冲压工艺与冲压模设计.doc

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度
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的总和。加工工序不但包括冲压件所用到的冲压加工基本工序, 而且包括基本工序之前的准备工序、 基本工序之间的辅助工序和基本工序之后的后续工序。工艺过程设计的任务就是根据生产条件, 对这些工序的先后次序做出合理安排(协调组合), 其基本要求是技术上可行、 经济上合算, 还要考虑操作方便与安全。冲压工艺过程的优劣, 决定了冲压件的质量和成本, 因此, 冲压工艺过程设计是一项十分重要的工作。
6.1 冲压工艺过程设计步骤
冲压工艺过程设计涉及的内容很多很广, 因此应分步进行, 其步骤现已大致形成规律, 可依据程序进行。一般步骤如下。
1. 熟悉原始资料
在接到冲压件设计任务之后, 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) 原材料的牌号、 尺寸规格、 冲压性能;
(3) 生产纲领或生产批量;
(4) 可提供的冲压设备种类、 型号、 规格、 技术参数及使用说明;
(5) 可提供的模具制造能力与技术水平;
(6) 相关技术标准和资料。
2. 冲压件的工艺性分析
按上述原始资料对冲压件的结构形状、 尺寸、 精度要求、 材料性能等进行分析。判断该冲压件用冲压工艺成形能不能达到规定的技术要求, 需要哪几种性质的工序和工步, 各道中间工序件/半成品的形状和尺寸由哪道工序完成, 然后按前几章分别阐述的冲压工艺性要求逐个分析, 裁定该冲压件加工难易程度, 裁定是否需要采取特殊工艺措施。由于生产条件(工艺装备及生产的传统习惯)不同, 工艺性的涵义也会有一些差异。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的前提下提出修改意见, 经与产品设计人员协商同意后对冲压件图样作出适合工艺性的修改。
3. 确定最佳工艺方案
经过工艺性分析, 结合工艺计算, 并经分析比较确定最佳方案, 这是冲压工艺过程设计中十分重要的环节。其内容包括工艺性质、 工序数目、 工序顺序、 工序件/半成品件的形状尺寸以及其它辅助工序的安排, 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, 其内容主要包括:
(1) 排样及计算材料消耗定额;
(2) 计算冲压所需的力、 所消耗的功;
(3) 计算凸、 凹模工作部分尺寸。
5. 选择模具类型及结构形式
根据确定的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、 操作方便与安全等要求, 选定冲模类型及结构形式。一般而言, 用复合模冲出的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的冲压件时, 要经过多次定位和变形, 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。因此, 厚料、 低精度、 小批量、 大尺寸的冲压件宜单工序生产, 用简单模; 薄料、 小尺寸、 大批量的产品宜用级进模连续生产; 而形位精度高的产品, 可用复合模加工相关尺寸。详细内容见第7章。
6. 选择冲压设备
根据工艺计算结果和模具空间尺寸的估算值, 结合可提供的冲压设备情况, 合理确定设备类型和标称压力。
7. 编写工艺过程卡
冲压工艺过程设计的归宿是编制出冲压工艺过程卡, 它是针对具体冲压产品, 对其生产方式、 方法、 数量、 质量等作出的全部决定和记载, 其内容主要包括工序名称、 工序内容、 工序说明(工序件/半成品形状和尺寸)、 模具类型、 选用设备、 检验要求等(参见表6.1、 表6.2)。
应该说明的是, 上述各项内容难免互相联系、 互相制约, 因而各设计步骤应前后兼顾和呼应, 有时要互相穿插进行。
6.2 冲压工艺方案的确定
在分析冲压件加工工艺性的基础上, 提出各种可能的冲压工艺方案, 经过综合分析、 比较, 最后确定适合生产条件的最佳方案, 其内容主要包括工序性质、 工序数目、 工序顺序以及其它辅助工艺(热处理等)的安排。
6.2.1 工序性质的确定
工序性质是由冲压件的结构形状、 尺寸精度、 弱区的变形性质所决定。一般冲压件的加工过程由表1.1、 表1.2中所列的各基本工序中的一个或几个组成, 即可完成冲压成形。
简单冲压件的形状能很直观地反映出冲压加工的工序性质类别, 如图6.1所示弯曲件, 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映出来, 其弱区和强区是相正确, 必须经过计算和比较才能确定, 如图1.13所示”环形坯料的变形趋向”, 改变坯料各部分的相对尺寸、 改变模具工作部分的几何形状和尺寸, 甚至改变坯料和模具之间的摩擦阻力, 都会使坯料某部分由弱区转化为强区, 或由强区转化为弱区, 从而改变冲压工序的性质。为了使每道工序都能顺利完成任务, 必须使该道工序中应该变形的部分处于弱区, 并保证需要变形的先变形, 不需要变形的部分不变形, 为此, 应采取措施对冲压变形加以控制(详见1.4.4节)。
为了改进弱区的变形条件, 有时要增加一些附加工序。如图6.2所示的轴承盖零件, 其拉深系数为0.43, 已超过极限拉深系数, 不能一次拉深成形, 该件的一种工艺方案为落料——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, 则在拉深时凸缘依然是弱区, 但底部也能够产生一定的变形量, 拉深时11mm孔扩大, 底部的部分材料转向侧壁, 从而使成形高度得到增加, 而坯料直径则可适当减小, 因此可一次拉深成形, 此时该件的工艺方案变为冲孔(11)落料复合——拉深——冲孔(23)。显然, 后一方案更好。另外, 冲裁件如果平面度要求较高, 应增加校平工序; 弯曲件弯曲半径太小时, 应增加整形工序, 使之达到要求; 各类空心件若采用拉深工序, 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 工序数目的确定
冲压件基本工序确定后, 工序数目主要根据材料的极限变形参数(如拉深系数、 翻边系数、 缩口系数、 胀形系数等)来确定, 另外, 下列因素也对工序数目的确定产生影响。
1. 冲压件的形状、 尺寸要求的影响
对于复杂的冲裁件, 由于受模具结构或强度限制, 常常将其内外轮廓分成几个部分, 用几道冲压工序或在级进模中分几个工步进行冲裁。非常靠近的孔, 不能同时冲出, 也要分步冲裁。弯曲件的工序数目决定于弯角的多少、 相对位置和弯曲方向。
2. 工序合并情况的影响
对于多工序的冲压件, 应尽可能把冲压基本工序合并起来, 采用复合工序或级进工序, 以提高生产效率。料薄、 尺寸小的冲压件, 宜经过工序合并, 用级进工序进行冲压; 形位精度高的冲压件, 宜经过工序合并, 用复合工序加工相关尺寸, 反之宜采用单工序分散冲压。工序合并与否, 还需考虑冲压设备能力、 模具制造能力、 模具造价及使用的可靠性。
3. 冲压件的尺寸精度及形位公差要求
如图6.3所示的某锁圈, 因为内孔是配合尺寸, 有精度要求, 因此其工艺方案为落料——成形——冲孔。如果其内孔22没有精度要求, 则其工艺方案能够是落料冲孔复合——成形。这样工序少、 效率高。

