金属加工拉伸和冲裁的介绍.ppt

,拉伸、冲裁 小组成员 方俊杰：021000811 李 翔：021000822 殷思晟：021000852 张河健：021000856 张森源：021000857,拉深模的种类,将坯料或板料施加一定压力使其产生塑性变形,压制成各种形状的空心零件的模具称为拉深模具。拉深模具一般由凸模、凹模、压边圈（有时不用）组成.拉深模具按制品的形状特点,变形位置和性质不同而采用不同的结构,其主要类型有:圆筒形直臂旋转体拉深模,曲面旋转体拉深模,直臂非旋转体盒形件拉深模,非旋转体复杂曲面拉深模。,简介图,拉深模的工作条件,拉深模具主要用于金属板料的拉深成形，拉 深过程 中模具的受力状态如图 所示。拉深时 凸 模下压板料毛坯，拉深力通过凸 模底部和 凸模 圆角部位传导给毛坯，板料毛坯的外缘部分通过凹模端面与压边 圈之间被拉入凸模与凹模之间的间隙。在 拉深力 P 动、压边力 P 压以及毛坯与模具工作部件相对运动产生的动摩擦力的作用下，凸 模圆角半径处受到压力 P 1 和摩擦力 F 1；凹模圆角半径处受到压力 P 2 及摩擦力 F 2；凹模端面部位 半受到 了压力 P 3 和摩擦力 F 3；压边圈与板料相接触的部位受到了压力 P 4 和摩擦力 F 4 的作用。,拉伸示意图,在拉深开始阶段，凸模圆角半径处的板料被弯曲拉伸并作相对运动，摩擦力 F 1 使 凸 模圆角半径受到磨损。随着拉深的进一步进行，已变形板料紧贴凸模圆角半径部位并开始产生应变硬化，相对运动大大减弱，摩擦力变小。但是在整个拉深过程中，凹模圆角半径处、凹模端面以及压边圈相应部位始终与板料作相对运动，产生剧烈摩擦，压应力和摩擦力都很大，因此凹模与压边圈的磨损现象始终存在。,常见失效形式及影响因素,由于拉深模具的工作部件没有刃口，受力面积大，工作时无严重的冲击力，因此，拉深模不易 出现塑性变形和断裂失效。但是工作时存在着很大的摩擦，拉深模具的主要失效形式为粘附磨损和磨粒磨损，并以粘附磨损为主，是拉 深过程 中常出现的问题和模具失效的重要原因。粘附磨损的部位发生在 凸 模、凹模的圆角半径处，以及凹模和压边圈的端面，其中以凹模和压边圈的端面粘附磨损最严重。模具与工件表面产生粘附磨损后，脱落的材料碎屑会成为磨粒，从而伴生出磨粒磨损。磨粒磨损将使模具表面更为粗糙，进而又加重粘附磨损。,从显微观 察看，模具和坯料的表面都是凹凸不平的，由于模具表面的硬度高于坯料，相互挤压摩擦时会将坯料表面刮下的碎粒压入模具表面的凹坑。在拉 深过程 中，坯料的塑性变形以及坯料和模具工作部件表面的摩擦，会产生出热能。特别是在某些塑性变形严重和摩擦剧烈的局部区域，所产生的热能造成了高温，破坏了模具和坯料表面的氧化膜和润滑膜，使金属表面裸露，促使材料分子之间相互吸引，并使模具表面凹坑里的坯料碎屑熔化，和模具表面焊合，形成坚硬的小瘤，即粘结瘤。这些坚硬的小瘤，会使 拉深件表面粗糙度 变差，严重时将在产品的表面 刻划 出刻痕，擦伤工件，并且加速模具的不均匀磨损，这种失效形式又 称为粘模。此时，需对模具进行修磨，除去粘附的金属。拉深模的 重要问题，就在于如何防止粘附的金属小瘤。,在拉深工作中，出现拉深粘模的问题，与被拉深坯料的化学成分、所使用的润滑剂及模具工作部件的表面状况等因素有关。镍基合金、奥氏体不锈钢、坡莫合金、精密合金等材料拉深时极易 发生粘模。为保证产品的质量，拉深模的工作部件表面不允许出现磨损痕迹，必须具有较低数值的表面粗糙度和较高的耐磨性。,影响拉深模寿命的主要因素,工件材料与模具材料的亲和力 亲和力大的材料容易粘接在一起。如果粘结强度高，则粘着磨损和粘结瘤会产生距离模具表面较深的地方。比如铁、铬、镍与铁的互溶性大，因而，纯铁、铬、镍不锈钢等板材用钢模拉深时易粘模，而铝、铜、镁、锌与铁的互溶性小，其相应的板材在用钢模拉深时，粘着磨损的倾向小。