《模具設計與制造李集仁》課件-第5章

第5章其它沖壓工藝及模具設計5.1縮口與脹形5.2翻邊與局部成形5.3校平與整形5.4旋壓與強力旋壓5.5冷擠壓5.6硬質合金沖模5.7多工位級進模5.8特種沖壓模具的特點與使用范圍 5.1縮口和脹形

縮口和脹形是屬于二次加工的兩個成形工序,其毛料大多是管件或拉深件?？s口是把沖壓件或管件的口部縮小,而脹形則是將毛料的某部分脹大。有時這兩個工序也在同一零件中出現(xiàn)。5.1.1縮口

縮口是將預先拉深好的圓筒形件或管件毛料通過縮口模具將其口部直徑縮小的一種成形工序。有時用它來代替拉深工序以加工某些零件,減少成形工序。如圖5－1所示的工件,原來采用拉深工藝在底部沖孔需要五道工序。改用管料縮口工藝后只要三道工序。圖5－1縮口零件

(a)工件;(b)縮口工藝縮口工序的變形特點如圖5－2所示。在變形區(qū)內的應力狀態(tài)是切向σθ和徑向σ?都為壓應力,而應變狀態(tài)則是厚度方向εt和徑向ε?為拉伸應變,切向εθ為壓縮應變。在縮口變形過程中,材料主要受切向壓應力,使直徑減小,壁厚增加。切向壓應力作用的結果,縮口時毛料便容易失穩(wěn)起皺。同時,在非變形區(qū)的筒壁,由于承受全部縮口壓力,也易失穩(wěn)產(chǎn)生變形。所以防止失穩(wěn)是縮口工藝的主要問題,因而縮口的極限變形程度也主要是受失穩(wěn)條件的限制。圖5－2縮口工序變形特點縮口變形程度用縮口系數(shù)m表示:(5－1)式中:d——縮口后的直徑;

D——縮口前的直徑。極限縮口系數(shù)的大小主要與材料種類、厚度、模具形式和毛料表面質量有關?？s口模具的支承形式一般有三種:第一種是無支承,這種模具結構簡單,但穩(wěn)定性差;第二種是外支承,如圖5－3(a)所示,這種模具結構較前者復雜,但縮口過程中毛料穩(wěn)定性較好,許可縮口系數(shù)也可取小些;第三種為內外支承形式,如圖5－3(b)所示,這種模具結構在三種形式中最為復雜,但穩(wěn)定性也最好,許可縮口系數(shù)也是三者中最小的。圖5－3縮口模具的支承形式當工件需要進行多次縮口時,其中各次縮口系數(shù)可參考下面公式:

首次縮口系數(shù)

m1=0.9

m0m2=(1.05

~

1.10)m0再次縮口系數(shù)式中:m0——平均縮口系數(shù),參看表5－1。

縮口次數(shù)可按下式確定:(5－2)

縮口后,工件端部壁厚略為變大,一般可忽略不計。精確時可計算如下:設備縮口前的厚度為tn-1,縮口后的厚度為tn,則縮口后,工件高度有變化?？s口毛料高度H按式(5－4)~式(5－6)計算。式中符號參看圖5－4。圖5－4縮口工件的尺寸圖(a)型式:(5－4)圖(b)型式:(5－5)圖(c)型式:(5－6)縮口凹模的半錐角α對縮口成形過程有重要作用,一般使α＜45°,最好使α在30°以下。當模具有合理的半錐角α時,允許的極限縮口系數(shù)m可以比平均縮口系數(shù)m0小10%~15%?？s口后,由于回彈,工件尺寸要比模具增大0.5%~0.8%。

圖5－5是一種縮口模原理圖?？s口時工件由下模的夾緊器夾住。夾緊器的夾緊動作由上模帶錐度的套筒實現(xiàn)。凹模裝在上模,通過凹模錐角的作用使工件逐步形成。圖5－5縮口模原理圖

縮口凹模的半錐角α對縮口成形過程有重要作用,一般使α＜45°,最好使α在30°以下。當模具有合理的半錐角α時,允許的極限縮口系數(shù)m可以比平均縮口系數(shù)m0小10%~15%。縮口后,由于回彈,工件尺寸要比模具增大0.5%~0.8%。

圖5－5是一種縮口模原理圖?？s口時工件由下模的夾緊器夾住。夾緊器的夾緊動作由上模帶錐度的套筒實現(xiàn)。凹模裝在上模,通過凹模錐角的作用使工件逐步形成。5.1.2脹形

脹形是通過模具使空心件或管狀毛料向外擴張,脹出所需的凸起曲面。

脹形可以采用不同的方法來實現(xiàn),一般有機械脹形、橡皮脹形和液壓脹形三種。機械脹形是利用分塊的凸模,由錐形心塊將其頂開,以使毛料脹出所需形狀,如圖5－6所示。

橡皮脹形(圖5－7)是以聚氨酯橡膠作為凸模,在壓力作用下聚氨酯橡膠(80A)變形而使工件沿凹模脹出所需的形狀。

圖5－8所示的是液壓脹形的一種。工作前先在毛料內灌注液體,當壓床外滑塊下行時先把工件的口邊壓住,然后內滑塊下行,通過橡皮墊使液體產(chǎn)生高壓將毛料脹壓成形。圖5－6機械脹形圖5－7聚氨酯橡膠脹形圖5－8液壓脹形脹形的變形特點主要是材料受切向和母線方向拉伸。脹形的變形程度受材料的極限延伸率限制,常以脹形系數(shù)k表示脹形變形程度。(5－7)式中:dmax——脹形后的最大直徑;

d0——毛料原始直徑。脹形系數(shù)k和毛料延伸率ε的關系為或k=1+ε

(5－8)脹形毛料的計算如下(圖5－9):毛料直徑(5－9)毛料長度L0=L[1+(0.3~0.4)ε]+b

(5－10)式中:L——零件的母線長度;

ε——工件切向最大延伸率;

b——切邊留量,一般b=10~20mm。系數(shù)0.3~0.4為因切向伸長而引起高度縮小所需的留量。圖5－9脹形零件尺寸綜上所述,縮口和脹形工序有以下特點:

