第1章沖壓模具設計基礎1.1沖壓加工特點及基本工序1.2板料塑性變形及其基本規律1.3沖壓所用材料1.4

沖壓常用設備 1.1沖壓加工特點及基本工序

沖壓是機械制造中先進的加工方法之一,它利用壓力機通過模具對板料加壓,使其產生塑性變形或者分離,從而獲得一定形狀、尺寸和性能的零件。沖壓主要用于加工板料零件,所以也叫板料沖壓。沖壓加工的應用范圍十分廣泛,在電子工業產品的生產中,已成為不可缺少的主要加工方法之一,據概略統計,在電子產品中,沖壓件(包括板金件)的數量約占零件總數的85%以上。此外,沖壓加工在汽車、拖拉機、電機、儀器儀表等機械工業和國防工業以及日常生活用品的生產方面,也占據著十分重要的地位。1.1.1沖壓加工的特點

沖壓與其它加工方法相比,無論在技術方面還是經濟方面,都有許多獨特的優點:

(1)在壓力機的簡單沖擊下,能獲得壁薄、重量輕、剛性好、形狀復雜的零件,這些零件用其它方法難以加工甚至無法加工;

(2)所加工的零件精度較高、尺寸穩定,具有良好的互換性;

(3)沖壓加工是無屑加工,材料利用率高;

(4)生產率高,生產過程容易實現機械化、自動化;

(5)操作簡單,便于組織生產。1.1.2沖壓加工基本工序

沖壓加工的零件,種類繁多,對零件形狀、尺寸、精度的要求各有不同,其沖壓加工方法也是多種多樣的。但概括起來,可以分為分離工序和成形工序兩大類。

1.分離工序

分離工序是將沖壓件或毛料沿一定輪廓相互分離,其特點是板料在沖壓力作用下使板料發生剪切而分離。

2.成形工序

成形工序是在不造成破壞的條件下使板料產生塑性變形,形成所需形狀及尺寸的零件,其特點是板料在沖壓力作用下,變形區應力滿足屈服條件,因而板料只發生塑性變形而不破裂。1.2板料塑性變形及其基本規律

1.2.1應力-應變曲線

圖1－1是低碳鋼拉伸試驗下的條件應力—應變曲線。從圖中看出,材料在應力達到初始屈服極限σ0時開始塑性變形,此時,應力不太增加的情況下能產生較大的變形,圖上出現一個平臺,這一現象稱為屈服。經過一段屈服平臺后,應力就開始隨著應變的增大而上升(如圖中cGb曲線)。如果在變形中途(如圖中G處)卸載,應力應變將沿GH直線返回,使彈性變形(HJ)回復而保留其塑性變形(oH)。若對試件重新加載,這時曲線就由H出發,沿HG直線回升,進行彈性變形,直到G點才開始屈服,以后的應力應變就仍按GbK曲線變化。可見G點處應力是試樣重新加載時的屈服應力。如果重復上述卸載、加載過程,就會發現,重新加載時的屈服應力由于變形的逐次增大而不斷地沿Gb曲線提高,這表明材料在逐漸硬化。材料的加工硬化對板料的成形影響很大,不僅使變形力增大,而且限制毛料的進一步變形。例如拉深件進行多次拉深時,在后次拉深之前一般要進行退火處理,以消除前次拉深產生的加工硬化。但硬化有時也是有利的,如在伸長類成形工藝中,能減少過大的局部變形,使變形趨向均勻。圖1－1低碳鋼拉伸試驗下的應力—應變曲線

為了實用上的需要,必須把應力—應變曲線用數學式表示出來。但是,由于各種材料的硬化曲線具有不同的特點,所以用同一個數學式精確地把它們表示出來是不可能的。目前常用的幾種硬化曲線的數學表達式都是近似的。

1.應力—應變曲線的線性表達式

(1-1)

2.應力—應變曲線的冪函數表達式

(1－2)式中C——系數，其值決定于的種類和性能；

n——硬化指數，其值決定于的種類和性能。

1.2.2塑性變形體積不變定律

實踐證明:金屬塑性變形時,發生形狀的變化,而體積變化可以忽略不計,即認為(1－3)這就是塑性變形體積不變定律。據此可知,塑性變形時只可能存在三向和平面應變狀態,而不存在單向應變狀態,在平面應變狀態下,不為零的兩個主應變大小相等方向相反。

