第三節沖壓基礎知識
一．衝裁
1.1衝裁概述
1. 衝裁的定義
衝裁是利用衝裁模在壓力機的作用下,使板料分離的一種沖壓工藝方法.從廣義上說,衝裁是沖孔、落料、切斷、切口、割切等多種分離工序的總稱.但一般講來,衝裁主要指落料和沖孔工序
衝裁是冷衝壓加工方法中的基礎工序,應用極其廣泛,它即可以直接衝製出所需的成品零件,也可以為其它冷衝壓工序製備毛坯
板料經過衝裁後,被分離成兩部分,即衝落部分和帶孔部分,若衝裁之目的是為了製取一定外形的外形輪廊和尺寸的衝落部分;則這種衝裁工序稱為落料工序,剩餘的帶孔部分就成為廢料.反之,若衝裁的目的是為了製取一定形狀和尺寸的內孔.此時,衝落部分變成廢料,帶孔,部分即為工件,這種衝裁工序稱之為沖孔工序.
見下表2.1-1.
表2.1-1落料與沖孔
2. 衝裁的分類
按照切斷面的粗糙程度,或沖件的精度,衝裁分為普通衝裁和精密衝裁.
普通衝裁就是當工件分離時,由於受到衝模壓力作用.在凸凹刃口之間的材料除了受剪下變形外,還存在著拉伸﹑彎曲﹑橫向擠壓等變形,材料最終以撕裂的形式實現分離.因此,普通衝裁工件的斷面比較粗糙,而且有一定的錐度,其精度較低.
精密衝裁由於採用了特殊的衝模結構,使凸、凹模刃口處的材料最終以塑性剪下變形形式分離.精密衝裁的零件,斷面光潔且與板麵垂直,精度較高.目前,一些精度要求高的衝裁零件,如儀器儀表﹑照像機﹑鐘錶等零件多數是用精密衝裁的方法加工的.
衝裁若按分離部分與母材部分的使用要求又可分如沖孔,落料,切斷,切口,半剪等.
3. 變形特點
根據金屬塑性變形原理分析可知.塑性金屬材料在變形過程中引起金屬材料破壞的主要方式是拉斷和剪斷,這就是說拉應力及拉應變.剪應力及剪應變是造成金屬材料斷裂破壞的主要因素.
而壓應力和壓應變只能引起塑性材料的形變,不會導致材料的破壞.
衝裁分離過程雖然是一瞬間完成的,但變形分離是很複雜的,衝裁時板料的變形分離分三個階段:
a.彈性變形階段.
板料在凸模壓力的作用下,刃口處的材料首先產生彈性壓縮﹑拉伸等變形,凸模略有擠入材料的內部,板料的下面也略微擠入凹模洞口內,凸模下面的材料略有彎曲. 凹模上面的材料開始上翹,如果凸凹模之間的刃口間隙越大,變曲和上翹越嚴重,但這時,材料內部應力尚未超過極限.當去掉外力後,材料仍可恢復原狀.
這一階段稱為彈性變形階段(如圖2.1-1)
圖2.1-1圖2.1-2
b.塑性變形階段
隨著凸模的下降,對板料的壓力不斷增加,材料內部的應力也隨之加大.當內應力達到材料的屈服極限時,便開始進入塑性變形階段,隨著凸凹模刃口進一步擠入材料內部.由於凸凹模刃口之間的間隙存在,使材料內部的拉應力和彎曲成分增大,壓應力成分減小,金屬材料被進一步彎曲和拉伸,使變形區的材料硬化加劇.
當沖裁力不斷增大直到刃口附近的材料開始產生微裂紋時,衝裁力也達到最大值.微裂紋的出現說明有材料開始破壞,塑性變形階段也告結束.(如圖2.
1-2)
c.分離階段.
凸模繼續下降,使板料產生上下裂紋不斷擴大.並向材料內部延伸,如圖2.1-3.
當板料上下裂紋相重合時,說明材料纖維被全部撕裂拉斷,零件斷面開始分離.當凸模再往下降時,將板料的衝落部分推出凹模洞口,同時將初始形成的毛刺進一步拉長,如圖2.1-4.
至此,凸模回公升完成整個衝裁過程.
圖2.1-3圖2.1-4
4. 普通衝裁零件的斷面特徵
對普通衝裁件的斷面分析,我們可發現這樣的規律.零件的衝裁斷面和零件的表面並非垂直,而是帶有一定的錐度;除很窄一部分光亮帶外,其餘均粗糙無光澤.並有毛刺和塌角.
