模具设计与冷冲压PPT教案.pptx

模具设计与冷冲压模具设计与冷冲压第一页，共48页。1.1 冲压加工(ji gng)及分类1.1.1 冲压与冲模的概念冲压是通过安装在压力机上的模具对材料施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得一定尺寸、形状和性能的工件的加工方法。冲压工艺的应用范围十分广泛，既可以加工金属材料，也可以加工多种非金属材料。在冲压加工中，安装在压力机上，将材料（金属或非金属）加工成零件（或半成品）的一种特殊工艺装备，叫做冲压模具（简称冲模）。1.1.2 冲压加工的特点及分类(fn li)冲压加工具有很高的生产率。一般一台冲压设备每分钟可以生产中、小尺寸工件几件到几十仵，高速冲床可达几百件，这是其他任何加工方法都无法实现的。下-页 返回(fnhu)第1页/共48页第二页，共48页。1.1 冲压(chngy)加工及分类冲压加工成本低。在大量生产中采用冲压工艺加工板料工件是最经济的工艺方法。冲压工艺和冲压设备正在不断地发展，特别是精密冲裁、高速冲压、多工位自动冲压以及液压成形、超塑性冲压等各种冲压工艺的迅速发展，把冲压的技术水平提高到了一个新的高度。一个冲压件往往需要经过多道冲压工序才能完成。由于冲压件的形状、尺寸、精度、生产批量、原材料等的不同，其冲压工序也是多样的，但大致可分为分离工序和成形工序两大类。分离工序是将冲压件或毛坯沿一定的轮廓线与板料分离。其特点是沿一定边界的材料被破坏(phui)而使板料的一部分与另一部分分开，如落料、冲孔、切断、整修等。上-页 下-页 返回(fnhu)第2页/共48页第三页，共48页。1.1 冲压加工(ji gng)及分类成形工序是在不使板料破坏的条件下，使之产生塑性变形而形成所需形状与尺寸的工件。1.1.3 冲压技术的现状与发展近年来，随着对发展先进制造技术的重要性获得前所未有的共识，冲压成形技术无论在深度和广度上都取得了前所未有的进展，其特征是与高新技术结合，在方法和体系上开始发生很大变化。以有限元法为基础的冲压成形过程计算机仿真技术或数值模拟(mn)技术，为冲压模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径，这将是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。上-页 下-页 返回(fnhu)第3页/共48页第四页，共48页。1.1 冲压加工(ji gng)及分类 冲压成形技术的发展趋势：冲压成形技术将更加科学化、数字化、可控化。注重产品制造全过程，最大程度地实现多目标全局综合优化。对产品可制造性和成形工艺的快速分析与评估能力将有大的发展，以便从产品初步设计甚至构思时起，就能针对零件的可成形性及所需性能的保证度，作出快速分析评估。冲压技术将具有更大的灵活性或柔性，以适应未来小批量、多品种混流生产模式及市场多样化、个性化需求的发展趋势，加强企业对市场变化的快速响应(xingyng)能力。重视复合化成形技术的发展。上-页 返回(fnhu)第4页/共48页第五页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料1.2.1 冲压工艺对板料的基本要求(yoqi)1材料应具有良好的塑性在变形工序中，材料的内应力分拉应力或压应力，其变形表现为伸长和压缩。当主要变形区的材料变形量超过材料的变形极限时，便会产生破裂或皱褶。因此，材料必须有良好的塑性和塑性变形的稳定性。影响材料塑性的主要因素是材料的化学成分、金相组织和机械性能。碳的质量分数低于0.05%0.15%的低碳钢具有良好的塑性。硅的质量分数在0.37%以下，对材料塑性影响不大，但质量分数大于这一数值时，即使碳的质量分数很小也会使材料变得又硬又脆。硫在钢中与锰或铁相结合以下-页 返回(fnhu)第5页/共48页第六页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料硫化物的形态出现时，会严重地影响钢的热轧性能，硫化物促使条状组织(zzh)产生，使钢的塑性降低。