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第1章沖壓成型及模具設(shè)計
1.1簡介
金屬加工是工程科學(xué)的一個分支，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。主要用于沖壓，這不僅可以進行金屬薄板成形，而且也可以進行非金屬成形。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，就會發(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。
沖壓是進行模具和沖壓，并具有高生產(chǎn)率。沖壓的機械化和自動化，由于其操作簡便，可實現(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。
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
一個落料過程中，涉及到放在模具上的毛坯，凸模向下移動到?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，該材料被壓縮，是由拉伸強度和彎曲彈性變形造成的。在這個階段，內(nèi)應(yīng)力不超過毛坯的彈性極限。如果卸料時發(fā)生變形則會彈性恢復(fù)。
2塑性變形階段
當(dāng)凸模使毛坯進一步向下，毛坯的內(nèi)應(yīng)力達(dá)到其屈服強度，剛其就會開始出現(xiàn)塑性變形和滑動變形。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)和縮進出現(xiàn)③和④。而毛坯受到凸模的進一步作用，變形區(qū)的塑性變形和加工硬化增加，進一步的擠壓。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)層逐漸滿足兩個裂縫時，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毛坯施加的力;μF1和μF2是凸模和凹模對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大。當(dāng)兩個裂縫滿足一定條件時，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重要因素。
其圖中所示，切割斷面可以分為四個區(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，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，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)時會形成進模壓力，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制，以便在落料凸模和凹模之間找到一個最佳間隙的計算方法。
1.2.4落料和沖孔
1落料模的典型結(jié)構(gòu)
（1）單工序模
在一個行程內(nèi)只有一個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）級進模
在一個工作行程內(nèi)有幾個沖裁過程是在不同位置的模具稱為級進模，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向下移動到毛坯，從而凸模1產(chǎn)生工件8。當(dāng)沖床復(fù)位時，卸料板6就會將毛坯7從凸模4上卸下，毛坯7向前移動一步，然后開始第二個沖裁。不斷重復(fù)上述步驟。毛坯的步距由導(dǎo)料銷控制。
圖1-8沖裁和沖壓級進模
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
在一個工作行程中幾個沖裁都在同一模具的同位置進行的模具稱為復(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)壓力機隨著凸凹模1向下移動，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進行拉深操作。拉深凹模5和卸料塊3推動模具拉深工件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（請參閱圖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，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)。
對于一些小型的凸模，它也可以被低熔點合金凸模固定板，無機或環(huán)氧樹脂膠粘劑進行固定。
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)計與制造專業(yè)英語 》（書名），2006，第1版，P1～14（頁碼）