我們把衝裁件斷面上的各區域分別稱為塌角帶(又稱圓角帶)﹑光亮帶(又稱剪下帶)﹑斷裂帶和毛刺.(如圖2.1-5)
a-圓角 b-光亮帶 c-斷裂帶 d-毛刺帶
圖2.1-5
高質量的衝裁件斷面應該是:光亮帶較寬,約佔整個斷面的1/3以上;塌角﹑斷裂帶﹑毛刺和錐度都很小,整個衝裁件平直無變彎現象,但是影響衝裁衝斷面質量的因素十分複雜,它隨材料的效能﹑厚度﹑刃口間隙﹑模具結構及衝裁速度的不同而變化.
1.2 衝裁間隙
1. 定義
衝裁模的凸模橫斷面,一般都小於凹模孔,凸模和凹模間有適當的空隙,稱為間隙.見圖2.3-1
圖2.3-1
2. 間隙對沖裁斷面質量的影響
從衝裁變形過程分析可知,當沖裁間隙合理時能夠使板料在凸凹模刃口處產生的上下微裂紋相互重合於一線.這樣所得的衝裁斷面光亮帶較大,而塌角和毛刺較小,斷面錐度適中,零件表面也比較平整.衝裁件的質量可達到滿意效果.
見圖2.3-3.
圖2.3-2圖2.3-3圖2.3-4
衝裁時如果間隙過小,則在衝裁件的斷面上會出現2條光亮帶,上端的毛刺也較大,這主要由於衝裁間隙過小,便在凸模刃口處產生上微裂紋的位置.比在凹模刃口處產生下微裂紋的位置向外錯開一段距離(見圖2.3-2),這樣上下裂紋不能重於一線.
夾在兩裂紋中間的材產隨著凸模下降產生第二次剪下,因此形成第二條光亮帶, 毛刺也將進一步拉長,使斷面質量較差.
衝裁時如果間隙過大,則會使在凸模刃口處產生上微裂紋的位置.比在凹模刃口處產生下微裂紋的位置向里錯開一段距離,這樣上下裂紋也不能重於一線.夾在兩裂紋中間的材產隨著凸模下降受到很大拉伸,最後被撕裂拉斷,衝裁沖斷面上出現較大的斷裂帶使光亮帶變小,毛刺和錐度較大.
塌角有所增加,斷面質量更差(見圖2.3-4).
由以上分析可推知,在模具設計時,即使選用了合理的間隙值,但由於加工或組立衝模時,沒能保證衝模間隙的均勻分布.同樣會得不到理想的斷面質量,間隙小的一邊.將出現如前所述間隙過小的斷面特徵,間隙大的一邊將出現間隙過大的斷面特徵,這一點對無導柱衝模尤為突出.
這是在生產中必須注意的.
3. 間隙對其它方面的影響
(1).衝裁間隙對沖裁尺寸精度的影響
前面我們講過,在衝裁過程中,金屬件會出現彈性變形和塑性變形.這就是說材料在塑性變形時一定會有彈性變形存在.由於衝裁時材料內部有彈性變形存在,當沖裁結束後,材料彈性變形即行恢復,這種彈性變形的恢復,這就使得衝裁件的實際尺寸與凸凹模刃口尺寸間產生一定的偏差見下圖2.
3-5圖2.3-5
圖2.3-5中縱座標為衝裁件的彈性恢復量.橫座標是衝裁件的相對間隙,在落料時我們從沖裁件尺寸變化曲線中可以發現,當沖裁間隙逐漸增大時,由於變形部位拉應力的增加,使變形金屬的拉伸變形也增加.
當沖裁結束後受壓縮金屬便要彈性恢復,從而使落料件尺寸變小,這種回彈量隨沖裁間隙的增加而增加.當沖裁間隙逐漸減小時,落料件尺寸變小的程度也減小,當間隙小到一定的程度(圖2.3-5中b點)衝裁部位的變形性質也會發生變化.
材料內部除了剪下以外,還有擠壓變形使變形區由原來的受拉狀態變成受壓狀態.當沖裁結束後,壓縮金屬便彈性恢復,從而使落料沖件尺寸比凹模刃口尺寸要大.
沖孔時,變形過程及彈性的恢復原理與上面的情況相同,只是衡量的物件不同因此所得結論與落料件相反即沖孔件尺寸隨沖裁間隙的增加而增加,當間隙值小於某一數值時(圖2.3-5中a點).則沖孔尺寸反而會減小,即衝出孔的尺寸小於凸模尺寸.
這裡指出.衝裁件的尺寸精度主要決定於衝裁模的設計及加工精度,上述分析是在一定的模具製造精度下進行的,間隙對精度的影響比衝模本身製造精度的影響要小得多.
(2) 衝裁間隙對沖裁力的影響.