金属材料的晶粒大小对塑性影响也很大。晶粒大，塑性差，变形时容易破裂，或在制件表面上呈现粗糙的“橘皮”，对制件以后的抛光、电镀、涂漆等工序均有影响；金属材料的品粒过细，则使材料的弹性回复现象增加，因而材料的晶粒大小要适中。材料塑性的高低，通常用延伸率、屈强比、冷弯试验中的弯心直径和杯突试验深度来表示。延伸率、杯突试验深度值越大，塑性就越好；屈强比、弯曲半径越小，则材料的塑性越好。上-页 下-页 返回(fnhu)第6页/共48页第七页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料 2材料应具有抗压失稳起皱的能力在制件的变形区，当材料内部主要承受压缩应力时，如直壁零件的拉深、缩口及外凸曲线翻边等，其应变(yngbin)主要表现为缩短或厚度增加，这时就容易产生受压失稳起皱。3材料应具有良好的表面质量材料表面如有划伤、麻点、气孔、缩孔，或材料断面上有分层现象时，则在冲压过程中，会在材料的缺陷部位造成应力集中而产生破裂；材料表面扭曲不平，会使剪裁或冲裁时定位不稳而造成冲压废品，或损坏模具。4.材料的规格应符合标准金属板料厚度公差的大小是钢板轧制精度的主要标志，也是上-页 下-页 返回(fnhu)第7页/共48页第八页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料 影响冲压加工质量稳定性的重要因素之一。模具间隙一经确定，所用材料的厚度公差(gngch)就受到限制。板料的长、宽尺寸是根据制件的最佳的排样方案选定的。1.2.2 板料的冲压成形性能与板料的力学性能的关系材料对各种冲压加工方法的适应能力称为材料的冲压成形性能。材料的冲压性能好，就是指其便于冲压加工，一次冲压工序的极限变形程度和总的极限变形程度大，生产率高，容易得到高质量的冲压件，模具寿命长等。1成形极限冲压时，当作用于坯料变形区内的拉应力的绝对值最大时，在这个方向上的变形一定是伸长变形，故称这种冲压变形为上-页 下-页 返回(fnhu)第8页/共48页第九页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料 伸长类变形（如胀形、扩口、内孔翻边等）。当作用于坯料变形区内的压应力的绝对值最太时，在这个方向上的变形一定是压缩变形，故称这种冲压变形为压缩类变形（如拉深、缩口等）。伸长类变形的极限变形系数主要决定于材料(cilio)的塑性；压缩类变形的极限变形系数通常是受坯料传力区的承载能力的限制，有时则受变形区或传力区的失稳起皱的限制。2.成形质量冲压件的质量指标主要有尺寸精度、厚度变化、表面质量以及成形后材料(cilio)的物理机械性能等。影响工件质量的因素很多，不同的冲压工序情况又各不相同。上-页 下-页 返回(fnhu)第9页/共48页第十页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料材料在塑性变形的同时总伴随着弹性变形，当载荷卸除后，由于材料的弹性恢复，造成制件的尺寸和形状偏离模具，影响制件的尺寸和形状精度。冲压成形后，一般板厚都要发生变化，有的变厚，有的变薄。材料经过塑性变形后，除产生加工硬化现象外，还由于变形不均，造成残余应力，从而引起工件尺寸及形状的变化，严重时还会引起工件的自行(zxng)开裂。影响工件表面质量的主要因素有原材料的表面状态、晶粒大小、冲压时材料黏模的情况以及模具对冲压件表面的擦伤等。为了有利于冲压变形和制件质量的提高，材料应具有良好的冲压成形性能。上-页 下-页 返回(fnhu)第10页/共48页第十一页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料不同冲压工序对板材性能的具体要求见表1-2。1.2.3 常用的冲压材料冷冲压工艺(gngy)适用于多种金属材料及非金属材料。在金属材料中，有钢、铜、铝、镁、镍、钛、各种贵重金属及各种合金。非金属材料包括各种纸板、纤维板、塑料板、皮革、胶合板等。常用的冲压材料有以下三种。