《模具設(shè)計(jì)與制造李集仁》課件-第1章

第1章沖壓模具設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1.1沖壓加工特點(diǎn)及基本工序1.2板料塑性變形及其基本規(guī)律1.3沖壓所用材料1.4

沖壓常用設(shè)備 1.1沖壓加工特點(diǎn)及基本工序

沖壓是機(jī)械制造中先進(jìn)的加工方法之一,它利用壓力機(jī)通過模具對(duì)板料加壓,使其產(chǎn)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(yīng)用范圍十分廣泛,在電子工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)中,已成為不可缺少的主要加工方法之一,據(jù)概略統(tǒng)計(jì),在電子產(chǎn)品中,沖壓件(包括板金件)的數(shù)量約占零件總數(shù)的85%以上。此外,沖壓加工在汽車、拖拉機(jī)、電機(jī)、儀器儀表等機(jī)械工業(yè)和國(guó)防工業(yè)以及日常生活用品的生產(chǎn)方面,也占據(jù)著十分重要的地位。1.1.1沖壓加工的特點(diǎn)

沖壓與其它加工方法相比,無論在技術(shù)方面還是經(jīng)濟(jì)方面,都有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

(1)在壓力機(jī)的簡(jiǎn)單沖擊下,能獲得壁薄、重量輕、剛性好、形狀復(fù)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(wěn)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(chǎn)率高,生產(chǎn)過程容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化;

(5)操作簡(jiǎn)單,便于組織生產(chǎn)。1.1.2沖壓加工基本工序

沖壓加工的零件,種類繁多,對(duì)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(diǎn)是板料在沖壓力作用下使板料發(fā)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(chǎn)生塑性變形,形成所需形狀及尺寸的零件,其特點(diǎn)是板料在沖壓力作用下,變形區(qū)應(yīng)力滿足屈服條件,因而板料只發(fā)生塑性變形而不破裂。1.2板料塑性變形及其基本規(guī)律

1.2.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖1－1是低碳鋼拉伸試驗(yàn)下的條件應(yīng)力—應(yīng)變曲線。從圖中看出,材料在應(yīng)力達(dá)到初始屈服極限σ0時(shí)開始塑性變形,此時(shí),應(yīng)力不太增加的情況下能產(chǎn)生較大的變形,圖上出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái),這一現(xiàn)象稱為屈服。經(jīng)過一段屈服平臺(tái)后,應(yīng)力就開始隨著應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變將沿GH直線返回,使彈性變形(HJ)回復(fù)而保留其塑性變形(oH)。若對(duì)試件重新加載,這時(shí)曲線就由H出發(fā),沿HG直線回升,進(jìn)行彈性變形,直到G點(diǎn)才開始屈服,以后的應(yīng)力應(yīng)變就仍按GbK曲線變化。可見G點(diǎn)處應(yīng)力是試樣重新加載時(shí)的屈服應(yīng)力。如果重復(fù)上述卸載、加載過程,就會(huì)發(fā)現(xiàn),重新加載時(shí)的屈服應(yīng)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(duì)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(jìn)一步變形。例如拉深件進(jìn)行多次拉深時(shí),在后次拉深之前一般要進(jìn)行退火處理,以消除前次拉深產(chǎn)生的加工硬化。但硬化有時(shí)也是有利的,如在伸長(zhǎng)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(yàn)下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

為了實(shí)用上的需要,必須把應(yīng)力—應(yīng)變曲線用數(shù)學(xué)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(diǎn),所以用同一個(gè)數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)表達(dá)式都是近似的。

1.應(yīng)力—應(yīng)變曲線的線性表達(dá)式

(1-1)

2.應(yīng)力—應(yīng)變曲線的冪函數(shù)表達(dá)式

(1－2)式中C——系數(shù)，其值決定于的種類和性能；

n——硬化指數(shù)，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(shí)踐證明:金屬塑性變形時(shí),發(fā)生形狀的變化,而體積變化可以忽略不計(jì),即認(rèn)為(1－3)這就是塑性變形體積不變定律。據(jù)此可知,塑性變形時(shí)只可能存在三向和平面應(yīng)變狀態(tài),而不存在單向應(yīng)變狀態(tài),在平面應(yīng)變狀態(tài)下,不為零的兩個(gè)主應(yīng)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(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生了位移,通常稱為金屬的流動(dòng)。金屬的流動(dòng)和變形是互為因果的,也可以說金屬變形時(shí)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)是由于金屬塑性變形引起的。最小阻力定律認(rèn)為:如果變形物體內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)有向各個(gè)方向流動(dòng)的可能,則變形物體內(nèi)每個(gè)質(zhì)點(diǎn)將沿阻力最小的方向流動(dòng)。