,压边力 拉深模中采用压边圈的目的是为了防止工件起皱。由图5-7知，压边力过大，压边圈会将工件压得越紧，则凹模、压边圈与板料之间的摩擦力就大，粘着磨损的倾向就大。如果压边力太小的话，防皱的效果肯定就不好，板料容易起皱，如果强行将材料拉入凹模中，不仅在工件上会留下褶皱，而且会皱起的部分会造成板料与凹模、板料与压边圈的不均匀接触，容易在凹模、压边圈上出现磨损沟痕，加速模具的不均匀磨损。,表面强化处理对冲模寿命的影响 零件表面强化处理的目的是时材料表面具有很高的硬度而材料内部的韧性又很好的效果,从而得到硬度、耐磨性、韧度、耐疲劳强度的良好配合。由拉深模的受力分析可知：拉深模具主要的失效形式是发生磨损，因此在使用性能的要求上需要模具具有很高的耐磨性和很高的硬度以及好的抗咬合性。,模具表面粗糙度 根据磨损的机理，一般情况下，模具表面粗糙度值越低，耐磨性越好。但是太光滑的表面，不利于在凹坑和凸峰之间储存润滑剂，会造成模具与材料的直接接触，使模具的磨损更严重。,提高拉深模寿命的措施,合理选择模具材料 根据坯料材质的不同，选用与其亲和力小的模具材料。一般来讲，坯料为钢板，模具材料应选用有色金属，繁殖，坯料为有色金属，模具材料则选用钢和铁。,此外，对于不同的产品批量，不同的工件形状、大小，应选用不同的材料，从而降低产品成本。,（一）轻载拉深（拉深薄钢板和 铜、铝合金）时的模具材料 i生产批量较小时，对于形状简单的筒形 浅拉深件，可选用 T8、T10 钢；对于形状复杂的中小型件，选用 CrWMn、9Mn2V。ii中批量生产或生产批量较大时，选用 Cr12MoV。iii生产批量很大时，选用硬质合金 或钢结硬质合金。,（二）重载拉深（拉深厚钢板、反拉深、变薄拉深）时的模具材料 i生产批量较小时，可选用 T10、CrWMn。ii生产批量较大时，选用 Cr12MoV 以及 GM 钢。GM 钢的强度和韧性高于高速钢、Cr12MoV；抗粘附磨损和磨粒磨损能力明显优于基体钢和 Cr12MoV，在拉 深模方面 已得到较好应用。iii生产批量很大时，考虑选用硬质合金 或钢结硬质合金,（三）拉深不锈钢、高镍合金钢、耐热钢板的模具材料 i拉深这类材料时，容易发生粘附和拉毛，首选模具材料为铝青铜。ii生产批量较小时，可选用铝青铜、T10A（镀硬铬，注意采用镀硬铬工艺时镀层不能太厚，以防拉深时剥落）。iii生产批量较大时，选用铝青铜、Cr12MoV、Cr12Mo1V1（表面渗氮）。iiii生产批量很大时，选用硬质合金。,（四）大型 拉深件、汽车覆盖件的拉深模具材料 可以选用合金铸铁或高强度球墨铸铁。球墨铸铁能够浸入润滑油，组织中的石墨具有自润滑作用，能有效地减轻拉深中的摩擦，而且成本较低、容易加工。,合理润滑 在前述分析可知，在拉深中，毛坯和模具接触，在接触表面之间存在摩擦力，如图5-8 其中如果F2、F3、F4增大则拉深力就要增大，工件容易断裂或者严重变薄，模具和工件表面都会划伤，因此它们是是有害摩擦。而F1的存在时凸模传递拉深力的必备条件，所以它是有益摩擦。那么我们就必须选用润滑剂而且润滑剂的位置就在F2、F3、F4表面。拉深件应该必须进行正确的润滑。所谓正确的润滑是指：在凹模圆角、平面、压边圈表面及相应的毛坯表面应该每隔一定周期涂抹一层润滑油，一定不能再凸模表面与工件之间涂抹。,表面处理 模具常用的表面处理方法有：渗硼、渗铬和电火花强化,以及CVD、PVD和在盐浴中TD 等。此外，采用高频淬火、滚压、喷丸等表面强化处理,使模具工作零件表面产生压应力，提高其耐疲劳强度,有利于模具寿命的寿命。例如Cr12 钢拉深模，气象沉积TiC 后，使用寿命可以提高830 倍。,冲裁,冲裁是从板料上分离出所需形状和尺寸的零件或毛坯的冲压方法。冲裁是利用冲模的刃口使板料沿一定的轮廓线产生剪切变形并分离。冲裁模是冲压生产中不可缺少的工艺装备，良好的模具结构是实现工艺方案的可靠保证。