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第1章沖壓成型及模具設(shè)計(jì)
1.1簡介
金屬加工是工程科學(xué)的一個(gè)分支，其中涉及與制造金屬部件和塑料的過程中，通過結(jié)構(gòu)形成，機(jī)械加工，焊接和鑄造。這部分側(cè)重于沖壓成型技術(shù)及其在金屬加工中的模具設(shè)計(jì)。主要用于沖壓，這不僅可以進(jìn)行金屬薄板成形，而且也可以進(jìn)行非金屬成形。在沖壓成型上，模具的作用下，發(fā)生在板塊內(nèi)力變形的鋼板。當(dāng)內(nèi)力達(dá)到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的塑性變形，或在一些地區(qū)的斷裂。因此產(chǎn)生一定的形狀，大小和特點(diǎn)。
沖壓是進(jìn)行模具和沖壓，并具有高生產(chǎn)率。沖壓的機(jī)械化和自動(dòng)化，由于其操作簡便，可實(shí)現(xiàn)方便性。由于沖壓件是由模具生產(chǎn)的，它可以用來產(chǎn)生復(fù)雜的一部分，可能在其他生產(chǎn)中產(chǎn)生制造難度。一般的沖壓件可用于進(jìn)一步的加工。通常情況下，沖壓工藝，可以做到不加熱。因此，它不僅節(jié)省材料，而且節(jié)省能量。此外，沖壓件具有重量輕，高剛性的特點(diǎn)。
沖壓工序根據(jù)不同的形狀，大小和精度要求，其輸出的部件和材料。它可分為兩大類：切割工藝和成型工藝。切削過程的目標(biāo)是分開沖壓沿輪廓線的部分。分離的部分截面的表面質(zhì)量必須達(dá)到一定的需求。在形成過程中，如彎曲，拉深，成形，脹形，翻邊，縮頸，整形和旋壓，發(fā)生塑性變形而不斷裂沒和皺紋的地方，并與部分生產(chǎn)所需的形狀和尺寸精度相對(duì)應(yīng)。
1.2落料和沖孔模
1.2.1 落料
剪切是沖裁過程中的一種其他沖裁方法。它主要包括落料，沖孔，切邊，分型和斷裂，其中落料和沖孔是使用最廣泛的。
落料和沖孔的分離過程是使材料沿封閉曲線相互分離。落料和沖孔后，該板塊分為兩部分。沖孔在一個(gè)毛坯或工件上沖孔，從毛坯上沖孔下來的材料是廢料，那么，另一個(gè)封閉曲線以外的部分，則是工件，所以在封閉曲線以內(nèi)的一部分，是廢料。相反，落料是在工件或毛坯上沖出所需的形狀，也就是說，在封閉曲線以內(nèi)的一部分，是工件。封閉曲線以外的一部分，是廢料。落料和沖孔的變形工藝和模具結(jié)構(gòu)是相同的。傳統(tǒng)的來說，落料和沖孔被稱為沖裁。通過沖裁過程，最終可以生產(chǎn)的產(chǎn)品以及其他成型工藝的半成品。
1.2.2落料變形過程
一個(gè)落料過程中，涉及到放在模具上的毛坯，凸模向下移動(dòng)到?jīng)_床邊緣的毛坯和凹模使其變形和分離。凸模和凹模之間存在一個(gè)間隙Z。模具上毛坯的沖裁力主要集中在凸模和凹模的邊緣。在凸模和凹模的動(dòng)作下，利用鋒利的切削刃和適當(dāng)?shù)拈g隙使其變形，變形過程中經(jīng)歷了三個(gè)階段，即彈性變形，塑性變形和斷裂分離階段。
1彈性變形階段
當(dāng)其凸模接觸到毛坯時(shí)，該材料被壓縮，是由拉伸強(qiáng)度和彎曲彈性變形造成的。在這個(gè)階段，內(nèi)應(yīng)力不超過毛坯的彈性極限。如果卸料時(shí)發(fā)生變形則會(huì)彈性恢復(fù)。
2塑性變形階段