(1)縮口變形時工件主要是受切向壓應力,而脹形時工件則主要是受切向拉應力;

(2)縮口成形中主要是防止工件失穩(wěn)起皺,而脹形時則主要是防止毛料受拉而脹裂;

(3)縮口變形程度和脹形變形程度都采用變形前后工件的直徑比來表示,即其區(qū)別在于:脹形變形程度k＞1,縮口變形程度m＜1。 5.2翻邊與局部成形

5.2.1翻邊

翻邊是將工件的孔邊緣或外邊緣在模具的作用下翻出豎立或一定角度的直邊。

翻邊是沖壓生產(chǎn)中常用的工序之一。根據(jù)制件邊緣的性質和應力狀態(tài)的不同,翻邊可分為內孔翻邊和外緣翻邊(見圖5－10)。外緣翻邊又可分為外凸的外緣翻邊和內凹的外緣翻邊。

1.內孔翻邊

1)內孔翻邊的變形特點和翻邊系數(shù)

內孔翻邊時,主要是材料沿切線方向產(chǎn)生拉深變形,愈接近口部,其變形愈大。因此,主要危險在于邊沿被拉裂。破裂的條件取決于變形程度的大小。變形程度以翻邊前孔徑d與翻邊后孔徑D的比值m來表示。(5－11)

m稱為翻邊系數(shù)。顯然,m值愈大,變形程度愈小;m值愈小,則變形程度愈大。翻邊時孔邊不破裂所能達到的最大變形程度即為許可的最小m值,稱為極限翻邊系數(shù)。極限翻邊系數(shù)與許多因素有關,主要有:

(1)材料的塑性:塑性好的工件,極限翻邊系數(shù)可以小些。

(2)孔的邊緣狀況:翻邊前孔邊表面質量高(無撕裂、無毛刺)時就有利于翻邊成形,極限翻邊系數(shù)可小些。因此,為了提高變形程度,有時采用先鉆孔再翻邊或整修沖孔邊緣后再翻邊的工藝。

(3)翻邊前的孔徑d和材料厚度t的比值d/t愈小,即相對材料厚度大時,在斷裂前材料的絕對伸長可以大些。因此,較厚材料的極限翻邊系數(shù)可以小些。

(4)凸模的形狀:球形(拋物線形或錐形)凸模較平底凸模對翻邊有利,因為前者在翻邊時孔邊是圓滑地逐漸脹開,所以極限翻邊系數(shù)可以小些。

(5)翻邊孔的形狀:內孔翻邊可分為圓孔翻邊和非圓孔翻邊,圖5－10中(a)為圓孔翻邊,圖5－11為非圓孔翻邊。如圖5－11所示的非圓孔翻邊時,從變形情況看,可以沿孔邊分成a、b、c三種性質不同的變形區(qū),其中只有c區(qū)屬于圓孔翻邊變形,b區(qū)為直邊,屬于彎曲變形,而a區(qū)和拉深變形情況相似。由于a區(qū)和b區(qū)非翻邊部分的變形性質可以減輕翻邊部分的變形程度,因此,非圓孔翻邊系數(shù)m′(一般指小圓弧c部分的翻邊系數(shù))可小于圓孔翻邊系數(shù)m,兩者的關系大致是:m′=(0.85

~

0.95)

m圖5－10翻邊示意圖

(a)內孔翻邊;(b)外緣翻邊圖5－11非圓孔內孔翻邊表5－3所列的是低碳鋼圓孔翻邊的極限翻邊系數(shù)。從表中的數(shù)值可以看出,翻邊的凸模型式、孔的加工方法以及材料的相對厚度對極限翻邊系數(shù)均有影響。對于其它材料,按其塑性情況,可參考表列數(shù)值適當增減。2)翻邊的工藝計算

進行翻邊的工藝計算時(見圖5－12),需要根據(jù)工件的尺寸D計算出預沖孔直徑d,并核算其翻邊高度H。當采用平板毛料不能直接翻邊出所要求的高度H時,則應預先拉深,然后在此拉深件的底部沖孔,再進行翻邊。有時也可以進行多次翻邊。由于翻邊時材料主要是切向拉伸,厚度變薄,而徑向變形不大,因此,在進行工藝計算時可以根據(jù)彎曲件中性層長度不變的原則近似地進行預沖孔孔徑大小的計算。實踐證明這種計算方法誤差不大。現(xiàn)分別就平板毛料翻邊和拉深后沖孔翻邊兩種情況進行討論。圖5－12翻邊工藝計算示意圖當在平板毛料上翻邊時,其預沖孔直徑d可按下式計算(見圖5－12):(5－12)式中符號均表示于圖5－12中。因為D1=D+2r+t,h=H–r-t以此代入式(5－12),并簡化之,則翻邊高度H的表達式如下:(5－13)或(5－14)由式(5－14)可見,當已知工件尺寸D、r、t時,只要翻邊系數(shù)m選定后,翻邊高度H也就相應確定了。根據(jù)式(5－14)還可以知道,在極限翻邊系數(shù)mmin時的許可最大翻邊高度Hmax為(5－15)

當工件要求高度H＞Hmax時,就難以一次直接翻邊成形,這時可以先拉深,再在拉深件底部沖孔翻邊。圖5－13拉深件底部沖孔翻邊工藝計算示意圖在拉深件底部沖孔翻邊時,應先決定翻邊所能達到的最大高度,然后根據(jù)翻邊高度及工件高度來確定拉深高度。由圖5－13可知,翻邊高度h為(5－16)若以極限翻邊系數(shù)mmin代入式(5－16),可求得翻邊的極限高度hmax為(5－17)此時,預沖孔直徑d應為d

＝mmin

D

或d=D+1.14r–2h

(5－18)于是,拉深高度h1,為h1=H-hmin+r+t

(5－19)式中:H——工件總高度;