冲压零件的质量好坏和精度高低，主要取决于冲裁模的质量和精度。冲裁模结构是否合理、先进，有直接影响到生产效率及冲裁模本身的使用寿命和操作的安全、方便性等。由于冲裁件形状、尺寸、精度和生产批量及生产条件不同，冲裁模的结构类型也不同。,冲裁模的分类,敞开模：结构简单，尺寸小、重量轻、制造易、本钱低、但寿命低、精度差、适于精度要求不高，开头简单，小批量或试制的冲裁件。导板式：精度比敞开模高，适于开头简单，工件尺寸不大的冲裁件。要求压力机行程不大于导板厚度。导柱式：导柱导向保证冲裁间隙均匀，冲裁件的工件尺寸精度高，模具使用寿命长，安装方便，适于大批量生产。连续模：条料要求精定位，使内孔与外形相互位置精度得到保证。生产率高，具有一定的冲裁精度，适于大批量生产。复合模：冲裁件的内外形相互位置精度高，适于大批量生产。,敞开模,导板式,导柱式,连续模,复合模,工作条件,冲裁模主要用于各种板材的落料与冲孔，模具的工作部位是凸、凹模的刃口，刃口工作时承受冲击力、剪切力、弯曲力，以及剪切材料的强烈摩擦力，因而对冲裁模的性能要求主要是指对模具刃口的性能要求。从冲裁工艺分析中我们已经得知，板料的冲裁过程可以分为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和剪裂阶段。在弹性变形阶段，当凸模对板料施加压力时，由于凸模和凹模之间存在间隙，受力部位不在同一垂线上。板料会在弯矩M的作用下产生翘曲，与凸模端面的中心部分脱离接触，。这时板料只和模具的凸、凹模刃口部分相接触，压力集中于刃口附近。在冲裁过程中，由于板料的弯曲，模具的受力主要集中于刃口附近的狭小区域。凸、凹模刃口区域不仅位于最大端面压应力和最大侧面压应力的交聚处，而且也处于最大端面摩擦力和最大侧面摩擦力的交汇处，工作时刃口承受着剧烈的压应力和摩擦力作用。,根据板料的厚度，冷冲裁模具可分为薄板冲裁模（板厚1.5mm）和厚板冲裁模（板厚1.5mm）两种。对于薄板冲模，要求模具用钢具有高的耐磨性；对于厚板冲裁模，除要求高的耐磨性、抗压屈服点外，还应具有高的强韧性，以防止模具崩刃断裂。下表是对不同冲裁模具的硬度要求。,冲裁模的主要失效形式,模具刃口所受作用力的大小和板料的力学性能、厚度等因素有关。考虑到板料厚度对模具冲裁负荷的影响，通常可以将冲裁按板料的厚度分为薄板冲裁(t1.5mm)和厚板冲裁(t1.5mm)。对于薄板冲裁模，由于模具受到的冲击载荷不大，在正常的使用过程中，模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式。磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段。对应于三个阶段，刃口的损伤过程如图11-3所示。,(1)初期磨损阶段 模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损。其磨损速度较快(见图11.1.1a)。(2)正常磨损阶段 当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面因应力集中产生应变硬化，(见图11.1.1b)。这时，刃口和被加工坯料之间的摩擦磨损成为主要磨损形式。磨损进展较缓慢，进入长期稳定的正常磨损阶段，该阶段时间越长，说明其耐磨性能越好。(3)急剧磨损阶段刃口经长期工作以后，经受了频繁冲压会产生疲劳磨损，表面出现了损坏剥落(见图11.1.1c)。此时进入了急剧磨损阶段，磨损加剧，刃口呈现疲劳破坏，模具已无法正常工作。模具使用时，必须控制在正常磨损阶段以内，出现急剧磨损时，要立即刃磨修复。随着刃口的磨损，工件的毛刺高度会不断增加，因此实际生产中，可以通过观测毛刺高度的大小来推断模具刃口的磨损量，在冲裁件达到质量允许的毛刺极限值时即进行刃 磨。