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国内外精冲先进技术分析与探讨


为了实现精冲必须保证材料在精冲过程中始终是塑性变形,精冲技术中无论是工艺力的配置、模具结构和几何参数的选取、材料的性能和球化处理以及工艺润滑剂的应用等,都集中围绕着一个核心问题——保证塑性变形过程的顺利进行,阻止材料在精冲过程完成前产生撕裂(抑制撕裂)。

目前国内外应用最广的精冲技术是强力压边精冲,其变形机理是使材料处于三向压应力作用下产生塑性剪切,获得光洁冲裁断面。虽然有的精冲生产企业开发出一些新的精冲工艺方法,但上述变形机理却没有根本改变。

本文介绍的几种精冲工艺,依然是基于塑性变形原理,只是针对不同的零件特征,通过对模具结构和几何参数做适当改进,相应采取各种不同的保持材料塑性变形的精冲方法。

无齿轮优化间隙精冲工艺

无齿圈优化间隙精冲(或称平面压边精冲)是类似于强力压边精冲的一种精冲工艺,美国EBWay公司开发的挤出精冲(Gripflow stamping)和德国Wanzke公司开发的集成精冲(Integral fineblanking)均属于无齿圈优化间隙精冲,这两个公司都具有专用的精冲压力机并大批量生产精冲件。

无齿圈优化间隙精冲技术是基于强力压边精冲、小间隙、圆角刃口冲裁工艺等技术而提出的,主要通过优化凸、凹模间隙及刃口圆角等参数来实现在板料变形区建立静水压力,从而实现精冲。

无齿圈优化间隙精冲与强力压边精冲相比,在工艺、模具和设备方面有很多相似之处

主要区别是:

01


压边圈上没有V形齿,为平面形状,冲裁开始前和冲裁过程中平面压边圈均压紧材料,保持材料和冲裁方向垂直。

02

冲裁间隙取值和强力压边精冲不同。

优化间隙精冲有两层含义,其一是指针对不同性能的材料选用不同的间隙;其二是同一个精冲零件上,针对不同部位的要求选取不同的间隙(不允许撕裂部位用更小的间隙)。

优化间隙精冲的特点:

01

能够降低精冲模具的维修频率及难度。

02

能提高精冲模具寿命。

03

能节省精冲原材料,提高材料利用率。

应用实例

 上图是汽车座椅锁块零件,材料:45钢,厚度:4mm。采用了无齿圈优化间隙精冲技术,加工出来的产品剪切面良好,满足使用要求。

传统的强力压边精冲,模具间隙沿零件外廓整个周边通常是一样的,如大家常说的间隙0.03mm,即指模具的单边间隙是0.03mm且沿周均匀。沿周均匀的模具间隙是强力压边精冲所必须保证的,否则间隙大的一侧容易产生撕裂。优化间隙精冲并不是单纯地让间隙集中在一侧,而是根据零件允许的撕裂部位以及零件上容易产生的撕裂部位进行间隙优化、凹模圆角优化。以图1座椅锁块零件为例,如下图所示,标记轮廓处间隙:0.02 mm,凹模圆角半径R0.5;其余处间隙:0.04mm,凹模圆角半径R0.2。标记轮廓处不允许有撕裂,但又是容易撕裂的部位,那么可在此处选择更小的间隙,较大的凹模圆角半径,而其余轮廓正好相反。由于采取了以上技术措施,压板则可以不带齿圈,压边力也可以适当降低。对于某些要求四周全光亮带的零件,仍然可以进行间隙优化及凹模圆角半径优化,而使压板不带齿圈。

闭挤式精冲工艺

闭挤式精冲工艺方法的原理是通过在变形的过程中,使坯料始终被限制在有限的模具型腔内,造成变形区出现比强力压边精冲更强的三向压应力,提高变形区材料的塑形,以达到精冲低塑性材料和厚板的目的。

外环填充率对剪切面光洁比例的影响:

材料在主凹模与副凹模的挤压下,沿径向向外流动,填充主副凹模所形成的外环腔。外环填充率指成形结束后,外环废料体积与外环腔体积之比,用来反映材料在主副凹模挤压下材料变形程度。实验结果如下图(材料:硬铝YL12板材,厚度:13mm)所示。

半闭挤式精彩工艺

半闭挤式精冲是在强力压边精冲方式的基础上,通过对压边齿圈的形状、位置以及凹模刃口结构的改进,使变形区材料受到更大的三向压应力,以利于厚板零件的精冲成形。由于这种工艺方法是先将变形区材料强制转移到压边圈与凹模之间所形成的半封闭空间,然后进行精冲,因之称之为半闭挤式精冲。


