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冲裁凹模工作部分结构形式分析
作者:南昌航空工业学院 陈为国
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冲压模具/锻压/冷镦模具展厅
冲压模, 级进模, 拉深冲裁模, 冷冲模, 冲床模具, ...
摘要:讨论了冲裁凹模工作部分的结构组成。列举了各种冲裁凹模工作部分的结构形式,并从设计和制造的角度进行了分析。
关键词:冲裁;凹模结构;冲模设计

一、引言

冲裁模是广泛应用的冲模形式之一。图1所示是一典型的冲裁凹模工作部分的截面形状。从图中可见,冲裁凹模工作部分的结构组成可分为三部分。

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图1
1.刃口2.刃壁3.漏料孔壁

刃口,是凹模上平面与刃壁的交线,它是直接参加板料冲裁分离的部分,直接影响到冲裁力的大小和冲裁件断面质量等。

刃壁,是刃口与漏料孔之间的过渡部分,是刃磨后形成新刃口的储备部分,它的形式对推料力、冲件的尺寸精度等有直接的影响。

漏料孔,是刃口的支持部分,δ值的存在主要是为了减小冲压力,防止凹模横向胀裂,保证冲压过程的顺利进行。

凹模工作部分的结构形式是冲裁模设计中不容回避的问题,值得探讨。

二、工作部分结构形式分析

在实际应用中,冲裁凹模工作部分的结构随冲件料厚、冲件精度、制模条件与水平、冲床吨位等因素的不同而有所变化。

1.常见的结构形式

图2所示是冲裁凹模工作部分常见的结构形式。其中图a~f为基本形式,图g~l是为某一特定目的而设计的变型形式。

图2中,α和β分别是刃壁和漏料孔壁的斜角,δ的定义同图1,Δh为斜刃的高度差,R为刃口圆角。

刃口的形式一般为平面型,且刃口锋利,也有非平面型的斜刃和小圆角或小倒棱的刃口。

刃壁和漏料壁有斜壁式(α>0,β>0)和直壁式(α=β=0)两大类。它们可以按需要组合应用。考虑到落料件的回弹,故必须满足β>α或漏料孔轮廓对刃壁部分横截面轮廓的偏移量δ>0.1mm(冲件回弹量一般为0.02~0.05mm)[1]。

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图2

2.与冲模设计的关系

从冲模设计的角度看,图2中的结构可以从以下几方面进行考虑。

(1)斜刃壁与直刃壁

斜刃壁(α>0)适用于下出件落料凹模,其推件力小,但刃磨后冲件尺寸会发生少量变化,冲件精度稍低,一般主要用于厚料冲裁,因为厚料的冲裁间隙z大,在α一定时,每次刃磨引起的间隙变化率Δz/z小,故斜刃壁厚料冲裁时能允许多次刃磨。刃壁斜角的选择可根据制模水平确定,尽量小一点。

直刃壁(α=0)主要用于薄料冲裁,刃磨后不影响冲件尺寸,冲件尺寸精度高,但推件力稍大。

(2)刃壁高度h

刃壁是形成刃口所必需的面,同时也是刃口的储备补充部分。刃壁高度h太大,会使推件力增大较快,甚至胀裂凹模。

h值的选择与材料厚度及刃磨次数等有关。一般保证刃壁部分存留3~6片冲件为妥,即h=(3~6)t,若要多次刃磨则取大值,斜刃壁由于摩擦力较小也可取大值,厚料取小值,薄料取大值。

(3)β值与δ值

β值与δ值属漏料孔的设计参数。斜漏料孔壁可有效的支持刃口强度,一般要求β>α。直漏料孔壁的漏料效果较好,且加工方便,但δ值的加大及分布的不均匀性会削弱刃口部分的强度,对于一些特殊形状的冲件尤应引起重视,如图2b所示。

(4)全斜壁与全直壁(图2c、f)

