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现代冲裁工艺及其特点.0715

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现代冲裁工艺及其特点

在现代工业化生产中，利用压力加工设备和专用工装(模具)，使工件与基体金属（板材）分离的加工工艺统称为冲裁工艺。而冲裁工艺大致可分为三类，即：普通冲裁（简称为普冲）、高速冲裁和精密冲裁(简称为精冲)。以下就三种冲裁工艺及特点分述于后。
一、普通冲裁
仅就“分离"而言,普通冲裁包含冲裁和剪切两种工艺方法，而本文所述的“普冲"只对冲裁工艺方法进行描述。
在三种冲裁工艺中,普冲是始祖,至今仍被广泛应用于工业化大生产中。当代工业制成品中的冲压件的百分之九十以上，是用普冲工艺生产的。普冲工艺用途极广，它既可以直接制成平面(板状)零件，又可以为弯曲、拉深、体积成形等冲压工序作毛坯准备.
1、 变形过程
如图1-1所示是冲裁变形过程示意图.完成冲裁加工的专用工装称为冲模，而冲模的主要工作部件是凸模和凹模，二者之间有单面间隙C(双面间隙则为2C)，被冲裁材料置于凹模之上，在外力的作用下，凸模压入材料并不断下降，使材料发生变形。其变形过程大致经历了弹性变形阶段、塑性变形阶段、断裂阶段.

图1—1 冲裁变形过程
第一阶段 弹性变形
作用在材料上的荷载较小，且小于材料的流动极限，此时，若取消外力,材料可以恢复原来的状态.处于此阶段的材料，在凹模轮廓范围以内，有被挤入“洞口”的趋势，且呈锅底状弯曲；而凹模轮廓范围以外，则呈直边翘曲；凸、凹模的间隙越大，材料在变形过程中的弯曲和翘曲的趋势则越严重。
第二阶段 塑性变形
当施加在材料上的荷载超过材料的流动极限（屈服点)时，材料进入塑性变形阶段,在此阶段,材料的加工硬化与塑性变形同时存在.此时,材料与凸模接触的面积由初始的(凸模）挤压轮廓线向挤压轮廓环（带）转变，随着作用在材料上的荷载的继续增加，挤压轮廓环宽也不断增加.同时，材料则沿凸模运动方向，在凸、凹模刃口（侧面）区域主要发生塑性剪切，但由于凸、凹模之间存在着间隙，在此变形过程中材料纤维组织还存在着弯曲和拉伸变形,凸、凹模间隙越大，弯曲和拉伸变形的趋势越严重.随着塑性变形程度的增加，变形区材料的加工硬化亦不断增加，施加于材料上的荷载也相应增加，塑性剪切面积则逐渐减少.当施加于塑性剪切面上的荷载等于材料的剪切强度时,在材料剪切面区域便出现微裂纹，当作用于材料上的外力达到最大值时，塑性变形阶段便终止了.
第三阶段 断裂
塑性变形阶段结束后，凸、凹模在外力作用下继续相向运动，凸模压入材料的深度和材料进入凹模的厚度不断增加,剪切面积不断减少，材料在凸、凹模刃口侧面处产生的微裂纹沿最大切应力方向,向材料深层不断扩展，当上、下裂纹相互重合时，处于凸模下的材料和基体材料便发生分离，即断裂实现了。
2、 剪切区受力状态
冲裁时,材料被置于凸、凹模之间，凸、凹模在冲裁设备的作用下施力于材料并使之变形,直到工件和材料完全分离。其冲裁过程是典型的剪切变形过程。
图1-2 模具刃口处作用于材料上的力