1.黑色金属黑色金属包括普通碳素结构钢、优质碳素钢、合金结构钢、碳素工具钢、不锈钢、电工硅钢等。上-页 下-页 返回(fnhu)第11页/共48页第十二页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料 对厚度在4 mm以下的轧制薄钢板，按国家标准GB/T 708-1991规定，钢板的厚度精度可分为A（高级精度）、B（较高级精度）、C（普通(ptng)精度）级。对优质碳素结构钢薄钢板，根据GB/T 710-1991规定，钢板的表面质量可分为I（特别高级的精整表面）、（高级的精整表面）、（较高的精整表面）、（普通(ptng)的精整表面）四组。每组按拉深级别又可分为z（最深拉深）、s（深拉深）、p（普通(ptng)拉深）三级。2有色金属有色金属包括铜及铜合金、铝及铝合金、镁合金、钛合金等。3非金属材料非金属材料包括纸板、胶木板、塑料板、纤维板和云母等。上-页 下-页 返回(fnhu)第12页/共48页第十三页，共48页。1.2 冲压(chngy)材料表1-3给出了常用冲压材料的力学性能，根据表中数据可以近似判断(pndun)材料的冲压性能。上-页 返回(fnhu)第13页/共48页第十四页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备1.3.1 常用冲压设备冲压成形设备的种类很多，以适应(shyng)不同的冲压工艺要求，在我国锻压机械的八大类中，它就占了一半以上。而实际生产中，应用最广泛的是曲柄压力机、摩擦压力机和液压机。我国锻压机械的分类和代号见表1-4。由于采用现代化的冲压工艺生产产品具有效率高、品质好、能耗少和成本低等特点，所以，无切削加工的冷冲压工艺越来越多地代替切削、焊接和其他工艺，冲压设备在机床中所占的比例也越来越大。随着计算机技术的发展与应用，冲压设备的单机自动化（如数控冲床、数控剪床、数控折弯机等）和全自动生产线已应用得十分普遍，并实现了计算机控制的自动化生产车间。下-页 返回(fnhu)第14页/共48页第十五页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备精密冲压方面，目前国外生产(shngchn)精冲压力机的公司就有20多家，主要集中在瑞士、德国和英国。精密冲裁可以部分代替铣削、滚齿、钻孔和铰孔等工序，特别是机械手表的精密齿轮，精冲后可直接使用。国际标准化组织(ISO)推荐的噪声标准，要求连续工作8 h的工作环境中，操作者感受到的噪声声压级不得超过8590 dB，大部分国家规定为90 dB，瑞典等少数国家甚至规定为85dB。因此许多国家冲压机械制造厂家都十分重视解决噪声问题1.3.2 曲柄压力机1用途上-页 下-页 返回(fnhu)第15页/共48页第十六页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备曲柄压力机是最常用的机械传动类压力机，它可用于板料的冲裁、弯曲、浅拉深和成形，也可用于冷挤压、精压等冲压工艺(gngy)中，是目前国内最常用的机械压力机。2曲柄压力机的类型(1)按床身结构形式分曲柄压力机按机身结构形式可以分为开式压力机（图1-1）和闭式压力机（图1-2）两种。在开式压力机中，根据其机身结构不同分为双柱开式压力机（图1-1）和单柱开式压力机（图1-3）；根据工作台结构不同，分为可倾台式压力机（图1-1）、固定台式压力机（图1-3）和升降台式压力机（图1-4）。上-页 下-页 返回(fnhu)第16页/共48页第十七页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备闭式压力机的机身为框架结构，机身前后敞开(chngki)，两侧封闭，这使得操作者只能从前后接近工作台。(2)按滑块数量分按滑块数量可分为单动压力机、双动压力机和三动压力机。(3)按连接曲柄和滑块的连杆数量分按连接曲柄和滑块的连杆数量可分为单点压力机、双点压力机和四点压力机(图1-6)。曲柄连杆数量的设置主要根据滑块面积的大小和吨位而定。