图6.3 有精度要求的锁圈
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。
拉深件的口部、 翻边件的边缘等都难以直接做到规则而平齐, 因而一般情况下, 拉深件、 翻边件等最后都有一道修边工序。若对周边口部没有较高要求时, 修边工序可省略。
4. 坯料类型的影响
如图5.24所示, 该制件如用板料加工, 从落料到最后冲孔共需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, 这种替代只有对细长的管类制件才有效。
5. 操作安全与方便方面的要求
工人操作是否安全、 方便也是在确定工艺方案时要考虑的一个十分重要的问题。
例如, 对于一些形状复杂、 需要进行多道工序冲压的小型件, 如果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, 多次进出危险区域, 很不安全。还可能出现定位困难。为此, 有时即使批量不大, 也采用比较安全的级进模进行冲压。图6.4和图6.5所示即为一实例。

图6.4 形状复杂的小冲压件

图6.5 形状复杂的小冲压件在级进模上连续冲压的排样
1—冲废Ⅰ; 2—冲废Ⅱ; 3—切边、 冲工艺孔; 4—压包; 5—压弯Ⅰ; 6—压弯Ⅱ; 7—切断
图6.6所示制件, 第1道工序拉深出的是以后冲侧孔和翻边两道工序的定位尺寸, 为了防止工序件转动, 还需增加周向定位, 因此, 冲裁两个5.5工艺孔。

图6.6 增加定位工艺孔的制件
又如图6.7(a)所示冲裁件, 3个槽与3个小孔之间有相对位置要求。图6.7(b)、 (c)所示为用单工序模进行冲裁的两种工艺方案。工艺方案1先冲出带槽的型孔, 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, 这样定位简单可靠, 操作方便安全, 效率高。