全斜壁一般用于厚料冲裁,当H较小时可采用,且α值不宜太大。全直壁可用于上出件落料模或冲孔落料复合模中的凹模等。

(5)凸台式凹模(图2g)

图2g所示为凸台式凹模,主要用于非金属材料(如纸张、石棉等)。由于非金属材料的冲裁间隙很小(约取08钢的25%),且硬度不高,故这种凹模淬火硬度取得稍低,一般为HRC40左右,在装配过程中和磨损后,可用锤打击凸台斜面调整间隙。

(6)斜刃凹模

图2h、i为斜刃凹模,当冲床吨位偏小时可降低冲裁力。一般取Δh=t~2t,其冲裁力可降至平刃的(30~50)%。图中所示仅适用于落料工序,冲孔工序可将凸模做成斜刃。

(7)斜面冲裁(图2j)

斜面冲裁指冲压方向与板料不垂直的情况,如图2j所示,图中γ角一般不超过40°。关于斜面冲裁的设计问题可参阅文献[2],这里不多谈。

(8)小圆角刃口(图2k)

刃口做出少量的圆角,可增加冲裁变形区的等静压效果,使断面光整。主要用于精密冲裁、负间隙冲裁、光洁冲裁、冲件的外缘整修等[3]。

(9)倒棱刃口(图2l)

刃口处倒小小的棱边,可在高速冲裁时防止废料回跳,因小倒棱的存在增大了材料的塑性变形,使材料被冲入凹模中变成楔形而留在模内[3]。

3.与制造工艺的关系

制造工艺是模具设计的结构形式具体实现的保证。冲裁模工作部分的加工方法通常有:线切割加工、电火花加工、铣(或车)加工配合钳工修锉、成形磨削与光学曲线磨等,漏料孔的化学腐蚀和电解加工等。

(1)各种加工方法的特点

a.电火花加工与线切割加工

电火花加工需要制作电极,其放电间隙与电规准有关,精规准加工时放电间隙可达0.01mm,粗规准时可达0.5mm。另外,由于二次放电现象,使得电火花加工的型孔一般均存在斜度,斜度的大小与排屑条件和电规准有关,一般α=4′~20′。近年来,由于线切割加工的成本不断下降,用电火花机床加工冲裁模的情况已经不多见了。

线切割加工是电火花加工的特例,其电极是用电极丝代替,并采用CNC控制。由于其不需制作电极,仅靠编程即可完成复杂形状的加工,且加工精度高(约0.01mm左右),成本也较低,近年来已成为冲裁模加工的主要方式之一。线切割加工一般为直壁式型孔,但近年来带锥度线割功能的线切割机床也被大量采用,且可加工的锥度较大(可达30°),完全可以满足冲裁凹模的斜刃壁加工要求。

电火花加工和线切割加工其加工面都存在一层变质层,要求高时,可由钳工研磨去除。

b.铣(车)削加工和钳工修锉

在条件稍差的情况下,凹模工作部分可考虑用铣削加工配以钳工修锉加工,为保险起见,其侧壁一般都加工出斜角(即α>0,β>0)。

铣削加工还广泛用于加工直壁漏料孔,偏移量δ值可取1mm,但线切割加工后均匀性较难保证。铣削后再线切割加工可有效的减少线切割加工面积,降低加工成本,提高加工效率。

c.成形磨削与光学曲线磨等

成形磨削与光学曲线磨均属精密加工范畴。采用这种加工方法,要求型腔为镶拼结构,将内形变为外形加工。成形磨削与光学曲线磨一般以加工直线型侧壁为主,也可加工折线型侧壁。

另外,对于圆形型腔,也可采用坐标磨床加工出斜侧壁型孔。

d.化学腐蚀和电解加工

化学腐蚀和电解加工主要用于漏料孔侧壁的加工。一般是先由线切割加工出全直壁型孔,然后均匀扩大δ值获得漏料型孔,由于其扩大值δ分布均匀,因此,δ值不需太大,一般δ取0.1mm。