間隙越小材料變形區中的壓應力成分越大,材料的變形抗力就增加,衝裁時需要的衝裁力就越大.反之,間隙越大,材料變形區的拉應力成分也越大,使材料變形抗力降低,衝裁時需要的衝裁力就小.不過實踐證明,當間隙(單面)在材料厚度的5%~2%範圍內逐漸增大時衝裁力降低已很不明顯.
(3) 衝裁間隙對卸料力和推件力的影響.
間隙越小,變形區中的材料彈性恢復量就增大.使沖孔尺寸變小,落料尺寸變大因此卸料力和推料力都增加,當間隙增大時,由於材料彈性恢復的作用,使沖孔尺寸增大,落料尺寸縮小,於是從沖頭上卸下料或從凹模洞口推出零件都省力一般當間隙(單面)增大到料厚的10%~20%時,卸料幾乎為零.
(4) 衝裁間隙對模具壽命的影響.
實踐證明,衝裁間隙是影響模具壽命諸多因素中最主要的乙個因素.衝裁過程中,凸模與被沖孔之間,凹模與落料件均有劇烈摩擦,而且間隙越小摩擦越嚴重所以過小的間隙對模具壽命極為不利,而較大的間隙會使凸模和凹模刃口側面與材料間的摩擦減小,並可減緩由於模具製造和安裝誤差造成的間隙不均勻的不利影響,從而提高模具的使用壽命.
4. 間隙值的確定
所謂合理的間隙,就是採用這一間隙進行衝裁時,能夠得到令人滿意的工件斷面質量,較高的尺寸精度和使衝裁力(卸料力和推件力)最小.並使模具有較長的使用壽命.但是如果採用乙個間隙的數值要求同時滿足以上諸多要求是不可能的因此,生產上根據零件的具體要求,綜合考慮各種因素影響,恰當選擇個適當的間隙範圍作為合理間隙,其上限為最大合理間隙,其下限為最小間隙,即合理的間隙指的是乙個範圍值,在具體設計衝模時,根據零件和生產上的具體要求可按下述原則進行選取.
(1) 當對沖裁件斷面質量無特殊要求時,為了提高模具的使用壽命和減小衝裁力,以獲得較大的經濟效益,可以選擇較大間隙值.
(2) 當對沖裁件斷面質量有較高要求時,應選擇較小間隙值.
(3) 在設計衝裁模刃口尺寸時,考慮到模具在使用過程中會磨損,會使刃口間隙增大的實際,應按最小間隙值來計算刃口的尺寸.
在實際的工作中模具行業對各種沖壓材料的不同厚度的沖件都積累了大量的經驗數值.所以理論上的間隙計算方法僅作為參考來用.
1.3 衝裁件的凸、凹模尺寸計算
1. 凸、凹模尺寸計算原則
衝裁時,沖孔直徑和落料外形尺寸均取決於光亮帶的尺寸,該尺寸通常用通用量具實測得到,也是確定沖件尺寸精度的唯一依據,實踐證明,落料件的尺寸接近凹模刃口尺寸;沖孔的尺寸接近於凸模刃口的尺寸.所以落料時以凹模作為設計的基準;沖孔時取凸模作為設計的基準.計算凸凹模尺寸時就遵守的原則如下:
(1) 落料時,先確定凹模刃口尺寸,其大小應取接近於或等於製件外形的最小極限尺寸.以保證凹模磨損至一定尺寸範圍內.也能衝出合格製件.
凸模刃口的基本尺寸應比凹模刃口基本尺寸小乙個最小合理間隙.
(2) 沖孔時,凸模刃口尺寸其大小應接近於或等於沖件孔的最大極限尺寸.以保證凸模磨損至一定尺寸範圍內,也能衝出合格的孔. 凹模刃口的基本尺寸應比凸模刃口基本尺寸大乙個最小合理間隙.
2. 凸、凹模分開加工時其尺寸與公差的計算
凸、凹模分開加工,是指凸模與凹模分別按圖加工尺寸,要求凸、凹模具有互換性.便於成批製造,對於形狀簡單.特別是圓形件,採用這種方法較為適宜.
但為了保證凸凹模間初始間隙合理,不僅凸、凹模要分別標註公差,而且要求有較高的製造精度,以滿足如下條件:
δ凸+δ凹≦cmax-cmazx δ凸≦δ凹
式中, δ凸、δ凹為凸、凹模製造公差; cmax、cmazx為凸、凹模最大與最小雙面間隙.
對於圓形或規則形狀的衝裁件,其落料,沖孔模允許偏差位置和凸、凹模刃口尺寸計算如下:
落料:設製件外形尺寸為d-△,則
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