冲压工艺及模具设计八
第八章 特种模具 内容简介: 掌握几种常见特种冲压模具的基本结构、设计要点以及相应的模具结构设计方法。章节内容:8.1 低熔点合金冲模8.2 聚氨酯橡胶冲模8.3 薄板冲模学习目的与要求：1.了解低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶模设计步骤；2.了解薄板冲模设计方法。 重点内容：低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶模设计步骤。 难点内容： 低熔点合金冲模、聚氨酯橡胶模设计。 主要参考书： 1 王同海.实用冲压设计技术.北京：机械工业出版社，20002 冯炳尧.模具设计与制造简明手册.上海：上海科学技术出版社，2000复习思考题： 8-1 与钢质模具相比，锌基合金模具的制造和使用有什么特点？ 8-2 锌基合金冲模的冲裁机理与钢质模具有什么不同？ 8-3 什么是锌基合金冲模的动态平衡间隙？ 8-4 什么是聚氨脂橡胶冲模？这种冲模有何特点？ 电子教材8.1 低熔点合金冲模 锌基合金冲模是利用锌基合金作为模具材料，运用铸造、挤切等方法制造的简易模具。它的制造工艺简单、制模周期短、成本低，能在较短时间内制出样品，因此适合于新产品的试制和中、小批量的生产，是一种快捷、经济的冷冲压模具。由于锌基合金材料的硬度低于被冲压材料，而且在冲压过程中具有自润性，因而不易拉伤工件。对于锌基合金冲裁模，因其具有自动调整和补偿凸 、凹模合理间隙的功能，所以在正常使用期间毛刺不会超过允许值。锌基合金可以用于制作各类工序的冷冲压模具，如冲裁模、弯曲模、拉深模 、成形模等的主要工作零件，以及卸料板、压边圈和上、下模板、导向板等模具结构件。其中，锌基合金较多用于制造冲裁模，冲裁薄料最小厚度为 0.060.1mm，实验冲裁钢板最大厚度达8mm，通常建议冲裁厚度小于34mm，推荐冲裁厚度为2.5mm以下的低碳钢板以及相当于这种性能的材料。与钢制冲模相比，锌基合金冲模虽然具有一些优点，但也有某些不足之处。如：锌基合金冲模的耐磨性比钢制冲模差，模具寿命相对较短。锌基合金材料有 1% 2% 的冷凝收缩率，不适合于制作精度要求高的弯曲、成形模具。锌基合金的硬度较低，用于弯曲、拉深、成形时，不能承受过大的变形力或变形时因坯料起皱增厚而产生的挤压变形力。由于材料强度的限制，锌基合金复合冲裁模的搭边值应大于钢制冲模，材料利用率相对较低。 因此在具体应用中，应注意扬长避短，充分利用锌基合金冲模的优点，以解决生产中遇到的实际问题。 一. 锌基合金冲裁模的冲裁机理 锌基合金冲裁模的结构型式与普通钢模基本相似，可以制作落料模、冲孔模、切边模，也可以制成复合冲裁模。但它的主要工作部件凸模或凹模中，一个为锌基合金材料（在生产中主要用于凹模），另一个为钢质材料。因此，锌基合金冲裁模的冲裁机理与普通钢模并不相同。 如果凸模为淬火工具钢，其硬度在 58 62HRC 之间，锌基合金的凹模硬度则只有 120130HB ，两者之间存在着很大的硬度差。在冲裁过程中，质软的锌基合金刃口不可能保持锋利，出现塌角，形成钝的小圆角刃口。冲裁开始阶段，钝的合金刃口与另一个锋利的模具钢刃口作用于板料，仅在锋利的钢刃口处，板料因应力集中先产生裂纹。而板料下表面凹模处的材料，由于处于三向压应力状态，裂纹出现很迟。随着凸模进一步下压，裂纹扩展到材料内部直至合金凹模附近，与刚从凹模刃口竖壁处产生的裂纹相迎合，完成了板料的分离。这种过程称之为“单向裂纹扩展机理”。所以，它可以在采用“一软一硬”的锌基合金冲裁 模实现板料的分， 冲裁比锌基合金硬度高的材料。在此过程中，控制裂纹的形成先后和裂纹的走向，是确保工件质量和模具寿命的关键。 