1.2.4應(yīng)力狀態(tài)對(duì)金屬塑性的影響

在主應(yīng)力狀態(tài)中,壓應(yīng)力個(gè)數(shù)愈多,數(shù)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(yīng)力個(gè)數(shù)愈多,數(shù)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(zhǔn)則指出,材料中最大剪應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí),就開始屈服。這一定值與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān),其值為σs/2,因此其表達(dá)式為(1－4)設(shè)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(zhǔn)則指出,當(dāng)某點(diǎn)的等效應(yīng)力達(dá)到某一定值時(shí),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(duì)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(shù)要求,同時(shí)也必須滿足沖壓工藝要求。沖壓工藝要求是以下幾個(gè)方面:

(1)應(yīng)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(shù),由此可以減少工件成形所需的工序數(shù)以及中間退火的次數(shù),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(zhì)量。

(2)應(yīng)具有光潔平整且無缺陷損傷的表面狀態(tài)。表面狀態(tài)好的材料,加工時(shí)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(tài)。

(3)材料的厚度公差應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)橐欢ǖ哪＞唛g隙,適應(yīng)于一定厚度的材料。材料厚度的公差太大,不僅會(huì)影響工件的質(zhì)量,還可能導(dǎo)致產(chǎn)生廢品和損壞模具。1.3.2材料的種類和規(guī)格

沖壓生產(chǎn)中常用的材料是金屬板料,有時(shí)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(hào)。

2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼板

這類鋼板主要用于復(fù)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(hào)。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(zhì)量分為三組:Ⅰ組——高質(zhì)量表面;Ⅱ組——較高質(zhì)量表面;Ⅲ組——一般質(zhì)量表面。對(duì)其它深拉深薄鋼板,按沖壓性能分為三個(gè)級(jí)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(diǎn)是有很好的塑性和較高的強(qiáng)度及抗腐蝕性,焊接性能優(yōu)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(diǎn)是塑性很好,比重小,導(dǎo)電、導(dǎo)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(guī)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(guī)格可查國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

條料是根據(jù)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(zhǎng)度,寬度在300mm以下,長(zhǎng)度可達(dá)幾十米,適用于大批量生產(chǎn)的自動(dòng)送料。

塊料適用于小批量生產(chǎn)和價(jià)值昂貴的有色金屬的沖壓。 1.4沖壓常用設(shè)備

沖壓工作是在沖壓設(shè)備上進(jìn)行的,目前應(yīng)用較多的有曲柄壓力機(jī)、摩擦壓力機(jī)和液壓機(jī)。曲柄壓力機(jī)可用于各類沖模,其中偏心沖床尤其適用于要求導(dǎo)柱、導(dǎo)套不脫開的模具(如導(dǎo)板模),摩擦壓力機(jī)和液壓機(jī)主要用于校正模、壓印模等,同時(shí)也適用于擠壓模。這里簡(jiǎn)單介紹一下生產(chǎn)中最普遍使用的曲柄壓力機(jī)。

曲柄壓力機(jī)包括各種結(jié)構(gòu)的偏心沖床和曲軸沖床,其基本工作機(jī)構(gòu)都是曲柄連桿機(jī)構(gòu)。1.4.1偏心沖床

偏心沖床也稱開式曲柄壓力機(jī),圖1－2所示為其工作簡(jiǎn)圖。啟動(dòng)后,電動(dòng)機(jī)12通過小齒輪11和大齒輪10(兼作飛輪)及離合器9將動(dòng)力傳給偏心軸7,使偏心軸7在軸承中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。連桿6把偏心軸7的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K5的直線運(yùn)動(dòng),滑塊5在床身的導(dǎo)軌中作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。模具的上模固定于滑塊上,模具的下模固定在工作臺(tái)上。圖1－2偏心沖床簡(jiǎn)圖為了控制滑塊的運(yùn)動(dòng)和位置,設(shè)有離合器9和制動(dòng)器8。