图6.7 冲裁工艺方案的比较
6.2.3 工序顺序的安排
各冲压工序的先后顺序, 主要根据冲压件的形状、 工序性质、 材料的变形规律及冲压件的精度和定位要求来安排。安排的一般原则为:
(1) 所有的孔, 只要其形状和尺寸不受后续工序的变形影响, 都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, 先冲的孔还能够作为后续工序的定位孔。
(2) 对于带孔(缺)的平板冲裁件, 如果采用单工序模, 一般先落料再冲孔(缺); 若选用级进工序, 则先冲孔(缺)后落料。
(3) 对于带孔的弯曲件, 应参照弯曲件的工艺性分析安排冲孔工序, 当孔径与变形区或孔与基准面有较高要求时, 应先弯曲后冲孔。除此之外, 一般情况下都应先冲孔后压弯。
(4) 对于带孔(缺)的拉深件, 一般先拉深后冲孔(缺)。对于带底孔的拉深件, 当孔径要求不高时, 可先冲孔后拉深。即使孔径要求较高(如图6.3所示), 为使确定的工序顺序有利于发挥材料的塑性, 以减少工序数量, 也可采取先冲孔后拉深, 最后修边达到要求。
(5) 对于多角弯曲件, 应从材料变形区的相互影响和弯曲时坯料偏移走向两方面安排先后弯曲的顺序。一般先弯外角后弯内角。
(6) 对于复杂旋转体拉深件, 一般按由大到小顺序进行拉深(先拉出大尺寸的外形, 后拉深小尺寸的圆筒)。对于非旋转体复杂形状的拉深件, 为便于材料的变形流动, 应先成形内部形状再拉深外部形状。
(7) 附加的整形工序、 校平工序, 应安排在基本成形之后。热处理及酸洗工序, 一般安排在多次拉深工序中间或压弯工序之前。
6.2.4 工序件/半成品形状与尺寸
工序件/半成品是坯料和成品制件之间的过渡件。每个工序件/半成品都可分为两个组成部分: 已成形部分——形状和尺寸与成品制件相同; 待成形部分——形状和尺寸与成品制件不同(是过渡性的)。这些过渡性的尺寸和形状, 虽然在冲压加工完成后会完全消失, 但对每道工序的成形及整个冲压件的质量却有重要的影响。因此, 工序件/半成品形状尺寸的确定是冲压工艺方案确定的重点内容之一。
图6.8所示为气阀罩的冲压工艺过程。第2次拉深工序之后, 形成了直径为16.5的圆筒形部分, 这部分形状和尺寸在以后的加工过程中不再发生变化。在确定工序件/半成品尺寸时, 必须使被这部分隔开的两端的材料面积正好等于以后各道工序里形成制件相应部分的面积。为了使第3次拉深(反拉深成为可能), 将第2道工序得到的工序件/半成品底部做成球面, 以储存较多的材料。显然如果第2道工序得到的工序件/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) 落料与首次拉深复合; (b) 第2次拉深; (c) 胀形与整形;
(d) 冲孔与切边复合; (e) 外缘及内孔翻边; (f) 折边
6.3 冲压工艺过程设计实例
下面经过两个实例进一步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规定判断, 能够经过普通冲压加工方法获得, 而R0.5, R1, R2.5以及平面度要求均需经过整形工序方能达到。
(2) 工序性质确定
对于SR9凸包, 由于坯料直径与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。经过简单的工艺试验验证, 该凸包可经过一次局部胀形获得, 且对坯料外圆尺寸影响很小。因此, 各大直径部分的拉深能够看作是不带凸包部分的有凸缘阶梯筒形件的拉深(如图6.10所示, 为了计算及表述方便, 图中尺寸已全部转化为材料的中线尺寸), 只要将制件的形状成形好, 其它工序就比较容易了。
由此可判定该制件所需的基本冲压工序为局部胀形、 拉深、 冲孔(包)、 切边。
(3) 工序数目、 工序顺序的确定
依据图6.10, 按4.6节中的有关公式, 参照相关设计手册, 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 /D＝1/95＝1.056%。
按4.7.2小节中介绍, 若该阶梯筒形件采用由大台阶至小台阶的拉深方法, 两个台阶直径之比为36.4/51.1≈0.712, 显然小于表4.2中规定的极限拉深系数(0.75~0.76), 故由大台阶拉至小台阶不能一次拉出, 需2次拉成。
若采用先拉小台阶再拉大台阶的拉深方法, 拉深小台阶时的拉深系数为36.4/95＝0.383, 且经过工艺计算, 第1次拉成小台阶部分后[高度为22－15＝7(mm)], 中间坯料直径dt[1]≈91mm(按拉入凹模材料比制件最后对应的实际表面积多3%~5%计算, 过程略), 于是dt[1]/d[1]＝91/36.4＝2.5, 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, 由于小台阶已成形, 且处于大台阶筒形件底部, 因此, 大台阶拉深可视为由直径D＝91圆坯料, 拉成凸缘直径76、 筒体直径51.1的有凸缘拉深, 于是dt /d＝76/51.1≈1.487, 拉深系数m[1]＝d /D＝51.1/91≈0.56, 此值大于表4.16中所列有凸缘件首次拉深的极限拉深系数0.49。说明该台阶可一次拉深成形。
采取上述2种拉深方法, 经过拉深所得到的拉深件工序件/半成品形状尺寸如图6.11所示。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都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的材料过度变薄。这类中间尺寸确定的依据是保证各部位金属材料表面积等于或略大于(大3%~5%)制件图中各相应部位的实际面积(计算尽量精确), 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的深度来实现的。