冲裁时凸模与凹模的端面和侧面都要承受板料的反作用力，以及由反作用力引起的材料与工作零件之间的摩擦力。由于凸模和板料的硬度高于锌基合金凹模，凸模以及落料件进入凹模时，必然使凹模产生磨损。从实验和实际使用中可以发现，在落料件的剪切断面上沾附着一层银白色的锌合金粉末颗粒，特别在试冲时十分明显。在冲裁过程中，冲裁力在锌基 合金凹模端面产生的作用力，迫使端面合金产生塑性变形，向刃口竖壁侧面 移动，不断补偿刃口 竖壁与 板料相对运动所造成的磨损和间隙，达到磨损和补偿的相对平衡。这种补偿形式称为“自动补偿磨损机理”。而在冲裁过程中逐渐自动形成的合理间隙称为“动态平衡间隙”。 自动获得动态平衡间隙的必要条件是锌基合金冲裁模的实际起始间隙必须小于动态平衡间隙。这种间隙值因被冲材料的性质、厚度不同而异。例如用锌基合金冲裁模冲薄料 时获得了最佳间隙值，然后再用同一副模具冲裁 厚料又可以达到新的最佳合理间隙值。但是如果先冲了厚料形成 间隙之后，再冲比它薄的材料就不能达到最佳的合理间隙，这是因为没有具备“起始间隙必须小于动态平衡间隙”的原则。从这个机理出发，制造锌基合金冲裁模时不需要用人工方法去配制冲裁间隙。 二 锌基合金冲裁模的设计 （一）设计原则 由于锌基合金冲裁模采用的是一软一硬的刃口，被冲材料在软刃口一侧的毛刺较大。根据锌基合金冲裁模的工作特性，在设计落料模时，凹模选用锌基合金，而凸模采用工具钢制造；复合模的 凸 模和凹模选用锌基合金，而凸凹模采用工具钢制造。这种设计原则，主要是考虑将冲裁毛刺留在残料上，同时保证模具在冲裁过程中刃口锋利，以适应批量生产的需要。当冲孔件质量要求不高，批量不很大时，亦可选用锌基合金作冲孔凹模，而凸模采用工具钢制造。 （二）冲裁间隙C 为了便于加工制造，锌基合金冲裁模的初始间隙值一般取为零，只有在极个别的情况下，如冲制厚度较大或难加工材料，才取料厚的5%左右。制造模具时，凹模按凸模配制，这在冲裁工作初始时会形成无间隙的冲裁。但在正常冲裁时，锌基合金凹模与钢凸模之间会形成一定的间隙，即动态平衡间隙，其值约为冲裁板料厚度的 5% 8% 。该间隙值有利于保证冲裁件的质量，使模具有一定寿命。当该动态平衡间隙值不能保证时，此模具就到了失效的程度。 （三） 凸 、凹模设计计算 对于落料件，制件外形尺寸决定于凹模。锌基合金凹模刃口尺寸应取接近于工件的最小极限尺寸。在冲裁过程中，主要考虑锌基合金凹模部分的磨损，钢质凸模的磨损可以不计。 对于冲孔件，冲件孔尺寸决定于凸模。 凸模刃口尺寸应取接近于工件的最大极限尺寸。当冲孔件批量不大（ 2000 5000 件）、精度要求不高、毛刺高度无严格要求时，为了便于模具制造，可以考虑设计钢质凸模，锌基合金为凹模。 三、锌基合金冲裁模的制模工艺 锌基合金冲裁模的制作方法有浇注法、挤切法、镶拼法以及加镶钢皮或钢板刃口的制作方法等。（一） 浇注法 这种制模方法直接以制成的工具钢凸模为模芯，按凹模外轮廓尺寸制作凹模框，将熔化的锌基合金注入内有模芯的凹模框内，冷凝后取出凸模，制成凹模。 浇注法可以分为两种：直接在模架内浇注凹模 称为模内浇注法；在模架外的平台上浇注凹模称为模外浇注法。 模内浇注法：该方法主要用于形状轮廓简单、中小尺寸的各种料厚冲裁件，一般合金用量少于 20 公斤，浇注时温度对模架的变形影响不大。 制模工艺过程参见图。先将已制成的钢凸模2通过凸模固定板安装到上模座1上并找平，然后在下模座上安放凹模框3 ，并在模框外侧周边填上湿砂5压实，以防熔化合金外泄。在凹模框中放上漏料孔模芯4，注意对准经过预热的凸模（150 200），并调整好凸模的高度。将已熔化的锌基合金（420 450 ）浇入模框，直至所需的高度，待合金冷凝至大约200 时拔出凸模（完全冷却后凸模很难拔出），随即急冷凹模以提高机械性能。然后取出漏料孔模芯，铣削合金凹模上表面，加工螺钉孔、销孔，再将凹模安装到下模座6上。