當(dāng)凸模使毛坯進(jìn)一步向下，毛坯的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到其屈服強(qiáng)度，剛其就會(huì)開始出現(xiàn)塑性變形和滑動(dòng)變形。在凸模和凹模的壓力下，毛坯的表面受到壓縮，由于凸、凹模之間的間隙，毛坯同時(shí)受到彎曲和張力的作用，在凸模作用下的材料是彎曲的，凹模上方的是向上卷曲的。形成區(qū)域循環(huán)的角度①和②由于彎曲和緊張，在地區(qū)和縮進(jìn)出現(xiàn)③和④。而毛坯受到凸模的進(jìn)一步作用，變形區(qū)的塑性變形和加工硬化增加，進(jìn)一步的擠壓。當(dāng)尖端附近的毛坯的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限，沖裁力達(dá)到最大，并出現(xiàn)裂縫，在造成損害的材料和塑性變形階段結(jié)束。
3斷裂分離階段
毛坯隨著凸模的連續(xù)擠壓，在頂部和底部的裂縫延伸到材料內(nèi)層逐漸滿足兩個(gè)裂縫時(shí)，毛坯被切斷，然后斷裂過程結(jié)束。
在圖中所示落料期間的剪切帶中的力分布平衡，其中F1和F2是毛坯在凸模和凹模垂直方向的作用力; F3和 F4是凸模和凹模分別對(duì)毛坯施加的力;μF1和μF2是凸模和凹模對(duì)毛坯分別施加的端面摩擦力;μF3和μF4凸模和凹模外側(cè)表面分別施加的摩擦力。凸模和凹模在μF1和μF2方向之間的間隙。
沖裁力的分析表明，側(cè)向壓力F3和F4必須是比垂直的壓力F1和 F2小則更容易擴(kuò)展在壓力面積小的地方發(fā)生裂縫。因此，初始裂紋應(yīng)該出現(xiàn)落料凹模的側(cè)面。裂紋發(fā)起和發(fā)展與掃描電子顯微鏡觀察表明，凸模的深度壓縮到毛坯厚度的20％時(shí)材料向下，裂紋發(fā)生在凸模表面一側(cè)和凹模的邊緣，然后在裂縫頂部和底部的迅速擴(kuò)大。當(dāng)兩個(gè)裂縫滿足一定條件時(shí)，毛坯的剪切和斷裂過程結(jié)束。
1.2.3落料工件的質(zhì)量
落料工件的質(zhì)量，主要是指切割橫截面和工件表面質(zhì)量，形狀公差和尺寸精度。截面切割工件的質(zhì)量，以確定落料過程是否成功與否的一個(gè)重要因素。
其圖中所示，切割斷面可以分為四個(gè)區(qū)域：平穩(wěn)剪切帶，斷裂帶，過渡區(qū)和毛刺區(qū)。
當(dāng)凸模減到毛坯的邊緣時(shí)，由于材料和尖端之間的擠壓發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致剪切帶的形成。因擠壓的特點(diǎn)，剪切帶的表面光滑和垂直，并與區(qū)域內(nèi)落料工件的切削截面獲得最高的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。剪切帶切割截面的厚度比為1/2?1/3左右。
落料在最后階段形成的斷裂帶，它是被毛坯區(qū)域切斷的地方，裂縫不斷擴(kuò)大在拉伸應(yīng)力條件下形成斷裂面。毛坯表面的斷裂帶是粗糙和傾斜的，而不是垂直的。
毛坯在過渡區(qū)時(shí)會(huì)形成進(jìn)模壓力，尖端附近的材料被卷入和變形。材料的可塑性更好，更大的將是過渡區(qū)。
毛刺在落料時(shí)切割截面形成微裂紋，形成毛刺，然后拉長，保持工件。
有許多因素影響切割斷面質(zhì)量。落料的條件，如工件材料，沖床，模具，設(shè)備等四個(gè)區(qū)（光滑剪切帶，斷裂帶，過渡區(qū)和毛刺區(qū)）的厚度比例。
圖中顯示了影響沖裁工件的切割斷面質(zhì)量的主要因素。另一圖中顯示了沖裁工件的尺寸精度的影響因素。研究和分析表明，凸、凹模之間的間隙是影響沖裁工件表面質(zhì)量和尺寸精度的最重要因素。為了提高沖裁工件表面質(zhì)量，它是重要的研究影響機(jī)制，以便在落料凸模和凹模之間找到一個(gè)最佳間隙的計(jì)算方法。
1.2.4落料和沖孔
1落料模的典型結(jié)構(gòu)
（1）單工序模
在一個(gè)行程內(nèi)只有一個(gè)工序的模具被稱為單工序模。其結(jié)構(gòu)簡單（參見圖7），所以它可以很容易制造。它是適用于小批量生產(chǎn)。
