；5压弯；6压弯；7切断图6.6所表示制件，第1道工序拉深出是以后冲侧孔和翻边两道工序定位尺寸，为了预防工序件转动，还需增加周向定位，所以，冲裁两个5.5工艺孔。图6.6 增加定位工艺孔制件又图6.7(a)所表示冲裁件，3个槽和3个小孔之间有相对位置要求。图6.7(b)、(c)所表示为用单工序模进行冲裁两种工艺方案。工艺方案1先冲出带槽型孔，再以型孔定位冲出3个小孔。该方案定位较复杂，操作不方便，效率低而且不安全。工艺方案2先冲大圆孔，再以大圆孔定位冲3个槽和3个小孔，这么定位简单可靠，操作方便安全，效率高。图6.7 冲裁工艺方案比较6.2.3 工序次序安排各冲压工序前后次序，关键依据冲压件形状、工序性质、材料变形规律及冲压件精度和定位要求来安排。安排通常标准为：(1)全部孔，只要其形状和尺寸不受后续工序变形影响，全部应在平板坯料上冲出。因为在立体冲压件上冲孔时操作不方便，定位困难，模具结构复杂。另外，先冲孔还能够作为后续工序定位孔。(2)对于带孔(缺)平板冲裁件，假如采取单工序模，通常先落料再冲孔(缺)；若选择级进工序，则先冲孔(缺)后落料。(3)对于带孔弯曲件，应参考弯曲件工艺性分析安排冲孔工序，当孔径和变形区或孔和基准面有较高要求时，应先弯曲后冲孔。除此之外，通常情况下全部应先冲孔后压弯。(4)对于带孔(缺)拉深件，通常先拉深后冲孔(缺)。对于带底孔拉深件，当孔径要求不高时，可先冲孔后拉深。即使孔径要求较高(图6.3所表示)，为使确定工序次序有利于发挥材料塑性，以降低工序数量，也可采取先冲孔后拉深，最终修边达成要求。(5)对于多角弯曲件，应从材料变形区相互影响和弯曲时坯料偏移走向两方面安排前后弯曲次序。通常先弯外角后弯内角。(6)对于复杂旋转体拉深件，通常按由大到小次序进行拉深(先拉出大尺寸外形，后拉深小尺寸圆筒)。对于非旋转体复杂形状拉深件，为便于材料变形流动，应先成形内部形状再拉深外部形状。(7)附加整形工序、校平工序，应安排在基础成形以后。热处理及酸洗工序，通常安排在数次拉深工序中间或压弯工序之前。6.2.4 工序件/半成品形状和尺寸工序件/半成品是坯料和成品制件之间过渡件。每个工序件/半成品全部可分为两个组成部分：已成形部分形状和尺寸和成品制件相同；待成形部分形状和尺寸和成品制件不一样(是过渡性)。这些过渡性尺寸和形状，即使在冲压加工完成后会完全消失，但对每道工序成形及整个冲压件质量却相关键影响。所以，工序件/半成品形状尺寸确实定是冲压工艺方案确定关键内容之一。图6.8所表示为气阀罩冲压工艺过程。第2次拉深工序以后，形成了直径为16.5圆筒形部分，这部分形状和尺寸在以后加工过程中不再发生改变。在确定工序件/半成品尺寸时，必需使被这部分隔开两端材料面积恰好等于以后各道工序里形成制件对应部分面积。为了使第3次拉深(反拉深成为可能)，将第2道工序得到工序件/半成品底部做成球面，以储存较多材料。显然假如第2道工序得到工序件/半成品底部为平面，则需要用胀形方法成形，就可能造成制件底部开裂。图6.8 多道工序工序件/半成品设计(a) 落料和首次拉深复合；(b) 第2次拉深；(c) 胀形和整形；(d) 冲孔和切边复合；(e) 外缘及内孔翻边；(f) 折边6.3 冲压工艺过程设计实例下面经过两个实例深入说明冲压工艺过程设计。例6.1 图6.9为汽车空调器前端盖，材料为08F钢，t =1mm，属于大量生产。要求确定工艺过程方案。图6.9 汽车空调器前端盖解：(1)制件结构工艺性分析该冲压件属于阶梯形筒形件。其尺寸精度按前述各章所要求判定，能够经过一般冲压加工方法取得，而R0.5，R1，R2.5和平面度要求均需经过整形工序方能达成。(2)工序性质确定对于SR9凸包，因为坯料直径和凸模直径之比显然大于2.5(参见图1.13(d)，且凸包高度3t，不能拉深成形。经过简单工艺试验验证，该凸包可经过一次局部胀形取得，且对坯料外圆尺寸影响很小。所以，各大直径部分拉深能够看作是不带凸包部分有凸缘阶梯筒形件拉深(图6.10所表示，为了计算及表述方便，图中尺寸已全部转化为材料中线尺寸)，只要将制件形状成形好，其它工序就比较轻易了。由此可判定该制件所需基础冲压工序为局部胀形、拉深、冲孔(包)、切边。