小孔沖裁的特征_失效形式及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1、小孔沖裁的特征 、失效形式及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)彭成允 ,鄧明(重慶工學(xué)院 材料系 ,重慶 400050)摘要 :探討了小孔沖裁的過程特征 、模具失效形式以及防止措施 ,并從模具結(jié)構(gòu)和小凸模設(shè)計(jì)等方面提出了這類模具的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 。關(guān)鍵詞 :沖裁 ;小孔 ;模具中圖分類號 :TG76文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :A文章編號 :1007 - 9483( 2002) 02 - 0023 - 03Characteristics , Inval id Pa ttern of L ittle Hole Punching and Ma in Points of D ie DesignP EN G Cheng - yun , D EN

2、 G Ming( Cho ngqing Instit ute of Technology ,Cho ngqing ,400050 ,China)Abstract :This paper discusses t he p rocess characteristics of lit tle hole p unching , t he dies invalid pat terns and t heir measures of avoidance. The main point s of designing t his kind of die are brought forward f ro m re

3、spect s of die st ruct ure and t he design of lit tle p rot ruding die.Key words :Punching ; Lit tle Hole ; Die厚板小 孔 沖 裁 時(shí) 因 沖 頭 截 面 小 , 受 力 條 件 惡 劣 , 在 設(shè)計(jì) 、制造 、使用過程中可導(dǎo)致沖頭彎曲 、崩刃 、折斷 、磨損嚴(yán) 重而使模具壽命降低 。為了提高小孔沖裁模具的壽命 ,有必要研究小孔沖裁過程及機(jī)理 ,并對模具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行探 討 。模下壓 ,其模具刃口壓入板料 。b1 塑性流動階段 (如圖 1 ( b) 所示) 。凸模下壓 ,材料向 孔周流動

4、并開始被擠入凹?？變?nèi)產(chǎn)生定向塑性流動 。c1 塑剪變形階段 ( 如圖 1 ( c) 所示) 。當(dāng)凸模繼續(xù)下行 進(jìn)入材料深度達(dá)到一定時(shí) ,孔壁材料產(chǎn)生強(qiáng)化和塑性減小的現(xiàn)象 ,這時(shí)材料停止向孔周流動 ,大量材料擠入凹模內(nèi) ,材料在刃口處出現(xiàn)顯微裂紋 。d1 剪裂階段 (如圖 1 ( d) 所示) 。凸模繼續(xù)下行 ,顯微裂 紋在金屬材料內(nèi)部擴(kuò)展 ,此時(shí)在凹模刃口處的材料也出現(xiàn) 剪切裂紋 ,并開始剪裂 。e1 分離推卸階段 ( 如圖 1 ( e) 所示) 。凸模進(jìn)入凹模約0151mm ,廢料與孔完全分離 。1 沖裁過程如圖 1 所示 ,厚板小孔沖裁具有 5 個(gè)階段的變形過程 ,具體闡述如下1 。a1

5、彈性變形階段 (如圖 1 (a) 所示) 。凸模接觸板料 ,板 料即受到凸 、凹模壓力而產(chǎn)生彈性壓縮 。由于孔小 ,坯料剛性較好 ,拉伸和彎曲變形的成分比普通型孔沖裁時(shí)少 ,隨凸圖 1 沖裁過程圖由于 d/ t 小 ,變形區(qū)壓應(yīng)力的成分比普通沖裁時(shí)要大 ,故其分離形式不是一般沖裁的撕裂 ,而是屬于塑剪分離 ,具 有深孔沖擠剪切特性 。時(shí)還要承受卸料所引起的拉應(yīng)力 ,在強(qiáng)烈的壓縮和拉伸交變沖擊載荷條件下沖頭易疲勞破壞 。d1 導(dǎo)向是厚板沖裁的關(guān)鍵問題 。在沖頭上 增 設(shè) 導(dǎo) 向 護(hù)套能有效提高沖頭強(qiáng)度 、剛度 ,防止側(cè)向力的產(chǎn)生 。e1 小孔沖裁對于小孔與外形的距離有一定要求 ,如果 孔邊距過小

6、 ,就會引起沖孔的材料向外漲出 ,使沖頭受到不 平衡的側(cè)向力 ,產(chǎn)生彎曲 ,甚至折斷 。f 1 小孔沖裁時(shí) ,在沖孔前宜在孔周圍加較大的頂壓力 。這樣不但有利于改善沖裁條件 ,還可以防止沖孔時(shí)材料發(fā) 生偏移而使沖頭折斷 。2 厚板小孔沖裁的失效形式及工藝分析 2 a1 小孔沖裁過程中 , 由于擠壓力 大 、材 料 厚 度 和 材 質(zhì) 的不均等都可引起較大側(cè)向力而使沖頭折斷 、崩刃 。b1 厚板沖裁擠剪切力大 ,小沖頭承載能力有限 。在惡劣的受力條件下摩擦發(fā)熱嚴(yán)重 ,粘著磨損嚴(yán)重 ,需潤滑 。c1 沖頭在沖裁過程中既要承受較強(qiáng)的沖擊載荷 ,卸料收稿日期 :2002 - 01 - 07作者簡介 :