(4)按滑块行程是否可调分按滑块行程是否可调可分为曲柄压力机和偏心压力机。偏心压力机和曲柄压力机的不同在于其滑块行程是否可调节。上-页 下-页 返回(fnhu)第17页/共48页第十八页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备(5)按传动方式分按传动方式可分为上传动（图1-1）和下传动（图1-8）。3曲柄压力机的组成曲柄压力机一般由以下几个部分(b fen)组成。(1)工作机构一般为曲柄滑块机构，由曲轴、连杆、滑块、导轨等零件组成。(2)传动系统传动系统包括带传动和齿轮传动等机构。(3)操纵系统上-页 下-页 返回(fnhu)第18页/共48页第十九页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备如离合器、制动器及其控制装置，用来控制压力机安全、准确地运转。(4)能源系统如电动机和飞轮，飞轮能将电动机空程运转时的能量储存起来，在冲压时再释放出来。(5)支承部件如机身，把压力机所有的机构连接起来，承受全部工作变形力，支撑各种装置的各个部件的重力，并保证整机所要求的精度(jn d)和强度。4曲柄压力机的工作原理上-页 下-页 返回(fnhu)第19页/共48页第二十页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备尽管曲柄压力机的类型众多，但其工作原理是相同的。开式双柱可倾式压力机的运动原理如图1-9所示。其工作原理如下：电动机1的能量和运动通过带传动传递给中间传动轴4，再由齿轮5和6传动给曲轴(qzhu)9，经连杆11带动滑块12做上下直线移动。因此，曲轴(qzhu)的旋转运动通过连杆变为滑块的往复直线运动。闭式压力机外形与开式压力机有很大差别，但它们的工作原理和结构组成是相同的。图1-10为J31-315型闭式压力机的运动原理图，与图1-9相比较，只是在传动系统中多了一级齿轮传动；工作机构中曲柄的形式是偏心齿轮式，而不是曲轴(qzhu)式，即由偏心齿轮9带动连杆摆动，使得滑块做往复直线运动。上-页 下-页 返回(fnhu)第20页/共48页第二十一页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备5曲柄压力机的主要(zhyo)技术参数曲柄压力机的技术参数反映了压力机的性能指标。现分述如下。(1)公称压力及公称压力行程。曲柄压力机的公称压力（或称额定压力）就是滑块所允许承受的最大作用力，而滑块必须在到达下止点前某一特定距离之内允许承受公称压力，这一特定距离称为公称压力行程（或额定压力行程）。，公称压力行程所对应的曲柄转角称为公称压力角（或额定压力角）。(2)滑块行程如图1-11所示的S，它是指滑块从上止点到下止点所经过上-页 下-页 返回(fnhu)第21页/共48页第二十二页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备的距离，等于曲柄偏心量的2倍。它的大小反映出压力机的工作范围，行程长，则能生产高度较高的零件、但压力机的曲柄尺寸应加大，其他部分也要相应增大，设备的造价增加。(3)滑块行程次数n它是指滑块每分钟往复运动的次数。如果是连续作业，它就是每分钟生产工件的个数。所以(suy)，行程次数越多，生产率就越高。拉深加工时，行程次数越多，材料变形速度也越快，容易造成材料破裂报废。因此，选择行程次数不能单纯追求高生产率。(4)最大装模高度及装模高度调节量 上-页 下-页 返回(fnhu)第22页/共48页第二十三页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备装模高度是指滑块在下止点时，滑块下表面到工作台垫板上表面的距离。当装模高度调节装置将滑块调整到最高位置时，装模高度达最大值，称为最大装模高度。装模高度调节装置所能调节的距离，称为装模高度调节量。装模高度及其调节量越大，对模具的适应性也越大，但装模高度大，压力机也随之增高，且安装高度较小的模具时，需附加垫板，给使用带来不便。