1.2.3塑性變形最小阻力定律

金屬在外力作用下,內部各質點產生了位移,通常稱為金屬的流動。金屬的流動和變形是互為因果的,也可以說金屬變形時內部質點的流動是由于金屬塑性變形引起的。最小阻力定律認為:如果變形物體內各質點有向各個方向流動的可能,則變形物體內每個質點將沿阻力最小的方向流動。

1.2.4應力狀態對金屬塑性的影響

在主應力狀態中,壓應力個數愈多,數值愈大(即靜水壓力σm=(σ1+σ2+σ3)/3愈大),則金屬的塑性愈高;反之,拉應力個數愈多,數值愈大,則金屬的塑性愈低。1.2.5屈服條件

1.屈雷斯加(H.Tresca)屈服條件

這一準則指出,材料中最大剪應力達到某一定值時,就開始屈服。這一定值與應力狀態無關,其值為σs/2,因此其表達式為(1－4)設σ1≥σ2≥σ3,則(1－4)即∣σ1-σ3∣=σs

(1－5)2.密席斯(Von.Mises)屈服條件

這一準則指出,當某點的等效應力達到某一定值時,材料就開始屈服。這一定值為材料的屈服極限σs,因此這一屈服條件表示為(1－6) 1.3沖壓所用材料

1.3.1對沖壓所用材料的要求

沖壓所用的材料,不僅要滿足工件的技術要求,同時也必須滿足沖壓工藝要求。沖壓工藝要求是以下幾個方面:

(1)應具有良好的塑性。在成形工序中,塑性好的材料,其允許的變形程度大,譬如彎曲件可獲得較小的彎曲半徑,拉深件可獲得較小的拉深系數,由此可以減少工件成形所需的工序數以及中間退火的次數,甚至可以不要中間退火。在分離工序中,良好的塑性才能獲得理想的斷面質量。

(2)應具有光潔平整且無缺陷損傷的表面狀態。表面狀態好的材料,加工時不易破裂,也不容易擦傷模具,制成的零件也有良好的表面狀態。

(3)材料的厚度公差應符合國家標準。因為一定的模具間隙,適應于一定厚度的材料。材料厚度的公差太大,不僅會影響工件的質量,還可能導致產生廢品和損壞模具。1.3.2材料的種類和規格

沖壓生產中常用的材料是金屬板料,有時也用非金屬板料。

金屬板料分為黑色金屬和有色金屬兩種。

1.黑色金屬板料

1)碳素鋼鋼板

這類鋼板有Q195、Q215A、Q215B、Q235A等牌號。

2)優質碳素結構鋼鋼板

這類鋼板主要用于復雜變形的彎曲件和拉深件,有08、10、15、20、35、45、50及15Mn、20Mn、25Mn…45Mn等牌號。作為深拉深用冷軋薄鋼板,主要有08F、08、10、15、20等,按其表面質量分為三組:Ⅰ組——高質量表面;Ⅱ組——較高質量表面;Ⅲ組——一般質量表面。對其它深拉深薄鋼板,按沖壓性能分為三個級別:Z——最深拉深;S——深拉深;P——普通拉深。

2.有色金屬板料

1)黃銅板(帶)

黃銅板(帶)的特點是有很好的塑性和較高的強度及抗腐蝕性,焊接性能優良。常用的有H68、H62,前者用于深拉深,后者用于沖裁、彎曲和淺拉深。

2)鋁板(帶)

鋁板(帶)的特點是塑性很好,比重小,導電、導熱性良好。主要用于制造儀表的面板及各種罩殼、支架等零件。常用的有1016、1050A、1200等。

非金屬材料有紙板、膠木板、橡膠、塑料板和纖維板等。

沖壓用的材料大部分是各種規格的板料、帶料、條料和塊料。

板料的尺寸較大,用于大型零件的沖壓,也可通過剪裁制成條料,其規格可查國家標準。

條料是根據沖壓件的需要,由板料剪裁而成的,用于中小零件的沖壓。

帶料又稱卷料,有各種不同的寬度和長度,寬度在300mm以下,長度可達幾十米,適用于大批量生產的自動送料。

塊料適用于小批量生產和價值昂貴的有色金屬的沖壓。 1.4沖壓常用設備

沖壓工作是在沖壓設備上進行的,目前應用較多的有曲柄壓力機、摩擦壓力機和液壓機。曲柄壓力機可用于各類沖模,其中偏心沖床尤其適用于要求導柱、導套不脫開的模具(如導板模),摩擦壓力機和液壓機主要用于校正模、壓印模等,同時也適用于擠壓模。這里簡單介紹一下生產中最普遍使用的曲柄壓力機。