離合器的作用是:在電動(dòng)機(jī)與飛輪不停地運(yùn)轉(zhuǎn)情況下,使曲柄連桿機(jī)構(gòu)開動(dòng)或停止。工作時(shí),只要踩下腳踏開關(guān)1,離合器嚙合,偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng),即可帶動(dòng)滑塊作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)行沖壓。

制動(dòng)器的動(dòng)作與離合器的動(dòng)作密切配合,在離合器脫開后,制動(dòng)器同時(shí)將曲柄連桿機(jī)構(gòu)停止在一定的位置上。

床身13是所有運(yùn)動(dòng)部分的支承體,并將壓力機(jī)的全部機(jī)構(gòu)聯(lián)接成一個(gè)整體。為了適應(yīng)不同模具的高度及對(duì)沖壓行程的要求,偏心沖床的行程可在一定范圍內(nèi)調(diào)整,其調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖1－3所示。在偏心軸銷1上套有一個(gè)偏心套3,偏心套上的嵌牙與固定在軸端的結(jié)合套4上的嵌牙相結(jié)合,連桿2自由地套在偏心套上。這樣,軸銷的圓周運(yùn)動(dòng)便通過偏心套而變成連桿的上下運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)距離(即行程)是偏心套中心與主軸中心之間距離的兩倍。當(dāng)松開螺母5,使結(jié)合套的嵌牙與偏心套嵌牙脫開時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)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(nèi)進(jìn)行調(diào)整。圖1－3偏心沖床行程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)1.4.2曲軸沖床

曲軸沖床也稱閉式曲柄壓力機(jī),圖1－4所示為其工作簡(jiǎn)圖。曲軸沖床的結(jié)構(gòu)和工作原理與偏心沖床的基本相同,其主要區(qū)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(jié)構(gòu)方面,曲軸沖床由橫梁,左、右立柱和底座構(gòu)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(gè)對(duì)稱軸承支承,沖床所受負(fù)荷較均勻,故能承受大噸位的沖壓工作。圖1－4曲軸沖床簡(jiǎn)圖曲軸沖床行程較大,等于曲軸偏心距的兩倍,不能調(diào)整。

為適應(yīng)安裝不同閉合高度的模具,一般用途的曲柄壓力機(jī)上連桿長(zhǎng)度是可以調(diào)節(jié)的。其調(diào)節(jié)方法是:對(duì)200t以下小型壓力機(jī),在調(diào)節(jié)螺桿上有一段六方部分,當(dāng)松開緊固套后,可直接用扳手旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)(圖1－5);對(duì)中型或重型壓力機(jī),則由一個(gè)單獨(dú)的電機(jī),通過齒輪或蝸輪機(jī)構(gòu)來旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿。此外,有些沖床的工作臺(tái)是可以升降的,通過升降工作臺(tái)也可以調(diào)節(jié)閉合高度。圖1－5可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度的連桿1.4.3曲柄壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

曲柄壓力機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)是反映一臺(tái)壓力機(jī)工作能力、所能加工零件的尺寸范圍以及有關(guān)生產(chǎn)率的指標(biāo),分述如下。

1.公稱壓力

曲柄壓力機(jī)的公稱壓力,是指曲柄旋轉(zhuǎn)到下死點(diǎn)前某一特定角度(此特定角度稱為公稱壓力角,約為30°)時(shí),滑塊上所能容許承受的最大作用力。它是反映壓力機(jī)工作能力的重要指標(biāo),生產(chǎn)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(diǎn)到下死點(diǎn)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(diǎn)位置時(shí),滑塊下表面到工作臺(tái)墊板上表面的距離。當(dāng)閉合高度調(diào)節(jié)裝置將滑塊調(diào)整到最上位置時(shí),閉合高度達(dá)到最大值,稱為最大閉合高度;當(dāng)閉合高度調(diào)節(jié)裝置將滑塊調(diào)整到最下位置時(shí),閉合高度達(dá)到最小值,稱為最小閉合高度。

4.滑塊行程次數(shù)

滑塊行程次數(shù)是指滑塊每分鐘從上死點(diǎn)到下死點(diǎn),然