图6.10 前端盖的拉深件形状尺寸
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孔对整形获得R0.5, R1圆角时材料的变形流动有利——底部材料的转移(孔径扩大)而使各圆角得到减小, 考虑整形对孔的影响, 此时冲孔凸模设计成4.8左右, 并将冲孔与整形复合起来(先冲孔再整形)一次成形。当然, 这样得到的孔径精度不高, 若孔径尺寸精度要求较高时, 则不宜采用此安排。
其它各孔(包)由于孔(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)的相对位置要求较高, 且最小孔边距大于表2.16中规定, 故冲孔(包)工序能够和切边工序复合起来。
(4) 工艺方案确定
综上所述, 该制件有两种冲压工艺方案, 其工序图分别如图6.12和图6.13所示。

图6.12 由大台阶到小台阶拉深的工艺方案
(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的工艺方案
(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, 且所获得的制件表面质量也较高(参见4.7.1小节中论述)。
(5) 确定各工序模具种类和型式
冲压工艺方案确定后, 各工序的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。
有代表性的各模具结构形式如图6.14、 图6.15、 图6.16所示。其中图6.16中的刚性限位块的作用即为传递整形力。在试模调整时应注意压力机的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
根据前面各章所述的有关计算冲压力的公式和方法, 分别确定各工序所需的总压力, 然后根据可提供的冲压设备情况确定各工序所用冲压设备的类型及规格(计算过程从略)。
(7) 编写冲压工艺过程卡片
汽车空调器前端盖的冲压工艺过程见表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1800×900×1.0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
压包部分不允许破裂, 允许冲件毛刺≤0.08, 形状尺寸达工艺说明要求
落料胀形复
合模
250kN

3
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
350kN

4
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
350kN

5
冲
冲孔整形复合
各被整形圆角R0.5, R1, R2.5, R3达要求, 且无明显变薄, 形状尺寸达工艺说明要求
冲孔整形复
合模
250kN

6
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所示芯轴托架的冲压工艺方案。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孔与机身连接, 为保证良好的装配条件, 5个孔的公差均为IT9级, 表面不允许有严重划伤。该制件的弯曲半径均大于其材料的最小弯曲半径, 且制件精度要求不高, 不需要校形。所有的孔能够用高精度冲模冲出。因此, 该制件能够用冲压加工成形。
(2) 确定工艺方案
冲压该制件所需的基本工序为冲孔、 落料及弯曲。其弯曲工艺方案有图6.19所示的3种。因此, 冲压该制件的工艺方案可能有以下几种。

图6.19 芯轴托架弯曲工艺方案
方案1 落料与冲10mm孔复合(如图6.20(a)所示), 弯曲外部两角并使中间两角预弯45°(如图6.20(b)所示), 弯曲中间两角(如图6.20(c)所示), 冲四个5mm孔(如图6.20(d)所示)。

图6.20 芯轴托架工艺方案1及模具结构形式
方案2 落料与冲10mm孔复合(同方案1), 弯曲外部两角(如图6.21(a)所示), 压弯中间两角(如图6.21(b)所示), 冲4个5mm孔(同方案1)。
方案3 落料与冲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 全部工序采用带料级进冲压, 图6.23所示的排样图表示了它的冲压过程。

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的优点是: 模具结构简单, 寿命长, 制造周期短, 投产快; 制件的回弹容易控制, 尺寸和形状准确, 表面质量高; 除工序1外, 各工序都能用10mm孔和一个侧面定位, 定位基准一致且与设计基准重合, 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, 制件的回弹难以控制, 尺寸和形状不精确, 且同样存在工序分散、 劳动量较大、 占用设备多的缺点。
方案3的工序比较集中, 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, 尺寸和形状不够精确。
方案4的特点是采用工序高度集中的级进模完成方案1分散的各个工序。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。
考虑到制件的精度要求较高、 生产批量不大, 故采用第1种方案。该方案的排样图及第1次弯曲工序件如图6.24所示。

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, 各工序的模具种类也就自然确定。芯轴托架选用的冲模有: 冲孔落料复合模、 第1次弯曲模、 第2次弯曲模、 冲孔模, 各模具结构形式如图6.20所示。
(4) 确定冲压设备
同例6.1。
(5) 填写冲压工艺过程卡片
托架的冲压工艺过程见表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1800×900×1.0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
允许冲件毛刺≤0.12, 形状尺寸达工艺说明要求
冲孔落料复合模
250kN

3
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
160kN

4
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
160kN

5
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次弯曲工序件如图6.24所示。
2. 各工序之间应安排工序检验, 计数抽样按GB 2828— 标准。