D——翻邊后直徑(中徑)。

2.外緣翻邊

外緣翻邊如圖5－14所示。圖(a)為外凸的外緣翻邊,其變形情況近似于淺拉深,變形區(qū)主要為切向受壓,在變形過程中,材料容易起皺。圖(b)為內凹的外緣翻邊,其變形特點近似于內孔翻邊,變形區(qū)為切向拉伸,邊緣容易拉裂。圖5－14外緣翻邊示意圖

(a)外凸的外緣翻邊;(b)內凹的外緣翻邊外緣翻邊的變形程度可用下式表示:(5－20)(5－21)式(5－20)適用于外凸的外緣翻邊,式(5－21)適用于內凹的外緣翻邊。

3.翻邊模

圖5－15為典型的內孔翻邊模,其結構與拉深模相似,但需注意以下幾點:

(1)翻邊模凸模圓角半徑一般做得較大,有的做成球形或拋物線形的頭部,以利于翻邊時金屬的流動。

(2)凹模圓角半徑取為工件的圓角半徑。

(3)模具間隙小于材料厚度,一般取單邊間隙Z=0.85t。圖5－15翻邊模5.2.2局部成形

局部成形時,在局部區(qū)域內材料兩向受拉、厚度變薄,從而形成要求的局部形狀。根據(jù)工件的要求,局部成形可以壓出各種形狀,生產(chǎn)中常見的有壓筋、壓棱、壓包、壓字、壓花等。經(jīng)過局部成形后的工件,特別是生產(chǎn)中廣泛應用的壓筋成形,由于壓筋后工件慣性矩的改變和材料加工硬化的作用,能夠有效地提高工件的剛度和強度。

在局部成形過程中,由于材料主要是承受拉應力,當變形量太大時,可能產(chǎn)生裂紋。對于一般比較簡單的局部成形工件,可以近似地根據(jù)下式確定其極限變形程度:(5－22)式中:δn——局部成形時極限變形程度;

δ——材料單向拉伸的延伸率;

l0、l1——工件變形前后的長度(見圖5－16)。系數(shù)0.7~0.75視局部成形的形狀而定,球形筋取大值,梯形筋取小值。圖5－16局部成形零件表5－5和表5－6分別列出了加強筋的形式和尺寸,以及加強筋間距和加強筋與工件邊緣之間距離的數(shù)值,可供參考。局部成形的筋與邊框的距離如果小于(3~3.5)t時,由于成形過程中邊緣材料要往內收縮,成形后需增加切邊工序,因此,應預先留出切邊余量。

綜上所述,除外凸的外緣翻邊外,翻邊和局部成形有以下共同的特點:

(1)翻邊和局部成形時,材料主要是受拉而變形,因此,在變形部位及其附近處的材料主要是受拉應力,其變形是拉伸變形,厚度變薄。

(2)由于材料主要是受拉變形,因此,其破壞特點主要是拉裂。

(3)翻邊和局部成形的極限變形程度都和工件所用材料的延伸率有關。延伸率大的材料,其極限變形程度越大。

5.3校平與整形

1.校平與整形工藝特點

校平與整形允許的變形量都很小,因此必須使沖件的形狀和尺寸相當接近制件。校平與整形后制件精度高,因而模具成形部分的精度也相應地提高。

校平與整形時,應使沖件內的應力、應變狀態(tài)有利于減少卸載過程中由于材料的彈性變形而引起制件形狀和尺寸的彈性恢復。在各種不同整形工藝中,由于制件的形狀尺寸要求不同,沖件所處的應力狀態(tài)和產(chǎn)生的變形都不一樣,所以要比一般成形過程復雜得多。

由于校平與整形需要在曲軸壓力機下死點進行,因此,對所使用設備的剛度、精度要求高,通常在專用的精壓機上進行。若采用普通的壓力機,則必須設有過載保護裝置,以防損壞設備。

2.校平

校平多用于沖裁件,消除其穹彎造成的不平。表面不允許有壓痕的制件,一般用光面校平模(見圖5－17)。對較厚制件常采用齒形校平模(見圖5－18)。圖5－17通用光面校平模

(a)浮動上模;(b)浮動下模圖5－18校平模齒形

(a)尖齒齒形;(b)平頂齒形

3.整形

整形一般用于彎曲、拉深成形工序之后。整形模與一般成形模具相似,只是工作部分的定形尺寸精度高,粗糙度Ra值要求更低,圓角半徑和間隙值都較小。

整形時,必須根據(jù)制件形狀的特點和精度要求,正確地選定產(chǎn)生塑性變形的部位、變形的大小和恰當?shù)膽顟B(tài)。

4.校平、整形力的計算

用模具校平與整形時的壓力,主要取決于材料的力學性能、板料厚度等因素。校平、整形力P可按下式計算:P=F

p

(5－23)式中:p——單位壓力(MPa),見表5－7;

F——校平、整形面積(mm2)。 5.4旋壓與強力旋壓

旋壓也稱趕形,廣泛地應用于日用搪瓷和鋁制品等部門生產(chǎn)中。早在10世紀初,就由我國勞動人民所發(fā)明,14世紀后傳入歐洲,1840年才傳入美國。近年來,隨著航空工業(yè)和火箭、導彈生產(chǎn)的發(fā)展,在普通旋壓工藝的基礎上,又發(fā)展了強力旋壓工藝。強力旋壓又稱旋薄。

5.4.1旋壓

旋壓是將毛料固定在旋壓機的模胎上,使毛料隨同旋壓機的主軸旋轉,同時操作搟棒,使搟棒加壓于毛料,毛料便逐漸緊貼模胎,從而獲得所要求的形狀和尺寸的制件。用旋壓方法可以完成各種形狀旋轉體的拉深、翻邊、縮口、脹形和卷邊等工序。旋壓是一種比較通用的加工方法。旋壓加工的優(yōu)點是設備和工具都比較簡單(沒有專用的旋壓機時可以用車床代替),但可加工相當復雜形狀的旋轉體零件;缺點是生產(chǎn)率較低,勞動強度較大,因而比較適用于試制和小批量生產(chǎn)。