最后用钢凸模刃口挤切因 冷凝而缩小的合金凹模孔刃口，形成无间隙状态的冲裁模具。试冲时应先从薄料逐步加厚，以自动形成合理间隙。 图 模上浇注 1 上模座 ；2 凸 模 ；3 凹模框； 4 漏料孔模芯 ； 5 细砂 ；6 下模座；7 浇注锌基合金凹模 8.2 聚氨酯橡胶冲模一、聚氨酯橡胶冲模的特点及应用 聚氨酯橡胶是一种人工合成的高分子弹性体材料。聚氨酯橡胶冲模采用了聚氨酯橡胶代替模具中的凸模或凹模，冲压时聚氨酯橡胶压缩变形产生的力使板料塑性变形或分离，从而获得所需要的合格零件。聚氨酯橡胶冲模的特点是结构简单，制造方便，生产周期短，成本低，而且冲制的零件精度容易保证，成形过程中不会划伤工件表面、质量好，因此适宜于新产品试制及中小批量的生产。缺点为冲裁时所需的冲压力及板料搭边值大于钢制模具，生产效率不够高。 聚氨酯橡胶冲模可以进行冲裁、弯曲、拉深、翻边、局部成形及胀形等冲压加工，特别适合于冲裁厚度为 0.3mm 以下的薄板材料。氨酯橡胶既有优异的弹性、又有一定的硬度，它的耐磨性能是天然橡胶的 510 倍，耐油性约为天然橡胶的 5 6 倍，而且耐老化，抗撕裂性能强，并具有良好的机械加工（车、钻、铣、磨等）性能。 二、聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁机理 聚氨酯橡胶冲裁模利用聚氨酯橡胶作为主要工作部件使板料分离，主要由钢制的凸模(或凹模)及压边圈和一个装有聚氨酯橡胶模垫的容框组成。 冲裁时，容框内的聚氨酯橡胶在封闭状态下受压变形，各方向所受的单位压力相等，具有静水压力的性质，其变形压力 p 压紧坯料并迫使坯料沿凸模或凹模刃口周边A 处产生应力集中现象。 当被冲材料受到的应力超过了材料的抗剪强度时，刃口处的材料产生裂纹，直至断裂分离，冲裁过程如图所示。由于材料在刃口边缘的聚氨酯一侧被局部拉伸变形，因此工件带有微小的拖入圆角。 1 卸料板；2 容框； 3 聚氨酯橡胶； 4 板料； 5 凸模 图 聚氨酯橡胶冲裁过程示意图三、聚氨酯橡胶冲裁模的结构设计 聚氨酯橡胶冲裁模可以冲裁各种复杂形状的外形、内孔和型槽以及进行冲孔、落料复合冲裁。图 所示为聚氨酯橡胶落料模，图 为聚氨酯橡胶垫圈冲孔落料复合模示例。 图 聚氨酯橡胶落料模 图 聚氨酯橡胶垫圈复合模 1 聚氨酯橡胶模垫 2 容框 1 凸凹模 2 顶杆 3 压料圈 3 凸模 4 卸料板 4 聚氨酯橡胶模垫 5 容框 （一） 凸、凹模尺寸的确定 由于聚氨酯橡胶冲裁模的凸、凹模一为钢模；另一为聚氨酯橡胶所代替，所以没有冲裁间隙。对于厚度 0.3mm 以下的薄料冲裁，工件尺寸基本与钢质凸模或凹模一致，误差可以忽略不计。 （二） 压料板和顶杆的设计 压料板和顶杆的运用可以使容框内的聚氨酯橡胶处于全封闭状态，这时较小的聚氨酯橡胶变形就能在凸模、凹模刃口处产生很大的单位压力，迫使板料分离，获得质量令人满意的工件。 压料板的结构形式可以分为固定式和活动式两种。顶杆的设置可以防止冲裁时，因钢质凹模型腔内板料和聚氨酯橡胶的过度变形引起的冲裁件质量下降和聚氨酯橡胶的损坏。( 三 ) 容框和聚氨酯橡胶模垫的设计 容框的型腔与相应工件的外形相似，容框尺寸每边比钢制凸模大 0.5 1.5mm ，板料薄则取小值。为了提高聚氨酯橡胶压缩时的单位压力，容框型腔应比聚氨酯橡胶模垫略小，一般保持聚氨酯橡胶装入时有 0.2 0.4mm 过盈量。容框口部的圆角半径为 R0.5 0.8mm 。在冲压过程中，容框要承受较大的压力，所以必须具有一定的强度和刚度，通常可按强度条件进行校核。 冲裁用聚氨酯橡胶模垫的邵氏硬度为 90A 95A，厚度一般为12 15mm，冲压过程中聚氨酯橡胶的压缩量不超过30%。模垫压入容框后应与容框一起磨平。 8.3 薄板冲模.