如图1-2所示：冲裁时，材料受到以下外力的作用：在模具刃口(轮廓)处受到凸模和凹模端面的正压力P、P作用，受到凸模、凹模轮廓水平侧压力F、F作用，受到凸、凹模端面(水平）摩擦力uP、uP作用，还受到凸、凹模侧面（垂直）摩擦力uF、uF作用；除此之外，由于（1）凸、凹模有间隙C，（2）材料在发生断裂前其厚度虽有改变，但厚度始终存在。在凸、凹模端面正压力作用下，有使材料发生锅底状弯曲的弯矩M存在；同时在摩擦力的作用下，有使材料产生校平趋势的抗弯矩M存在。
诸外力（包括弯矩)同时作用的结果是:模具（凸、凹模端面如图1-2所示）与材料在挤压轮廓环范围内、外，始终保持接触，而模具（凸、凹模)作用于材料上的（垂直)压应力呈不均匀分布，越靠近模具刃口，压应力越大。
材料在冲裁时的剪切变形区是以凸、凹模刃口连线为中心的区域，如图1-3中阴影区域所示:

图1—3 剪切变形区

在此区域，材料的应力和应变状态接近于纯剪切。但在大多数情况下，材料的变形除了剪切外，还有弯曲、拉伸变形存在，所以材料在剪切区的应力状态是十分复杂的。而仅仅在图1—3中的a点的应力状态才如图1—4所示（点受到三向压应力作用）：

图1—4 a点的应力状态

纯剪切时的应力状态应满足:│σ│=│σ│即：仅当两主应力的绝对值相等时，材料才会进入或处在纯剪切应力状态。完全满足此条件的应力状态在普冲时，是很难实现的。因此，在冲裁的整个过程中材料的变形都始终存在着其它形式,如：弯曲和拉伸.