圖5－19是圓筒形件旋壓過程示意圖。從圖中可以看出,頂塊3把毛料壓緊在模胎2上,隨同主軸一起旋轉,再由手工操作搟棒5,使搟棒加壓于毛料上反復趕輾,由點到線,由線及面,使毛料逐漸緊貼于模胎上而成形。圖5－19圓筒形件旋壓過程示意圖在平板毛料通過旋壓加工成為圓筒形制件的過程中,主要是切向受壓,徑向受拉,但其變形過程和普通的沖模拉深并不一樣。旋壓時搟棒與毛料之間基本上是點接觸。毛料在搟棒的作用下,產(chǎn)生兩種變形:一種是搟棒直接接觸的材料產(chǎn)生局部塑性變形;另一種是毛料沿著搟棒加壓的方向倒伏。在操作過程中控制搟棒很重要,如操作不當,則會引起材料失穩(wěn)起皺、振動或撕裂。

旋壓時,恰當?shù)剡x擇合理的主軸轉速、變形的過渡形狀以及搟棒旋壓力的大小是關系到旋壓質量的重要問題。搟棒施加壓力于毛料的大小,一般憑經(jīng)驗,加壓不能太大,否則易于起皺。同時,搟棒著力點必須逐漸轉移,使毛料均勻延伸變形。

旋壓成形的變形程度以旋壓系數(shù)m表示:(5－24)式中:D——毛料直徑(mm);

d——制件直徑(制件若是錐形件,則d為圓錐最小直徑)(mm)。圓筒形件的極限旋壓系數(shù)可取:m=0.6~0.8當相對厚度(t/D)×100=0.5時m取大值,(t/D)×100=2.5時m取小值。圓錐形件的極限旋壓系數(shù)可取:

m=0.2~0.3制件需要的變形程度比較大時,便需要多次旋壓。多次旋壓是由連續(xù)幾道工序在不同的模胎上進行的,并且都以錐形過渡。由于加工硬化,多次旋壓時必須進行中間退火。旋壓毛料的直徑D可以參照拉深件計算毛料直徑的方法求得。由于旋壓時材料的變薄比拉深大,因此,實用時應將計算值減少5％~7％。5.4.2強力旋壓

強力旋壓也稱旋薄。

強力旋壓是在普通旋壓的基礎上發(fā)展起來的,在航空工業(yè)、導彈制造和其他一些軍用和民用工業(yè)中得到應用。圖5－20所示便是一些用強力旋壓加工成的零件。這些火箭、導彈和飛機上的零件,原先采用機械加工或用板料彎曲、焊接再成形等方法加工,其質量和成本都不及用強力旋壓好。圖5－20強力旋壓加工成的零件強力旋壓的加工過程如圖5－21所示。旋壓機的尾架頂塊3把毛料2緊壓于芯模1的頂端,芯模、毛料和頂塊隨同旋壓機的主軸一起旋轉。旋輪5靠模板沿一定軌跡移動,旋輪移動時與芯模保持一定間隙,旋輪加壓于毛料。毛料在旋輪壓力作用下,按主模形狀逐漸成形,并使毛料厚度產(chǎn)生預定的變薄而加工成所需的制件。圖5－21強力旋壓加工過程示意圖強力旋壓的主要特點是:

(1)與普通旋壓相比,強力旋壓在加工過程中毛料凸緣不產(chǎn)生收縮變形,因此沒有凸緣起皺的問題,也不太受毛料相對厚度的限制。普通旋壓通常限于加工有色金屬零件和變形程度較小的鋼零件,而強力旋壓則可不受此限制,可以一次旋壓出相對深度較大的零件。

(2)與冷擠壓相比較,強力旋壓是用局部變形逐步擴展的辦法,因此所需變形力較冷擠壓小。某些用冷擠壓加工困難的材料,用強力旋壓也可加工。

(3)經(jīng)強力旋壓后,材料晶粒緊密細化,強度提高,表面質量也比較好。

(4)強力旋壓一般要使用專門的強力旋壓機,設備的剛度要求比較高,所需功率也比較大。采用強力旋壓不只對制件形狀有一定的限制,而且對制件批量的大小也應具體進行經(jīng)濟分析。如果制件批量大,用冷擠壓或其它沖壓方法也能加工時,則以不用強力旋壓更為經(jīng)濟合理。如果制件批量不大或者用其它方法加工困難時,則用強力旋壓就合理了。當然,如果制件數(shù)量很小,由于需要加工某些專用工具,用強力旋壓時制件成本也會增加。

在強力旋壓的變形過程中,毛料外徑保持不變,這是強力旋壓的一個變形特點。如圖5－21所示,在變形過程中制件凸緣直徑和毛料的外徑基本相等。變形過程中制件表面積的增加只是通過材料的變薄來實現(xiàn)的。 5.5冷擠壓

5.5.1冷擠壓類型

根據(jù)冷擠壓時金屬流動方向與凸模運動方向間的關系,可將常用的冷擠壓方法分為正擠壓、反擠壓和復合擠壓三種(見圖5－22)。圖5－22冷擠壓方法

(a)、(b)正擠壓;(c)反擠壓;(d)復合擠壓

1.正擠壓

正擠壓時,金屬的流動方向與凸模運動的方向相同。圖5－22(a)為正擠壓實心零件的情形。將經(jīng)過處理的毛料放在凹模內,凸模擠壓毛料,強迫金屬從凹模上與工件尺寸相當?shù)牡卓字辛鞒?從而獲得所需工件。

圖5－22(b)為正擠壓空心件的情形。先將杯形毛料置于凹模內,凹模底部有一與工件外形尺寸相當?shù)目?凸模由凸模本體與芯軸兩部分組成,芯軸直徑與工件內徑相等,芯軸與凹模底孔之間在半徑方向上的間隙等于工件壁厚,這樣,凸模往下擠壓,即可獲得空心工件。

2.反擠壓

反擠壓時,金屬的流動方向與凸模運動的方向相反,如圖5－22(c)所示。其加工過程是:先將扁平毛料置于凹模內,凸模與凹模之間的間隙等于工件壁厚,凸模向下加壓,金屬便在凸模和凹模之間的間隙內向上流動,形成空心工件。