电解加工漏料孔侧壁一般采用线切割加工后的相应废料做电极。电解加工需要有相应的加工设备。

化学腐蚀由于不需专用设备,操作简单、方便,因而广泛用于冲模加工中。

漏料孔的加工也可考虑用电火花加工,但需制作电极。

e.刃口圆角和倒棱的研磨加工

圆角和倒棱一般采用特制的研磨杆配以金刚石研磨膏研磨,也可采用油石条研磨,这需要由模具钳工的技术水平和试模结果确定。

(2)工作部分加工方法分析

在了解了各种加工方法的特点后,对图2所示各种结构的加工方法就不难确定,这里仅举几例说明。

图2a的加工方法有:铣削粗加工型孔毛坯,然后配以钳工修锉,为保险起见,一般都加工出必要的斜角α和β;也可铣削后用电火花加工,靠粗、精规准获得不同的斜角α和β。

图2e的加工方法是:先铣削出漏料孔后再线切割加工;或先线切割加工全直壁型孔,然后由化学腐蚀或电解加工等加工出漏料孔壁。

图2k的圆角和图2l的倒棱由研磨加工获得。

三、应用情况

由以上所谈可知,凹模工作部分的结构形式与制模手段和工艺有极大的关系。就当前冲模制造技术来说,首选的制模方法为线切割加工,对于精密模具才考虑用光学曲线磨床和坐标磨床加工。漏料孔的加工以铣削加工为主(圆型可用车削加工),对特殊冲件则考虑用化学腐蚀加工,故漏孔壁一般为直壁。所以,图2e所示结构是应用广泛的结构形式之一。下面对这种形式的应用进行讨论。

图3所示为两例冲裁凹模,型孔的差异仅是图3b两侧多出两个舌头。舌头的存在造成了制作工艺的不同。

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图3

以上两例均考虑用线切割加工型孔,凹模工作部分选用图2e所示结构。

图3a,由于形状简单,漏料孔采用铣削加工,其制作过程大致为:毛坯六面加工→划线,钻穿丝孔→铣漏料孔→淬火→线切割。这里,铣漏料孔必须安排在淬火和线切割前,划线时一般以型孔为基准均匀扩大δ(取δ=1mm)划漏料孔轮廓线,铣削时,转角处可考虑采用φ5~φ8的键槽铣刀加工出工艺孔。划线、钻穿丝孔以及铣削必须细心,否则线切割后可能使δ值不均匀,甚至部分无δ值。

图3b所示零件,由于舌头尺寸较小,要铣削出均匀δ值的漏料孔较困难,而若按图3a的方式铣出矩形,则舌头部将成为悬臂梁,强度大受影响,因此,其制作过程应为:毛坯六面加工→划线,钻穿丝孔→淬火→线切割→化学腐蚀漏料孔壁(δ=0.1mm)。当然,漏料孔加工还可采用电解加工或电火花加工,其差别仅在价格方面不同,这可据各企业的具体条件而定。

四、总结

图2中所示的各种结构形式,落实到各企业,由于制模条件的差异,可供选择的形式并不多,对于一位优秀的设计人员,应了解各种结构形式的来历,在具体工作中总结出适合自身条件的结构形式,并将其所需的技术通用化。如化学腐蚀加工成本低,应用范围广,但要求掌握腐蚀液的配方及操作规程,否则,将失败甚至造成人员伤害。因此说,一位优秀的设计师首先必须是一位优秀的工艺师,设计和工艺是不可分割的工程整体。

参考文献
[1]李硕本.冲压工艺学.北京:机械工业出版社,1984.
[2]周开华.如何在斜面零件上冲孔.模具通讯,1983(4).
[3]陈良杰.多工位级进模的设计(六),模具工业,1988(6).(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (4/24/2007)
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