圖7單工序模
1-擋料銷 2-導(dǎo)套 3-導(dǎo)柱 4-螺栓 5-模柄 6-定位銷 7-固定板
8-上模板 9-凸模 10-卸料板 11-導(dǎo)料板 12-凹模 13-下模板
（2）級(jí)進(jìn)模
在一個(gè)工作行程內(nèi)有幾個(gè)沖裁過程是在不同位置的模具稱為級(jí)進(jìn)模，如在圖8所示。在操作上，定位銷的目的在沖壓以前的定位孔，沖頭凸模4向下移動(dòng)到毛坯，從而凸模1產(chǎn)生工件8。當(dāng)沖床復(fù)位時(shí)，卸料板6就會(huì)將毛坯7從凸模4上卸下，毛坯7向前移動(dòng)一步，然后開始第二個(gè)沖裁。不斷重復(fù)上述步驟。毛坯的步距由導(dǎo)料銷控制。
圖1-8沖裁和沖壓級(jí)進(jìn)模
1-落料凸模 2-定位銷 3-落料凹模 4-沖孔凸模
5-沖孔凹模 6-卸料板 7-沖裁件 8-工件 9-廢料
（3）復(fù)合模
在一個(gè)工作行程中幾個(gè)沖裁都在同一模具的同位置進(jìn)行的模具稱為復(fù)合模，如在圖9所示。復(fù)合模的主要特點(diǎn)是，第1部分是凸模和凹模。凸凹模1外圈是落料凸模，而內(nèi)孔是拉深的凹模。當(dāng)壓力機(jī)隨著凸凹模1向下移動(dòng)，落料過程首先是通過凸凹模1和落料凹模4的作用，沖裁工件通過拉深凸模2的作用，然后拉深凹模向下移動(dòng)進(jìn)行拉深操作。拉深凹模5和卸料塊3推動(dòng)模具拉深工件9復(fù)位。復(fù)合模是適合大批量生產(chǎn)和高精確度的沖裁。
圖1-9復(fù)合沖裁模和拉深
1-落料凸模 2-拉深凸模 3-卸料塊 4-落料凹模 5-拉深凹模
6-沖裁件 7-頂針 8-工件 9-拉深工件 10-成品零件 11-廢料
2. 凸模和凹模
(1) 凸模
在國家標(biāo)準(zhǔn)中有3種標(biāo)準(zhǔn)凸模。工作部分是由凸模最小直徑d決定，應(yīng)選擇哪種凸模。 A型圓柱形凸模為d=1.1?30.2毫米，B型 d= 3.0?30.2毫米，快速變化的圓形凸模為d= 5?29毫米。要解決凸模的圓形沖孔，孔基本過渡配合h6采用A和B型，和基本孔間隙，適合快速變化的圓形沖孔。
凸模的長度L應(yīng)由凹模結(jié)構(gòu)確定。當(dāng)使用固定的卸料板和導(dǎo)料板時(shí)（請(qǐng)參閱圖11），凸模的長度L是：
L = H1+ H2+ H3+ H
其中，H1是固定板的厚度以毫米為單位; H2是卸料板的厚度以毫米為單位; H3是導(dǎo)料板的厚度以毫米為單位; H是額外的長度主要由凸模進(jìn)入凹模的深度決定（0.5?1毫米），卸料板和凸模之間的安全距離（10?15毫米），模具在關(guān)閉狀態(tài)（15?20毫米）。
非標(biāo)準(zhǔn)凸模的緊固模式在圖所示。當(dāng)凸模在相同的凹模之間的距離非常小時(shí)，鉚接結(jié)構(gòu)可用于循環(huán)凸模;外套結(jié)構(gòu)通常用于較小的凸模中;在沖裁中快速變化型的凸模是容易受到損害;非圓形凸模，如果它的大小不是很大，是可以直接用螺栓固定在模具上的，銷釘或螺栓和定位槽的位置，而不是緊固板;如果凸模的工作部分是非圓形結(jié)構(gòu)則使用圓形的固定結(jié)構(gòu)。
對(duì)于一些小型的凸模，它也可以被低熔點(diǎn)合金凸模固定板，無機(jī)或環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行固定。
原文： 1. 劉建雄、王家惠、廖丕博（作者），Chapter 1 Stamping Forming and Die Design（文章題目），《模具設(shè)計(jì)與制造專業(yè)英語 》（書名），2006，第1版，P1～14（頁碼）