3.復合擠壓

復合擠壓時,金屬向凸模運動的方向及相反的方向同時流動,如圖5－22(d)所示。5.5.2冷擠壓的優(yōu)越性

冷擠壓的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下三個方面。

1.節(jié)約原材料,提高生產(chǎn)效率

冷擠壓是少無切削加工工藝,與切削加工相比,其節(jié)約原材料的優(yōu)越性是顯而易見的。冷擠壓是在壓力機簡單的往復運動中生產(chǎn)零件,其生產(chǎn)效率很高。

2.提高零件的機械性能

在冷擠壓過程中,金屬處于三向受壓應力狀態(tài),變形后材料的組織致密,又有連續(xù)的纖維流向,變形中的加工硬化也使材料的強度增加。因此,冷擠壓零件與切削加工的零件相比,其機械性能大大提高。

3.提高零件的精度,降低表面粗糙度

冷擠壓零件的精度可達IT8~IT9級,有色金屬冷擠壓零件的表面粗糙度可達Ra=1.6~0.4μm。因此,有的冷擠壓件無需切削加工。

綜上所述,冷擠壓是一種高產(chǎn)、優(yōu)質、少消耗的先進加工工藝,在我國各工業(yè)部門中得到了廣泛的應用和飛速的發(fā)展。5.5.3冷擠壓的變形程度

1.變形程度的表示方法

變形程度的表示方法最常用的有兩種:斷面縮減率和擠壓比。

(1)斷面縮減率:(5－25)式中:ψ——冷擠壓的斷面縮減率;

F0——冷擠壓變形前毛料的橫截面積;

F1——冷擠壓變形后工件的橫截面積。

(2)擠壓比:(5－26)式中:G——擠壓比;

F0——冷擠壓變形前毛料的橫截面積;

F1——冷擠壓變形后工件的橫截面積。

ψ與G之間存在如下關系:(5－27)

2.許用變形程度

冷擠壓的變形程度越大,擠壓的變形抗力也就越大,它會引起凸模、凹模等模具零件的破裂。冷擠壓的許用變形程度是指在目前模具強度條件下(目前一般模具材料的許用應力為2500~3000N/mm2),可以采用的每次冷擠壓的變形程度。從提高生產(chǎn)率的角度來說,冷擠壓的許用變形程度值越大越好,使得零件能一次成形。但太大的變形程度勢必產(chǎn)生過大的變形抗力,使得模具壽命降低甚至損壞。因此,在冷擠壓生產(chǎn)中,必須選擇合適的變形程度,使得在保證模具具有一定使用壽命的條件下盡量減少冷擠壓工序。冷擠壓的許用變形程度取決于下列各方面的因素:

(1)可擠壓材料的機械性能。材料越硬,許用變形程度就越小。

(2)模具強度。模具鋼材好,模具制造中冷、熱加工工藝合理,模具結構較合理,這樣的模具強度就高,許用變形程度可以大一些。

(3)冷擠壓的變形方式。在變形程度相同的條件下,反擠壓的力大于正擠壓的力。反擠壓的許用變形程度比正擠壓的應該小些。

(4)毛料表面處理與潤滑。毛料表面處理越好,潤滑越好,許用變形程度也就大些。

(5)冷擠壓模具的幾何形狀。冷擠壓模具工作部分的幾何形狀對金屬的流動有很大影響。形狀合理時,有利于擠壓時的金屬流動,單位擠壓力降低,許用變形程度可以大些。表5－8有色金屬一次擠壓的許用變形程度5.5.4冷擠壓的主要技術問題

在冷擠壓變形過程中,被擠壓材料處于三向受壓應力狀態(tài),其變形抗力大大增加,所需的擠壓力很大,較之一般板料沖壓成形的力要大得多。因此,冷擠壓時材料的變形力與模具所能承受載荷的能力之間的矛盾是十分突出的,這是冷擠壓技術問題的關鍵所在。要解決這一問題,必須從以下幾方面著手。

(1)選用適合于冷擠壓的材料,要求材料具有一定的塑性、較低的強度和較低的加工硬化敏感性。

(2)正確選用冷擠壓的變形程度,避免因變形程度過大而使擠壓力增大,導致模具損壞。

(3)要使變形的金屬材料強度盡可能低,一般要對擠壓毛料進行軟化退火處理。

(4)要采用表面處理與潤滑,使變形毛料與模具間有一潤滑層,避免變形毛料與模具直接接觸,以降低摩擦阻力、變形力和減少模具磨損。

(5)正確設計與制造冷擠壓模具,合理選擇冷擠壓模具材料,合理確定模具的冷、熱加工工藝。

(6)選用合適的設備,要求設備具有良好的剛性和良好的導向性能。5.5.5溫熱擠壓

1.溫擠的優(yōu)點與存在的問題

溫熱擠壓(簡稱溫擠)是在冷擠壓基礎上發(fā)展起來的一項新工藝。由前已知,冷擠壓是無切削、少切削的加工方法之一。溫熱擠壓有很多優(yōu)點:節(jié)約原材料、生產(chǎn)率高、產(chǎn)品強度大,而且產(chǎn)品的公差等級與光潔度高。但是冷擠壓的變形力相當大。金屬變形抗力大,就限制了零件的尺寸,同時也限制了難變形材料采用冷擠壓這項工藝。當變形抗力大到超過模具材料的允許強度時,就造成模具破壞。此外,由于變形抗力大,就需要大噸位的壓力機。