,从磨损机理上分析，凸、凹模的磨损主要是粘附磨损和磨粒磨损。粘附磨损是在模具刃口在与板料的相对摩擦运动过程中，由于高压产生了局部的相互粘着和咬合现象当接触面相对滑动时，粘附部分便发生剪切引起磨损。磨粒磨损是指模具工作时表面剥落的碎屑嵌入工作部件表面，成为磨料，使其逐渐磨损的过程。冲裁硬度较高的金属材料（如高碳钢、硅钢）时，因材料 的硬粒或碳化物剥离而产生磨粒磨损。当冲压高韧性材料（如奥氏体不锈钢）时，易产生粘附磨损。,影响冲裁模失效的因素,工艺与模具设计(1)冲裁件的设计 模具设计的原则是保证足够的强度、刚度、同心度、对中性和合理的冲裁间隙,并减少应力集中,以保证由模具生产出来的零件符合设计要求。因此对模具的主要工作零件(如冲模的凸、凹模,注塑模的动、定模,模锻模的上、下模等)要求其导向精度高、同心度和对中性好以及冲裁的间隙合理。冲裁件结构的工艺性直接影响冲裁工艺和模具结构，进而影响模具的设计和制造成本。因此，冲裁件的设计应当考虑冲裁工艺的约束，严格控制冲裁件外形和结构尺寸的边界极限，即孔径、孔距、圆角和搭边极限等。尽可能选择强度低和厚度小的材料，这样才能提高冲裁模的寿命。,(2)冲裁工艺过程制订 在制定冲裁工艺过程时，首先构思若干可能的排样方式，择优选取。排样要考虑材利用率，但是必须满足边界极限限制的要求，即满足料边搭边值A=1.2t(t为材料厚度)的极限值，改善模具的侧向力，减少模具磨损。根据试验，如果搭边小于正常值的50%,模具寿命将降低50%70%。特殊结构的零件必须经过验算后才能确定是否适用冲裁加工，否则无法达到模具使用的经济性。,(3)模具结构 模具结构包括模具几何形状、模具间隙、冲头长径比、端而倾斜角、过渡圆角半径、装配结构等等。模具结构方案和技术参数是否合理将对模具寿命起到决定性作用。模具的结构方案取决于制品形状、尺寸精度、批量等，井从模具的经济性要求出发拟定出相应的模具结构。如是短期小批量生产，则宜采用简易模具结构，如属于长期人批量生产则宜采用自动化程度高的模具结构，如复合模、级进模等。,4)模具的冲裁间隙 冲裁模凸模和凹模之间的间隙大小及其均匀性(包括设计间隙和动态间隙)，不但对制件质量有明显影响，而且也是影响模具使用寿命的关键因素之一。间隙过大，材料会产生撕裂或在切断而周边出现人的压塌角和毛刺，毛刺高度可达数毫米，因此，冲裁件难以达到尺寸精度和断而质m:要求;间隙过小，凸、凹模刃口容易崩裂，产品断而出现反向拉拔状毛刺、二重光亮带或全光亮带，虽然冲件的尺寸精度和断而质量较好，但冲裁力明显增大，磨损加大，会使模具寿命降低。如果间隙不匀，上述现象会出现在模具的相应部位，这显然对冲件质量和模具寿命均不利。故选择合理的间隙，是获得优质产品和提高模具寿命的基础。,提高冲裁模寿命的措施,1、尽量采用大间隙 在满足冲压件质量的前提下，尽量采用大间隙，从而降低冲裁力，避免啃模及不均匀磨损。2、采用弹性卸料板 采用弹性卸料时，可提供一定的压边力，能减轻坯料滑动以及翘曲，减小对刃口的磨损。3、采用导向装置 模具具有导向装置，能保证工作状态的均匀间隙，克服刃口的不均匀磨损。,4、增加凸凹模刚度 凸模工作时类似于杆受轴向载荷，若凸模刚度不足，则抗偏载能力低，并易产生弯曲及造成折断和不均匀磨损。因此，一般凸模柄部面积和头部面积分别为工作端面面积的2倍和4倍。5、选取耐磨性好的模具材料 根据冲压件的批量，应选取能满足耐磨要求的模具材料。同时，由于凸模工况比凹模恶劣，凸模材料的耐磨性应选的比凹模材料的耐磨性高。6、采用表面强化技术 采用表面渗碳、渗硼等表面强化工艺能有效的提高模具表面的耐磨性。,7、超前维修 冲裁模的受力只局限于刃口附近，在使用一段时间后，刃口处会不可避免的出现不均匀磨损和磨损沟痕，如果提前修模，可避免因凸、凹模间隙不均匀而产生的附加弯矩及防止磨损沟痕处产生裂纹，以提高模具寿命。,