(5)工作台板及滑块底面尺寸它是指压力机工作空间的平面尺寸。工作台板（垫板）的上平面，用“左右前后(qinhu)”的尺寸表示，如图1 -11中的L B。滑块下平面，也用“左右前后(qinhu)”的尺寸表示，如图1-11中的a b。上-页 下-页 返回(fnhu)第23页/共48页第二十四页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备(6)工作台孔尺寸工作台孔尺寸L1 x B1（左右前后）、D1（直径），如图1-11所示，用作向下出料或安装顶出装置的空间。(7)立柱间距A和喉深C立柱间距是指双柱式压力机立柱内侧面之间的距离。对于开式压力机，其值主要关系到向后侧送料或出件机构的安装；对于闭式压力机，其值直接限制了模具(mj)和加工板料的最宽尺寸。(8)模柄孔尺寸模柄孔尺寸是“直径孔深”，冲模模柄尺寸应和模柄孔尺寸相适应。大型压力机没有模柄孔，而是开设工形槽，以工形槽螺钉紧固上模。上-页 下-页 返回(fnhu)第24页/共48页第二十五页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备1.3.3摩擦压力机摩擦压力机是利用摩擦盘与飞轮之间相互接触传递动力(dngl)，并根据螺杆与螺母的相对运动，使滑块产生上下往复运动的锻压机械。图1-12所示为摩擦压力机的传动示意图。其工作原理如下：电动机1通过V带2及大带轮把运动传递给横轴4及左、有摩擦盘3和5，使其横轴与左、右摩擦盘始终在旋转，并且横轴可允许在轴内做一定的水平轴向移动。工作时，压下手柄13，横轴右移，使左摩擦盘3与飞轮6的轮缘相压紧，迫使飞轮与螺杆9顺时针旋转，带动滑块向下做直线运动，进行冲压加工。上-页 下-页 返回(fnhu)第25页/共48页第二十六页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备1.3.4液压机液压机是进行拉深、弯曲、成形和挤压等工艺的重要设备，液压机虽有多种规格，但其基本工作原理都是液体静压传递原理。各种液压机都由以下(yxi)三部分组成。本体部分：包括床身、活动横梁、工作缸、工作活塞和顶l-l器。动力部分：为工作缸和顶出缸提供高压油的高压泵。操纵部分：包括操纵箱和一些操纵阀。液压机的特点：在全行程内都能实现全压和长时间保压，工作速度可调节，如空行程和回程时可快速，合模时可慢速，上-页 下-页 返回(fnhu)第26页/共48页第二十七页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备 既利于操作又可提高生产效率；此外还具有工作平稳、撞击和振动轻、噪声小等优点。1.3.5模具与压力机的安装关系在压力机上安装与调整(tiozhng)模具，是一件很重要的工作，它将直接影响制件质量和安全生产。1设备类型的选择设备类型选择的主要依据是所要完成的冲压工序性质、生产批量、冲压件的尺寸及精度要求、现有设备条件等。中、小型冲压件主要选用开式单柱（或双柱）的机械压力机；大、中型冲压件多选用双柱闭式机械压力机。根据冲压上-页 下-页 返回(fnhu)第27页/共48页第二十八页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备 工序可分别选用通用压力机和专用压力机（挤压压力机、精压机、双动拉深压力机等）。大批量生产时，可选用高速压力机或多工位自动压力机；小批量生产尤其是大型厚板零件的成形时，可采用液压机。摩擦压力机结构简单，造价低，在冲压时不会因为板料厚度波动等原因而引起设备或模具的损坏(snhui)，因而在小批量生产中常用于弯曲、成形、校平、整形等工序。对于薄板冲裁、精密冲裁工序，应注意选择刚度和精度高的压力机。2.设备技术参数的确定压力机技术参数的选择主要是依据冲压件尺寸、变形力大小上-页 下-页 返回(fnhu)第28页/共48页第二十九页，共48页。