擠壓成形法一般將毛料加熱至熱鍛溫度,雖然可使材料變形抗力降低,但是加熱產(chǎn)生氧化、脫碳及熱膨脹等問題,降低了產(chǎn)品的尺寸公差等級和表面質量,因而一般都需要經(jīng)過大量的切削加工,才能得到最后的成品。溫擠的溫度一般是在再結晶溫度以下或者是在一般熱壓力加工溫度以下。由于金屬被加熱,毛料的變形抗力比冷擠時要小,成形比冷擠時容易,壓力機的噸位也可以降低,而且如果控制合適,模具的壽命也比冷擠時要高。與熱擠壓不同,因為在較低溫度范圍內加熱,氧化、脫碳的可能性小或大大減輕,產(chǎn)品的尺寸公差等級與光潔度較高,產(chǎn)品的機械性能也比退火材料要高。如在低溫范圍內溫擠,產(chǎn)品的機械性能與冷擠壓的產(chǎn)品差別不大。特別是在室溫下難加工的材料,例如,析出硬化相的不銹鋼和中、高碳素鋼、含鉻量高的一些鋼、高溫合金、鈦及鈦合金等,在加溫時,可能變得可以加工或容易加工,甚至對合金工具鋼和高速工具鋼也可以進行一定變形程度的溫擠變形。溫擠不僅適用于變形抗力高、加工困難的材料,就是對于冷擠壓適宜的低碳鋼,也適合作為溫擠的對象。因為溫擠在較高溫度范圍內進行時(例如鋼在650~800℃溫擠時),有一個很大的優(yōu)點是便于組織連續(xù)生產(chǎn)。在冷擠壓時,包括擠壓低碳鋼在內,一般在加工前要進行預先軟化退火,在各道冷擠壓工序之間也要進行退火。在冷擠壓鋼以前要進行磷酸鹽處理(對不銹鋼是草酸鹽處理)。這就使組織連續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)生困難。在較高溫度(650~800℃)范圍內進行溫擠時可以不進行預先軟化退火和各工序之間的退火,也可以不進行表面磷酸鹽處理,這就使得組織連續(xù)生產(chǎn)成為可能,至少可以減少許多輔助工序(如磷酸鹽處理、退火等)。溫擠可以采用大的變形量,這樣就可以減少工序數(shù)目。模具費用也可以大為減少,而且不一定需要剛性極高的高價專用冷擠壓機,可以采用通用壓力機。所以，雖然溫擠需要加熱金屬,但是總的加工費用還是比較便宜。特別是在制造工序復雜的非軸對稱的異形零件時,溫擠尤可發(fā)揮它的作用。

當然,溫擠與冷擠相比,需要加熱設備,產(chǎn)品尺寸公差等級與表面光潔度雖與冷擠壓較接近,但總不免稍差一些,勞動條件由于毛料加熱也較冷擠時為差。所以溫擠雖有一系列優(yōu)點,但一般說來,在下列三種情況下采用溫擠是比較適宜的。

(1)對于高合金鋼、高強度材料,用冷擠壓進行大變形加工有困難時。

(2)對于一般材料,用于冷擠壓而壓力機噸位不夠時。

(3)打算組織連續(xù)生產(chǎn)時。對可熱處理強化鋁合金的溫熱擠壓研究結果表明:LY12和LC4等可熱處理強化鋁合金,是很適宜于溫熱擠壓的結構材料。采用溫熱擠壓,可以克服這一類材料室溫下塑性差、容易引起產(chǎn)品表面出現(xiàn)裂紋的缺點,同時可以降低變形抗力。400℃以上擠壓LY12和LC4后,產(chǎn)品機械性能接近或超過原材料淬火時效狀態(tài)的機械性能。這是因為在300℃以上,隨擠壓溫度升高,合金元素溶入基體更多,變形后的空冷使合金保持部分甚至大部淬火效應,隨后在室溫下自然時效而使強度提高。同時,還保留部分加工硬化效應,因此強度可能達到甚至超過淬火時效狀態(tài)的水平。這一結論具有現(xiàn)實的經(jīng)濟意義。

2.溫擠壓力的計算

圖5－23是鋼的溫擠壓力計算圖表。圖中虛線上的箭頭表明了查圖的方法。例如,當加工溫度為[WTBZ]650℃擠壓35鋼時,可沿圖中550℃向上虛線交到35鋼的曲線上,然后箭頭向左標到正擠壓斷面縮減率80％曲線上的一點,這一點在水平軸上的投影數(shù)據(jù)為1900MPa,這就是35鋼在550℃作80％正擠壓變形時的單位擠壓力(最大凹模壓力)。如果是反擠壓,則箭頭向右標去,同樣可查到某一斷面縮減率時的單位擠壓力(最大凸模壓力)數(shù)據(jù)。圖中斷面縮減率40％與60％的曲線相當接近,說明在60％以下,斷面縮減率大小對單位擠壓力的影響不太顯著。圖中的中部曲線是各種材料的平均變形抗力曲線。采用的鋼種共計12種,其它鋼種的變形抗力,可以和這12種鋼種比較近似地推斷出來。

試驗所用正擠凹模錐角為120°,反擠凸模錐角為176°(無平底部分)。試驗所用毛料,除GCr15是經(jīng)球化退火的以外,其余毛料均是熱軋材料。試驗在曲柄壓力機上進行。模具在60~100℃預熱。潤滑劑使用以油為介質的石墨膠質溶液,涂刷在模具上。加工溫度在600℃以下者,毛料作磷酸鹽表面處理。在600℃以上者,毛料不作預先表面處理。圖5－23鋼溫熱正擠和反擠時最大凹模壓力

與最大凸模壓力的計算圖表關于正擠關于反擠目前溫擠用的潤滑劑還不像冷擠壓時用的潤滑劑那樣成熟,由于溫擠這種加工的特點,對潤滑劑有下列要求;

(1)可耐2000MPa以上的高壓;

(2)能覆蓋擠壓時形成的大片新生表面;

(3)盡量保持低的摩擦系數(shù);

(4)適合大約800℃以下的溫熱溫度范圍,要求在這一溫度范圍內性能不產(chǎn)生變化,就是說能保持穩(wěn)定性;

(5)在溫熱溫度范圍內,有足夠的粘度和附著性能;

(6)在溫擠時能防止金屬質點粘附到模具上去的現(xiàn)象(簡稱粘?；蛘掣浆F(xiàn)象)。對在各種溫度下溫擠各種材料時的潤滑劑可作如下選擇:

(1)在450℃以下室溫以上溫擠碳鋼和合金結構鋼時可用石墨或二硫化鉬(用水或油調和),擠壓前毛料應作磷酸鹽表面處理;

(2)在400~800℃范圍內溫擠碳鋼、合金結構鋼、模具鋼、高速工具鋼等時可以采用石墨油劑或水劑,但在600℃以下擠壓時,擠前毛料應作磷酸鹽處理;