普通冲裁零件的剪切(冲裁)断面具备以下特征，即：塌（圆）角、光亮带、断（撕)裂带、毛刺。如图1—5剪切（冲裁）断面特征图 所示：

图1-5 剪切（冲裁)断面特征图

3、 模具结构
如图1—6 冲裁模结构简图所示

图1—6 冲裁模结构简图

冲裁模主要由两部份组成，即：模架，包括上、下模座、导柱导套、模柄等;模具工作部件，包括凸模、凹模、垫板、卸料板、定位销等。
冲裁件的尺寸精度通常为IT10~13。在冲压设备选定后，零件的实际精度主要取决于冲裁模的设计和制造精度，而冲模的精度又取决于模具的导向精度、模具部件的的制造精度和凸、凹模的实际间隙.
模具间隙与被冲裁板料厚度(t)关系直接，同时与被冲裁板料的材质、硬度、和普通冲裁件使用场合（或行业）亦有关联.凸、凹模的双面间隙（即:2C）与材料厚度的关系，通常情况在（4～14）％t范围内选取。一般规律是：零件精度越高,模具间隙越小；材料越软，模具间隙越小。
4、 常用设备
用于普通冲裁的设备主要是：机械压力机和液压机,而最常见的则是普通冲床。这类设备的显著特点是:
（1)压力机滑块的运行速度（或者说工作频率）较低，每分钟运行次数不大于200次,而最常见的则在100次/min，以下；
（2)设备的荷载能力自小至大全覆盖，冲裁板料的厚度范围基本上无局限（即:薄、中、厚板均可加工）；
（3）设备结构简单,便于使用和维护；
（4)设备购置和使用成本低廉;
（5）对小荷载的冲裁加工,通常采用人工手工送料来完成普通冲裁;
（6）多使用单工位模.
二、高速冲裁
伴随着近代大规模集成电路为代表的微电子产业、计算机等现代办公通讯设备制造业及微电机行业的兴起，为了满足高速、连续、自动冲压生产的需要，高速冲裁工艺在20世纪后期得到了快速发展。
高速冲裁，使用的设备是高速精密机械压力机，亦称高速冲床。高速冲裁时,材料的变形过程和剪切区的受力状态与普通冲裁相似.具以下特点：
（1)压力机的冲裁速度很高，其滑块的运行速度在200次/min以上，目前已知的最快运行速度已达到3000次/min；
（2)材料在冲裁过程中加工硬化明显，因此变形抗力显著增加;
（3)目前设备的荷载能力在4000KN以下，冲裁板厚多局限于3mm以下（即：薄板）或者硬度较低的材料；
（4）设备的刚性和精度大幅提高；
（5）采用高精度送料装置；
（6）成套装备购置和使用成本较贵；
（7）模具均为多工位级进模；
（8）模具凸、凹模间隙选择合适、被冲裁材料厚度较薄时，可以获得全光亮剪切断面的冲裁件;
（9)可以实现自动化生产,产品质量稳定，生产效率高;
(10特别特别适合使用材料厚度较薄、品种单一、批量大的产品的生产，例如电机制造行业的硅钢片的生产。
三、精密冲裁
精密冲裁简称为精冲，通常包含：厚板强力压板精冲、厚板对向凹模精冲和厚板平面压边精冲。精冲是一种典型的无切屑精密成型加工方法。与普通冲压加工相比，由于其冲裁件可形成100%的光亮带表面。因此，精冲工艺加工非(轴)对称和异型轮廓(如平面凸轮、棘轮、链轮、链条、齿条、齿轮等）零件时，具有加工尺寸精度高、平整度（平面度）好、表面光洁度高、提高零件的机械性能（如表面硬度)和加工效率等优点;不仅如此，精冲工艺还可以改变或替代一些传统的加工工艺方法，如替代线切割、电火花、铣、插（床)、铸造、粉末冶金加工等。用于强力压板精冲的唯一专用设备称为精冲机。精冲机除了实现精冲功能外，还必须配置有自动送料机构和自动保护系统，以保证精冲机快速、有效地实现精冲过程。
厚板精冲技术的出现始于20世纪20年代。精冲技术伴随着汽车工业的快速发展，在机械、电子、汽车和军事工业得到广泛的应用。现今，精冲件的品种、尺寸形状、材料厚度和力学性能等都有了很大的提高.迄今,全世界大约有45个国家采用精冲技术，生产的精冲零件约10000种，精冲机拥有量约4000台左右。为了满足我国现代工业企业特别是汽车行业，生产均衡性、质量可靠性和加工经济性的要求,厚板精冲应用技术（包括精冲机的设计及制造技术、精冲工艺设计和精冲模具设计及制造技术、精冲零件的生产应用技术等）近年来在我国得到了快速发展。
以厚板强力压板精冲为例进行分析：
1、 变形过程
如图3—1—1至3—1—5所示，是厚板精冲工艺示意图，分别表述的是：精冲机滑块起始位置、精冲模闭合、精冲结束、工件和废料顶出、送料及进入下一个工作循环。