1.3 冲压(chngy)设备 及模具尺寸，并进行必要校核：冲模总体结构(jigu)尺寸必须与选用的压力机相适应，即模具的总体平面尺寸应该与压力机工作台或垫板尺寸和滑块下平面尺寸相适应；模具的封闭（闭合）高度应与压力机的装模高度或封闭高度相适应。冲模的封闭高度是指模具工作行程终了时，上模座的上平面至下模座的下平面之间的距离。压力机的封闭高度是指滑块在下止点位置时，滑块的下平面至工作台上平面之间的距离。上-页 返回(fnhu)第29页/共48页第三十页，共48页。1.4 模具材料(cilio)的选用1.4.1 冲压对模具材料的要求不同的冲压方法，其模具类型不同，模具工作条件有差异，对模具材料的要求也有所不同。表1-7是不同模具工作条件及对模具工作零件材料的性能要求。1.4.2 冲模材料的选用原则选择模具材料应遵循如下原则。根据模具种类及其工作条件，选用材料要满足使用要求，应具有较高的强度、硬度、耐磨性、耐冲击性、耐疲劳性等。根据冲压材料和冲压件生产批量选用材料。模具材料应具有良好的加工工艺性能，便于(biny)切削加工，淬透性好、热处理变形小。满足经济性要求。下-页 返回(fnhu)第30页/共48页第三十一页，共48页。1.4 模具材料(cilio)的选用1.4.3 冲模常用材料及其热处理要求模具材料的种类(zhngli)很多，应用也极为广泛，冲压模具所用材料主要有碳钢、合金钢、铸铁、橡胶等。冲压模具中凸、凹铸钢、硬质合金钢以及锌基合金、低熔点合金、环氧树脂、聚氨酯模等工作零件所用的材料主要是模具钢，常用的模具钢包括碳素钢、合金工具钢、轴承钢、高速工具钢、基体钢、硬质合金和钢基硬质合金等常用模具钢的性能比较见表1-8，表1-9是常用冷作模具钢国内、外牌号对照。上-页 返回(fnhu)第31页/共48页第三十二页，共48页。表表1-21-2不同冲压不同冲压(chngy)(chngy)工序对板料力学性能的要求工序对板料力学性能的要求返回(fnhu)第32页/共48页第三十三页，共48页。表表1-31-3冲压冲压(chngy)(chngy)常用金属材料的力学性能常用金属材料的力学性能返回(fnhu)第33页/共48页第三十四页，共48页。表1一4锻压(duny)机械分类代号返回(fnhu)第34页/共48页第三十五页，共48页。图1一1开式双柱(shun zh)可倾压力机返回(fnhu)第35页/共48页第三十六页，共48页。图1一2闭式压力机返回(fnhu)第36页/共48页第三十七页，共48页。图1一3单柱固定(gdng)台式压力机返回(fnhu)第37页/共48页第三十八页，共48页。图1一4升降台式压力机返回(fnhu)第38页/共48页第三十九页，共48页。图图1 1一一6 6压力机按连杆数量压力机按连杆数量(shling)(shling)分类示意图分类示意图返回(fnhu)第39页/共48页第四十页，共48页。图1一8下传动(chundng)高速压力机传动(chundng)原理返回(fnhu)第40页/共48页第四十一页，共48页。图图1 1一一9 JC229 JC22一一6363压力机运动压力机运动(yndng)(yndng)原理图原理图返回(fnhu)第41页/共48页第四十二页，共48页。图图1 1一一10 J3110 J31一一315315型闭式压力机运动型闭式压力机运动(yndng)(yndng)原理图原理图返回(fnhu)第42页/共48页第四十三页，共48页。图1一11压力机基本参数返回(fnhu)第43页/共48页第四十四页，共48页。图1一12摩擦(mc)压力机的传动示意图返回(fnhu)第44页/共48页第四十五页，共48页。表表1 1一一7 7模具工作条件模具工作条件(tiojin)(tiojin)及对模具工作零件材料的性及对模具工作零件材料的性能要求能要求返回(fnhu)第45页/共48页第四十六页，共48页。表1-8常用模具钢的性能(xngnng)比较返回(fnhu)第46页/共48页第四十七页，共48页。表表1-91-9常用冷作模具钢国内、外牌号常用冷作模具钢国内、外牌号(piho)(piho)对照对照返回(fnhu)第47页/共48页第四十八页，共48页。