(3)在350℃以下溫擠不銹鋼(如1Cr18Ni9Ti)和高溫合金(如GH140)時,可以與冷擠它們時一樣,毛料采用草酸鹽表面處理后使用氯化石蠟85％加二硫化鉬15％作為潤滑劑;

(4)在溫擠有色金屬時,可以采用石墨或者鋁金屬粉(用油調和)。 5.6硬質合金沖模

1.模架選擇

上、下模板宜采用45鋼,調質處理,25~30HRC,也可采用Q235A,但不宜采用灰鑄鐵。

導向裝置應采用滾珠式導柱導套,以提高導向精度。

模柄應采用浮動式模柄。

2.凸、凹模緊固型式

常見的凸、凹模緊固型式有機械固定和熱套固定。

機械固定型式如圖5－24所示,該法固定時牢固可靠,且不易產(chǎn)生內應力,但配合面的精度要求較高。

熱套固定如圖5－25所示,由于鋼的線膨脹系數(shù)比硬質合金大,故裝拆都較方便,過盈量一般取直徑的0.6%~1%,加熱溫度500~600℃,易產(chǎn)生內應力。圖5－24凸、凹模的機械固定圖5－25凸、凹模的熱套固定

3.彈壓卸料板設計

彈壓卸料板應有可靠導向,避免對刃口的沖擊,模具閉合時卸料板與硬質合金凹模平面間的間距應超過板料最大厚度0.05mm,如圖5－26所示。卸料板材料可用T10A(42~46HRC)。圖5－26彈壓卸料板與凹模平面間的間距

4.墊板設計

為提高硬質合金凹模剛度,防止碎裂,在凹模底面應加淬硬的厚墊板,材料可用T10A,56~60HRC,厚度不小于一般鋼制沖模墊板的1.2~1.25倍。

5.模具刃口受力均勻

硬質合金沖裁模設計時,應防止單邊沖裁,避免刃口崩裂。

6.沖壓設備的選擇

硬質合金模適用于大批量的生產(chǎn),因此以采用快速沖床為宜,并配備自動送料裝置。 5.7多工位級進模

多工位級進模在電子、儀表、機械行業(yè)已獲得廣泛的應用。它已成為當今在技術水平上有代表性的重要模具。

5.7.1概述

1.多工位級進模的含義

多工位級進模是將沖壓件加工分為若干等距工位,在每個工位上設置一定的沖壓工序或空位,條料在送進機構控制下,連續(xù)完成沖裁、彎曲、拉深、成形等加工。其中以沖裁、彎曲、拉深為主的多工位級進模為基本形式。工位數(shù)可由幾個工位至幾十個工位,如有的工位數(shù)多達55個。

2.多工位級進模的特點

多工位級進模適用于小型金屬件的大批量生產(chǎn);連續(xù)完成多道工序,生產(chǎn)效率高;操作時手不需進入危險區(qū),操作安全;自動送料,自動出件,易于實現(xiàn)沖壓自動化;可將復雜形狀分解為簡單形狀的分步?jīng)_裁,不必集中在一個工位,因而模具強度較高,壽命較長;模具結構復雜,加工精度要求高,制造難度大,在使用過程中必須有具備一定技術水平的維修工人和維修設備。

3.多工位級進模的發(fā)展趨勢

多工位級進模的設計和制造技術已有了很大發(fā)展。在先進工業(yè)國家已廣泛采用了模具的計算機輔助設計和輔助制造(CAD/CAM),從而大大提高了模具設計和制造水平,縮短了設計制造周期。沖壓速度,帶彎曲工序的多工位級進模已達500~600次/分,純沖裁加工的多工位級進模已超過1000次/分,對于一般沖件約為200次/分。零件制造精度及步距精度達到μm級,且提出向零公差靠近的口號。模具壽命已達3億次。目前,我國多工位級進模的設計與制造水平已有很大提高,縮短了與世界先進工業(yè)國家在模具領域的差距。多工位級進模正向高精度、高效率、長壽命的方面發(fā)展。5.7.2多工位級進模的設計要點

1.工藝分析

任何一個沖壓件在考慮采用多工位級進模進行沖壓生產(chǎn)時,首先應對該零件進行全面的工藝分析。要求沖壓件的產(chǎn)量、批量足夠大,能夠穩(wěn)定、持久地生產(chǎn)。要有質量穩(wěn)定的帶料供應。零件的尺寸精度、加工難點用多工位級進模能夠完成完整的加工,滿足質量要求。

2.進行必要的工藝計算,畫出沖壓件展開圖

以產(chǎn)品零件圖為依據(jù),進行必要的工藝計算,如彎曲成形的展開尺寸計算,拉深成形的毛料尺寸計算等。必要時還應制作簡易模具予以驗證、修改,再畫出展開圖。展開圖的作用:決定模具步距,即步距為展開尺寸的最寬處尺寸加上一定搭邊量(0.2~2.2mm);決定凸模上的各部分尺寸;推導模具各零件的部分尺寸。

3.精心設計排樣圖

排樣圖是設計多工位級進模的重要依據(jù)。要設計出多種方案,加以分析、比較,采用最佳排樣方案。

在設計排樣圖工位時應注意以下幾點:

(1)為了準確排樣,可先制作一個沖壓件展開圖,初步確定各道工位的先后順序及沖壓終了成形零件留在載體上的方法和出模形式。

(2)盡量避免采用復雜形狀的凸、凹模,寧可增加一個工位,以簡化凸、凹模結構。

(3)零件若有彎曲,在彎曲前應將彎曲部分周圍的余料分段逐次沖裁后,才能進行彎曲成形。對彎曲要求高時應加整形工序。

(4)對于有嚴格相對位置要求的局部內、外形,應盡可能安排在同一工位沖出,以保證其位置精度。

(5)靠近彎邊的孔,應先彎曲后沖孔,防止彎曲時孔發(fā)生變形。

(6)為避免應力集中,提高凹模、凸模的強度及沖壓工藝的需要,要適當設置空位。

(7)為了保證條料送進的步距精度,必須設置導正銷。第一工位沖導正孔,第二工位開始導正。導正孔盡可能設置在廢料上,這樣可用較大的導正銷。

(8)對于沖裁周界較大的部分,應盡可能安排在中間位置,使壓力中心與模具中心盡可能重合或接近。

(9)應使條料的纖維方向與工件的彎曲線相垂直。由于條料是采用自動送料,因此,應按條料纖維方向來確定工件的排樣。

(10)由于多數(shù)多工位級進模在沖壓過程中工件與條料始終連在一起,到最后一個工位才將工件與條料分離。因此,為保證工件與條料有足夠的連接強度,常在排樣中加大中間搭邊或側搭邊。