图3—1-1 精冲机滑块起始位置

图3-1-2 精冲模闭合 图3—1—3 精冲结束

图3-1—4 工件和废料顶出 图3-1—5 送料进入下一个工作循环

与普冲和高速冲裁不同，精冲时，材料在剪切区的变形自始至终都是塑性变形.如图3-2—1及3—2—2所示。

图3—2-1 材料在精冲时的初始状态

图3-2—2 凸模压入材料（材料进入凹模）的状态
图中A点是精冲材料与凸模刃口(是凸模刃口轮廓线上无数个点的代表)的接触点，C点是精冲材料与凹模刃口（是凹模刃口轮廓线上无数个点的代表）的接触点；同样B、D两点分别是精冲材料与反压板和齿圈压板的接触点。ABCD形成的矩形区域是精冲时精冲材料的塑性变形区，Ⅰ区是塑性变形传导区,Ⅱ区则是弹性变形区。
如图3-2-1所示：精冲伊始,精冲材料被凸模、凹模、齿圈压板和反压板牢牢地限制在齿圈轮廓线内，在此范围内的材料承受静水压力（三向压应力）作用,而有利于提高材料的塑性。此时A、C两点连线的数值最大。随着凸模逐渐压入精冲材料（或者说材料进入凹模)，ABCD矩形塑性变形区便演变成一个平行四边形的塑性变形区（如图3—2—2所示）,A点以下、C点以上的区域已完成了塑性变形.在此变形过程中，塑性变形区的材料同时转移到区域以外的已变形区。而A、C两点的连线则逐渐变短，塑性变形将在连线变短了的区域内继续进行，材料转移现象则持续发生，当连线长度变成零时，塑性变形区的材料转移全部完成，精冲过程便结束了。
2、 变形区的受力状态
如上所述，精冲时，精冲（件）材料被精冲模具的工作部件（凸模、凹模、齿圈压板、反压板等）限制在齿圈轮廓线内，在整个塑性变形区（图3-2-1中ABCD矩形区域内）作用于材料上的应力状态均为压应力(普冲时这仅是一个特定点的应力状态，除此之外的所有区域的应力状态是压应力和拉应力均存在），当然还存在着剪应力.如图3-3所示：

图3—3 塑性变形区域材料的应力状态
3、模具结构
图3-1-1所示是精冲模（除了精冲模架外的）工作部位的主要构件。与普冲模相比，除了模架要求精度高、刚性好外,为了在精冲时使变形区的材料能建立起三向压应力状态，所以特别增加了类似于齿圈压板和反压板的特殊构件.精冲模凸、凹模的(双面）间隙通常按材料厚度的0～1％选取。
4、常用设备
用于厚板精冲件生产的专用设备称为精冲机，至今有机械式全自动和全自动液压两种精冲机被广泛应用于工业化生产中。前者荷载能力一般小于2500KN,后者的荷载能力通常大于1600KN。2000年以前，我国企业拥有的精冲机，几乎全部是进口产品。那时，精冲机的购置和使用维修成本都很高。因此有企业便采用通用压力机加装精冲液压辅助系统，以代替价格昂贵的进口精冲机，生产精冲零件.近十年来，武汉华夏精冲技术有限公司和黄石锻压设备有限公司，在全自动液压精冲机的设计和制造方面卓有成效,其产品性能与进口精冲机相当,而价格则大大低于进口产品。目前，这两家公司已经成为我国精冲机产品的主流供应商.随着性能稳定、价格合理、服务周到的国产精冲机和厚板精冲技术的日益普及，厚板精冲技术在我国大工业中一定会得到广泛应用。
三种冲裁工艺方法特点的比较附于表1中。

表1 三种冲裁工艺方法特点对照表
技术特征
普冲
高速
精冲
1、材料分离形式
剪切（伴随有弯曲和拉伸）变形
剪切变形
剪切变形
2、应力状态
压应力和拉应力共存
压应力和拉应力共存
三向压应力和剪切应力共存
3、加工材料厚度
薄、中、厚不局限
薄板≤3 mm
中、厚板≤20 mm
4、冲压材料
无要求
冷轧板/表面光洁
塑性好（球化处理）
5、设备

使用设备
通用压力机
高速冲床
精冲机
冲裁效率
≤200次/min
200~3000次/min
≤200次/min
送料方式
手工+自动
全自动
全自动
设备成本
低
高
最高
6、工件品质

尺寸精度
IT10~13
IT7～10
IT 7～10
冲裁面粗糙度Ra(μm)
＞6。3
＜6。3

0。8~4.0
形位误差

平面度
大（0.05mm/10mm）
大(0.05mm/10mm）
小（0.02mm/10mm）
不垂直度
大（0。05mm/1mm）
小 (单面0。0025mm/1mm）
小 （单面0.0025mm/1mm）
塌角
（20~35）%t
＜10%t
（10~25)%t
毛剌
双向,大
单向,较小
单向，小
7、模具

间隙
双边（5~10）%t
双边（1～5）%t
双边(0－1%）t
刃口
锋利
锋利
倒角
8、润滑
一般
一般
特殊
9、成本
低

高(回报周期短)

作者:孙昌清 孙恒

二0一0年七月九日 于深圳