(3)工序数目、工序次序确实定依据图6.10，按4.6节中相关公式，参摄影关设计手册，计算出坯料直径为95mm(含切边余量，计算过程略)。于是坯料相对厚度t /D1/951.056%。按4.7.2小节中介绍，若该阶梯筒形件采取由大台阶至小台阶拉深方法，两个台阶直径之比为36.4/51.10.712，显然小于表4.2中要求极限拉深系数(0.750.76)，故由大台阶拉至小台阶不能一次拉出，需2次拉成。若采取先拉小台阶再拉大台阶拉深方法，拉深小台阶时拉深系数为36.4/950.383，且经过工艺计算，第1次拉成小台阶部分后高度为22157(mm)，中间坯料直径dt191mm(按拉入凹模材料比制件最终对应实际表面积多3%5%计算，过程略)，于是dt1/d191/36.42.5，查表4.16可知极限拉深系数为0.38，说明从95圆坯料可一次拉出该小台阶。拉大台阶(51.1)时，因为小台阶已成形，且处于大台阶筒形件底部，所以，大台阶拉深可视为由直径D91圆坯料，拉成凸缘直径76、筒体直径51.1有凸缘拉深，于是dt /d76/51.11.487，拉深系数m1d /D51.1/910.56，此值大于表4.16中所列有凸缘件首次拉深极限拉深系数0.49。说明该台阶可一次拉深成形。采取上述2种拉深方法，经过拉深所得到拉深件工序件/半成品形状尺寸图6.11所表示。由图可知，R0.5，R2.5，R3及平面度精度均未达最终要求，且各台阶直径和高度全部略大于最终冲压件图要求，这是因为在后续整形工序中，还有一小部分材料需要流动，以避免整形时小圆角部位材料过分变薄。这类中间尺寸确定依据是确保各部位金属材料表面积等于或略大于(大3%5%)制件图中各对应部位实际面积(计算尽可能正确)，而在实际生产中，是经过严格控制各次拉深时凸模进入凹模深度来实现。图6.10 前端盖拉深件形状尺寸图6.11 前端盖拉深件工序件/半成品形状尺寸在SR9凸包处，先冲5孔对整形取得R0.5，R1圆角时材料变形流动有利底部材料转移(孔径扩大)而使各圆角得到减小，考虑整形对孔影响，此时冲孔凸模设计成4.8左右，并将冲孔和整形复合起来(先冲孔再整形)一次成形。当然，这么得到孔径精度不高，若孔径尺寸精度要求较高时，则不宜采取此安排。其它各孔(包)因为孔(包)径尺寸要求较高，且距整形圆角处距离较近，故不宜安排在整形前完成。又考虑到各孔(包)相对位置要求较高，且最小孔边距大于表2.16中要求，故冲孔(包)工序能够和切边工序复合起来。(4)工艺方案确定总而言之，该制件有两种冲压工艺方案，其工序图分别图6.12和图6.13所表示。图6.12 由大台阶到小台阶拉深工艺方案(a) 胀形落料复合；(b) 第1次拉深；(c) 第2次拉深；(d) 第3次拉深；(e) 冲孔整形复合；(f) 冲孔(包)切边复合图6.13 由小台阶到大台阶拉深工艺方案(a) 胀形落料复合；(b) 第1次拉深；(c) 第2次拉深；(d) 冲孔整形复合；(e) 冲孔(包)切边复合比较这两种方案，显然图6.13所表示方案工序少，生产效率高，模具制造成本低，适合大批量生产，且所取得制件表面质量也较高(参见4.7.1小节中叙述)。(5)确定各工序模具种类和型式冲压工艺方案确定后，各工序模具种类自然就确定了，即落料胀形复合模、第1次(小台阶)拉深模、第2次(大台阶)拉深模、冲孔整形复合模、冲孔切边复合模。有代表性各模具结构形式图6.14、图6.15、图6.16所表示。其中图6.16中刚性限位块作用即为传输整形力。在试模调整时应注意压力机下死点位置是否到位。图6.14 落料胀形复合模图6.15 第2次拉深模图6.16 冲孔整形复合模(6)确定冲压设备依据前面各章所述相关计算冲压力公式和方法，分别确定各工序所需总压力，然后依据可提供冲压设备情况确定各工序所用冲压设备类型及规格(计算过程从略)。(7)编写冲压工艺过程卡片汽车空调器前端盖冲压工艺过程见表6.1，冲压工艺过程卡片格式参见附录A。