4.模具結構設計

在排樣方案確定之后,可以進行模具結構設計。多工位級進模結構由凹模組件、凸模組件、導正銷、卸料板、模架、導料裝置等組成。

1)凹模組件

確定凹模周界,計算壓力中心。凹模多采用高速鋼或鋼結硬質合金制造,凹模比較大,為節(jié)約昂貴合金材料,便于加工、維修和互換,多采用鑲拼式凹模。鑲件用方套、楔鐵緊固,用螺釘固定到墊板上。根據(jù)沖壓設備及送料高度確定下模高度及模具的閉合高度。

2)凸模組件

凸模多用高速鋼或鋼結硬質合金制成,小凸模硬度高,脆性大,易于折斷,還要適于高速沖裁,因而采用導向塊導正。為保證凸模通過孔中心與凹?？字行某叽缦嘁恢?使導向塊與凸模的工作間隙小于模具的沖裁間隙,防止凸模與凹模刃口相碰。凸模及其固定板盡可能從上模板下面分塊式固定、拆卸。這樣,當某個凸模折斷時,不必把整副沖模拆離壓力機,而僅需把損壞部分取下,換上備用凸模即可恢復沖壓。單面受力的凸模要有擋塊,只有在擋塊擋住凸模時才能進行沖壓。必要時,凸模要有防止廢料跟上來的措施:如用彈簧頂料銷,凸模端面中間挖空和沖孔凸模端面制成錐形等。

3)導正銷

為了保證條料送進的步距精度,必須設置導正銷。導正銷對連續(xù)工步引起的誤差偏移有自動修正作用。在多個工位合理設置導正銷,零件落料時,凸模上也可安裝導正銷。導正銷尺寸要穩(wěn)定,用耐磨材料制作。導正銷直徑取d≥4t(帶厚)。

4)卸料板

卸料板在多工位級進模中不僅卸料,還起導正凸模、壓平材料的作用。卸料板常由模架導柱或小導柱導向。如果需要在行程下限壓平條料或壓平連續(xù)拉深的凸緣,則卸料板必須與各固定板及上模座(或板)同時保持接觸。

5)模架

模架由模座(或板)、導柱、導套和滾珠架等組成。模座用碳素鋼制作,厚度較厚,用四根導柱和導套聯(lián)接。導柱、導套和滾珠之間應保持適度的過盈量(0.01~0.02mm)來保證導向精度。通常還配有滑動或滾動小導柱、小導套導向,以保持卸料板的運動平穩(wěn)性。

6)其它

導料裝置,浮料裝置和安全檢測裝置等的設計。

5.設計后的審查

多工位級進模設計、制造難度大,成本高,應把問題發(fā)現(xiàn)在設計階段,這樣修改容易,損失小。若在加工完成后發(fā)現(xiàn)設計問題,更改極為困難,甚至導致整套模具的報廢,損失巨大。因此,設計之后,必須進行認真的審查。一般簡單的多工位級進模由專人審查即可。對于結構復雜、精密的多工位級進模則要組織有關人員進行設計質量評審,對其結構的可靠性、合理性、沖壓件質量的保證措施、模具零件的工藝性、設計計算的準確性和安全保護機構的可靠性等內容進行評審。評審通過之后,才能進行加工制造。圖5-27安裝板零件圖

2.畫出安裝板零件的展開圖

彎曲成形展開尺寸計算:圓角半徑R=0.5,帶厚t=0.4,R＞t/2,即0.5＞0.2,展開長度根據(jù)中性層長度不變的原則進行計算。查表得中性層位移系數(shù)x≈0.349,中性層彎曲半徑為ρ=R+xt=0.5+0.349×0.4=0.64(mm)直線段分布如圖5－28所示。計算其長度。圖5－28兩個彎曲成形直線段分布圓弧中心角取平均值:α1=88.5o，α2=88.25o彎曲圓弧展開長度:零件展開長度:L1=a×2+b+l1+l2=(7.6-0.64)×2+(10.43+0.4-0.64×2)+0.988+0.985=25.44(mm)帶料寬度:L2=L1+搭邊量=25.44+1.28×2=28(mm)畫出安裝板零件的展開圖如圖5－29所示。為便于說明沖裁部位,采用邊名及代號來表示。如以展開圖中心線為基準分上邊、下邊、左邊、右邊。代號如沖圓孔1、沖固定槽2……表示出沖裁部位和加工內容。決定模具步距L=15.6(零件外廓尺寸)+2.4(搭邊值)=18(mm)圖5－29安裝板零件展開圖

3.排樣圖設計

安裝板的排樣圖如圖5－30所示。第(1)工位沖導正孔。第(2)工位沖圓孔及左右結構槽,導正銷開始導正。過道及其彎曲成形有公差要求,是加工難點。第(6)工位用一個沖模完成過道及其端部圓角加工。第(14)工位采用彎曲校正工序,還可調整角度,有利于保證彎曲精度。第(2)~(10)工位逐次將彎曲部位周圍廢料切除后,第(12)工位開始彎曲。沖裁過程中注意到左右對稱或左右輪流加工,使條料受力盡可能均衡。導正孔安置在中間廢料上,可適當加大導正孔尺寸和搭邊尺寸,有利于提高步距精度和載體強度。圖5－30安裝板的排樣圖

4.畫出模具裝配圖

安裝板多工位級進模裝配圖如圖5－31所示。圖(a)為凹模俯