模具结构与强力压边精冲的区别:

(1)压边圈的齿圈与零件外形紧邻,断面为梯形,类似于对象凹模;

(2)凹模刃口内凹。

精冲变形过程:在压边圈、反顶杆、凸凹模与凹模的作用下,板料先被镦挤错位,当压边力与反顶力超过设备压边缸设定压力时,凸凹模相对于压边圈下行,在凸模、凹模的共同作用下,完成内孔与外形精冲过程。应用实例:纺织机械零件——花板轮

套排精冲工艺

在以往的精冲技术应用过程中,通常是在一付模具上制出一个零件,有时也出于提高生产率或材料利用率考虑,在一付模具上制出多个形状相同或不同的小零件,各个件之间留有一定的搭边距离,这种做法很平常也没有多少技术难度。但是,汽车用零件的设计形式多样,下图所示为离合器上的一对盘毂/外盘毂零件,他们都是典型的精冲件,分别精冲成形无任何技术问题。

但仔细研究它们之间的尺寸关系发现,内盘毂的外形尺寸恰巧与外盘毂的内形尺寸基本一致(去除三个多余的扇形废料后),如果能采用一种新工艺,在一块毛坯材料上同时做出这一对零件,那么材料利用率将提高近一倍(约节省一公斤),从而大大降低生产成本。下图两对零件也属于这种情况。

工艺分析(以增压转子/挡圈为例)

(材料:40Cr  厚度:3.5mm),增压转子的外径为φ23.8mm,与挡圈内径之差只有为1mm。采取的工艺方案如下图所示。


第一工步,冲中心孔,该孔还作为以后各工步的定位孔。

第二工步,冲增压转子上的5个孔。

第三工步,增压转子落料,此时,增压转子加工完成。

第四工步,整修挡圈内孔,同时落料。

前三个工步都是针对内件——增压转子成形,利用传统的精冲方法即可。第四工步类似于冲孔—落料复合成形,但由于内型几乎没有搭边,保证剪切面光洁度比较困难。根据在材料变形区建立起三向压应力就能实现精冲的基本原理,通过模具结构优化设计,充分利用1mm宽的搭边,实践证明可以获得光洁冲裁面。优化设计的模具局部结构如下图所示。

第四步挡圈内孔的成形方法,实际上是修边量较大的整修工序,可以预见,这种工艺方法也能够用于外形整修。大家如果遇到此类情况,可以进一步深入研究。

往复成形精冲工艺

往复成形精冲是在吸取了强力压边精冲、对向凹模精冲、振动修边和往复冲裁四种工艺特点的基础上构思的一种精密成形新工艺。

往复成形精冲模具的工作部分由二个凹模和二个凸模组成,一个凹模固定,另一个凹模和二个凸模的成形力应能单独调节,并可按预定的程序动作施压。

这种工艺目前已经过试验,并获得了厚度达12mm的35钢试样。存在的问题是设备动作复杂,零件剪切面容易造成轻微拉伤。

如想了解更多细节,可参考资料

“纵向级进”复合成形精冲技术

在同一工位完成复合成形,可提高精冲件尺寸精度和稳定性,但往往在模具结构和材料的塑性变形上受到限制。上图所示的零件,如果采用2个工位的级进模进行精冲,则对定位精度要求很高。如采用“纵向级进”的复合成形,产品精度非常容易保证。所谓“纵向级进”的复合成形,即在同一工位的上下模具内部采用双重甚至三重的复合 模结构,并通过设有辅助油压独立控制的精冲机来实现单工位多重复合成形。如同闭塞锻造,将上下各个凸凹模的动作及材料的流动控制在最佳状态。

国内外精冲技术应用水平概况


参考文献:

[1] 邓明等.基于物理试验的闭挤式精冲工艺研究.锻压技术,2010

[2] 朱玉生等. 转子-挡圈精密套冲成形新工艺及数值模拟.锻压技术,2006

[3] 涂光祺编著. 精冲技术.机械工业出版社,2005.10;

[4] 林一雄,谭建平.日本精冲加工的最新情况.锻造与冲压,2005


赵彦启   研究员、硕导

北京机电所副总工程师

中机精冲科技(福建)有限公司总经理  

作者简介链接:http://www.brimet.ac.cn/CN/jobzinfo.aspx?nid=361

中机精冲官方网站:http://www.cmfb.com.cn/

文章来源:百度文库

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