曲柄壓力機包括各種結構的偏心沖床和曲軸沖床,其基本工作機構都是曲柄連桿機構。1.4.1偏心沖床

偏心沖床也稱開式曲柄壓力機,圖1－2所示為其工作簡圖。啟動后,電動機12通過小齒輪11和大齒輪10(兼作飛輪)及離合器9將動力傳給偏心軸7,使偏心軸7在軸承中作回轉運動。連桿6把偏心軸7的回轉運動轉變為滑塊5的直線運動,滑塊5在床身的導軌中作上下往復運動。模具的上模固定于滑塊上,模具的下模固定在工作臺上。圖1－2偏心沖床簡圖為了控制滑塊的運動和位置,設有離合器9和制動器8。

離合器的作用是:在電動機與飛輪不停地運轉情況下,使曲柄連桿機構開動或停止。工作時,只要踩下腳踏開關1,離合器嚙合,偏心軸轉動,即可帶動滑塊作上下往復運動,進行沖壓。

制動器的動作與離合器的動作密切配合,在離合器脫開后,制動器同時將曲柄連桿機構停止在一定的位置上。

床身13是所有運動部分的支承體,并將壓力機的全部機構聯接成一個整體。為了適應不同模具的高度及對沖壓行程的要求,偏心沖床的行程可在一定范圍內調整,其調整機構如圖1－3所示。在偏心軸銷1上套有一個偏心套3,偏心套上的嵌牙與固定在軸端的結合套4上的嵌牙相結合,連桿2自由地套在偏心套上。這樣,軸銷的圓周運動便通過偏心套而變成連桿的上下運動。其運動距離(即行程)是偏心套中心與主軸中心之間距離的兩倍。當松開螺母5,使結合套的嵌牙與偏心套嵌牙脫開時,轉動偏心套便可改變偏心套中心與主軸中心的距離,因而可使滑塊行程在一定范圍內進行調整。圖1－3偏心沖床行程調節機構1.4.2曲軸沖床

曲軸沖床也稱閉式曲柄壓力機,圖1－4所示為其工作簡圖。曲軸沖床的結構和工作原理與偏心沖床的基本相同,其主要區別在于:曲軸沖床的主軸為曲軸,而偏心沖床的主軸為偏心軸或曲拐軸;在結構方面,曲軸沖床由橫梁,左、右立柱和底座構成框架形床身,用螺栓拉緊,因而剛性較好。曲軸在床身上由多個對稱軸承支承,沖床所受負荷較均勻,故能承受大噸位的沖壓工作。圖1－4曲軸沖床簡圖曲軸沖床行程較大,等于曲軸偏心距的兩倍,不能調整。

為適應安裝不同閉合高度的模具,一般用途的曲柄壓力機上連桿長度是可以調節的。其調節方法是:對200t以下小型壓力機,在調節螺桿上有一段六方部分,當松開緊固套后,可直接用扳手旋轉調節螺桿進行調節(圖1－5);對中型或重型壓力機,則由一個單獨的電機,通過齒輪或蝸輪機構來旋轉調節螺桿。此外,有些沖床的工作臺是可以升降的,通過升降工作臺也可以調節閉合高度。圖1－5可調節長度的連桿1.4.3曲柄壓力機的主要技術參數

曲柄壓力機的主要技術參數是反映一臺壓力機工作能力、所能加工零件的尺寸范圍以及有關生產率的指標,分述如下。

1.公稱壓力

曲柄壓力機的公稱壓力,是指曲柄旋轉到下死點前某一特定角度(此特定角度稱為公稱壓力角,約為30°)時,滑塊上所能容許承受的最大作用力。它是反映壓力機工作能力的重要指標,生產中不允許沖壓力大于公稱壓力。

2.滑塊行程

滑塊行程是指滑塊從上死點到下死點所走的距離,它為曲柄半徑的兩倍。

3.閉合高度

閉合高度又稱裝模高度,是指滑塊在下死點位置時,滑塊下表面到工作臺墊板上表面的距離。當閉合高度調節裝置將滑塊調整到最上位置時,閉合高度達到最大值,稱為最大閉合高度;當閉合高度調節裝置將滑塊調整到最下位置時,閉合高度達到最小值,稱為最小閉合高度。

4.滑塊行程次數

滑塊行程次數是指滑塊每分鐘從上死點到下死點,然