表6.1 汽车空调器前端盖冲压工艺过程序号工序工序(步)内容及要求工 装设 备备 注1辅将18009001.0板料裁成长料，表面无严重锈蚀及划伤，尺寸达工艺说明要求2冲压包落料复合压包部分不许可破裂，许可冲件毛刺0.08，形状尺寸达工艺说明要求落料胀形复合模250kN3冲第1次拉深无起皱、拉裂，形状尺寸达工艺说明要求第1次拉深模350kN4冲第2次拉深无起皱、拉裂，形状尺寸达工艺说明要求第2次拉深模350kN5冲冲孔整形复合各被整形圆角R0.5，R1，R2.5，R3达要求，且无显著变薄，形状尺寸达工艺说明要求冲孔整形复合模250kN6冲冲孔(包)切边复合冲裁毛刺0.08，形状尺寸达产品图要求冲孔切边复合模250kN注：1. 排样见图6.17。2. 各工序之间应安排工序检验，计数抽样按GB 2828标准。例6.2 确定图6.18所表示芯轴托架冲压工艺方案。材料为08钢，年产量2万件。要求无严重划伤，孔不许有变形。图6.17 汽车空调器前端盖排样图图6.18 芯轴托架解：(1)制件结构工艺性分析该制件10mm孔内装有芯轴，经过4个5mm孔和机身连接，为确保良好装配条件，5个孔公差均为IT9级，表面不许可有严重划伤。该制件弯曲半径均大于其材料最小弯曲半径，且制件精度要求不高，不需要校形。全部孔能够用高精度冲模冲出。所以，该制件能够用冲压加工成形。(2)确定工艺方案冲压该制件所需基础工序为冲孔、落料及弯曲。其弯曲工艺方案有图6.19所表示3种。所以，冲压该制件工艺方案可能有以下多个。图6.19 芯轴托架弯曲工艺方案方案1 落料和冲10mm孔复合(图6.20(a)所表示)，弯曲外部两角并使中间两角预弯45(图6.20(b)所表示)，弯曲中间两角(图6.20(c)所表示)，冲四个5mm孔(图6.20(d)所表示)。图6.20 芯轴托架工艺方案1及模具结构形式方案2 落料和冲10mm孔复合(同方案1)，弯曲外部两角(图6.21(a)所表示)，压弯中间两角(图6.21(b)所表示)，冲4个5mm孔(同方案1)。方案3 落料和冲10mm孔复合(同方案1)，压弯4个角(图6.22)，冲4个5mm孔(同方案1)。方案4 全部工序采取带料级进冲压，图6.23所表示排样图表示了它冲压过程。图6.21 芯轴托架工艺方案2及模具结构形式图6.22 芯轴托架工艺方案3及模具结构形式图6.23 芯轴托架工艺方案4(级进冲压排样图)比较上述各方案能够看出：方案1优点是：模具结构简单，寿命长，制造周期短，投产快；制件回弹轻易控制，尺寸和形状正确，表面质量高；除工序1外，各工序全部能用10mm孔和一个侧面定位，定位基准一致且和设计基准重合，操作也比较方便。缺点是：工序分散，需用模具、压力机和操作人员较多，劳动量较大。方案2和方案1相比，制件回弹难以控制，尺寸和形状不正确，且一样存在工序分散、劳动量较大、占用设备多缺点。方案3工序比较集中，占用设备和人员少，但模具寿命低，制件表面有划伤，厚度有变薄，回弹不易控制，尺寸和形状不够正确。方案4特点是采取工序高度集中级进模完成方案1分散各个工序。其生产效率很高，但模具结构复杂，安装、调试、维修比较困难，制造周期长。考虑到制件精度要求较高、生产批量不大，故采取第1种方案。该方案排样图及第1次弯曲工序件图6.24所表示。图6.24 芯轴托架排样图(a)及第1次弯曲工序件图(b)(3)确定各工序模具种类及形式冲压工艺方案确定后，各工序模具种类也就自然确定。芯轴托架选择冲模有：冲孔落料复合模、第1次弯曲模、第2次弯曲模、冲孔模，各模具结构形式图6.20所表示。(4)确定冲压设备同例6.1。(5)填写冲压工艺过程卡片托架冲压工艺过程见表6.2，冲压工艺过程卡片格式参见附录A。表6.2 芯轴托架冲压工艺过程卡序号工序工序(步)内容及要求工 装设 备备 注1辅将18009001.0板料裁成长料，表面无严重锈蚀及划伤，条料宽度平行于板料轧制方向，尺寸达工艺说明要求2冲冲孔落料复合许可冲件毛刺0.12，形状尺寸达工艺说明要求冲孔落料复合模250kN3冲第1次弯曲无弯裂，形状尺寸达工艺说明要求第1次弯曲模160kN4冲第2次弯曲无弯裂、擦伤，形状尺寸达工艺说明要求第2次弯曲模160kN5冲冲4-5+0.03孔各孔冲裁毛刺0.12，形状尺寸达产品图要求冲孔模160kN注：1. 排样图及第1次弯曲工序件图6.24所表示。2. 各工序之间应安排工序检验，计数抽样按GB 2828标准。