7、彭成允 ( 1961 - ) ,女 ,重慶人 ,重慶工學(xué)院副教授 ,工學(xué)學(xué)士 ,主要從事沖壓工藝及模具設(shè)計(jì)的教學(xué)與研究工作 。242002 年 3 月 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程 第 31 卷 第 2 期g1 卸料是小孔沖裁的一個(gè)重要環(huán)節(jié) ,細(xì)小沖頭往下能承受沖裁力 ,而在卸料時(shí)容易斷裂 ,這是因?yàn)榭讻_穿后工件 擠壓變形回彈 ,將沖頭咬死 ,或由于在壓力機(jī)滑塊回程時(shí)機(jī) 身 、模具受重載后回彈 ,引起沖頭受側(cè)向力而折斷 。剖視) 。凸模的下部套有凸模護(hù)套 ,凸模護(hù)套上端開有等分3 個(gè)固定扇形糟 ,可在 3 個(gè)固定的扇形塊中上下滑動 ,所以 凸模在任意位置均處于導(dǎo)向狀態(tài) 。c1 由于凸模護(hù)套突出在卸料板外

8、 ,沖壓時(shí)凸模護(hù)套接 觸材料 ,他的面積小 ,將強(qiáng)力彈簧的壓力傳到材料上 ,使沖 孔周圍材料受到很大壓力 ,有利于沖孔 ,因而沖出的斷面光 滑 ,粗糙度較小 。圖 4 所示的模具采用超短凸模結(jié)構(gòu)來防止在沖裁過程 中凸模產(chǎn)生彎曲變形而折斷 。超短凸模的工作原理是 :采用 沖擊塊與小凸模進(jìn)行沖裁工作 ,小凸模由壓板進(jìn)行導(dǎo)向 ,而 壓板由 2 個(gè)導(dǎo)柱 16 進(jìn)行導(dǎo)向 。當(dāng)上模下行時(shí) ,大壓板 18 與 小壓板 17 先后壓緊工件 ,小凸模 4 對工件進(jìn)行沖孔 。卸料 由大壓板 18 完成 。這副模具設(shè)計(jì)時(shí)必須保證厚料沖孔模具 的凹模洞口漏料必須通暢 ,防止發(fā)生堵塞損壞凸模 。同時(shí)該 模具采用滾珠導(dǎo)柱

9、 、導(dǎo)套的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)來提高導(dǎo)向精度 。3 小孔沖裁模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)311 模具結(jié)構(gòu)由于小沖頭受力條件惡劣 ,易產(chǎn)生彎曲 、崩刃折斷 ,因而 首先要解決模具的整體剛度 、強(qiáng)度問題 ,以消除設(shè)備導(dǎo)向精 度差和回彈所引起的沖頭破壞 ;其次是消除模具重載沖壓后 變形及回彈引起的沖頭破壞 。在整體強(qiáng)度 、剛度合理?xiàng)l件下 更重要的就是上下模精密導(dǎo)向問題和沖頭的護(hù)套設(shè)計(jì) 。下面用全長導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保護(hù)沖頭和采用超短沖頭結(jié)構(gòu)模 具來說明這類模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 。圖 2 是一副采用全長導(dǎo)向結(jié)構(gòu)保護(hù)凸模的模具 , 他具 有如下優(yōu)點(diǎn) 。a1 圖 2 所示模具的導(dǎo)柱不但在上 、下模座之間進(jìn)行導(dǎo) 向 ,而且對卸料板也進(jìn)行導(dǎo)向 ,

10、因此在沖壓過程中 ,卸料板就 能嚴(yán)格地保持與上 、下模座的平行 。裝配在卸料板中的凸模 護(hù)套精確地與凸模配合 ,當(dāng)凸模受側(cè)向力時(shí) ,卸料板通過凸 模護(hù)套承受側(cè)向力 ,保護(hù)凸模不致發(fā)生彎曲 。該模具采用了 浮動模柄結(jié)構(gòu) ,解決了壓力機(jī)滑軌導(dǎo)向精度差的問題 。11 下模座 21 凹模 31 定位板 41 凸模 51 沖擊塊61 導(dǎo)柱 71 壓料彈簧 81 導(dǎo)套 91 浮動模柄101 上模座 111 墊板 121 彈簧 131 固定板 141 小導(dǎo)套151 矩形彈簧 161 小導(dǎo)柱 171 小壓板 181 卸料板圖 4 超短凸模沖孔模312 小孔沖裁凸模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)a1 由于沖壓過程是沖擠剪切過程 ,

11、靜壓成分大 ,沖頭單 位面積上受力增大 。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對凸模進(jìn)行最小斷面強(qiáng)度校核和最大長度失穩(wěn)彎曲校核 ,即11 下模座 21 凹模固定板 31 壓料板 41 鑲板 51 彈簧61 上模座 71 法蘭盤 81 模柄 91 墊板 101 凸模111 墊板 121 凸模固定板 131 固定滑板 141 夾持板151 導(dǎo)柱 161 壓料板導(dǎo)套 171 導(dǎo)套 181 定位板191 活動護(hù)套 201 凹模圖 2 全長導(dǎo)向凸模沖孔模A min F/ 最小斷面積式中 F = F1 + F2 。凸模最大長度滿足 :無導(dǎo)向 L max 425 J / F ;有導(dǎo)向L max 1 200J / F 。上述式中 : F

12、 為沖裁力 ,N ; F1 為塑性變形力 ,N ; F2 為剪切力 ,N ; 為凸模材料的許用壓應(yīng)力 , M Pa ; J 為凸模最小斷面的慣性矩 ,mm4 。b1 小凸模一般應(yīng)采用臺階式結(jié)構(gòu) ,這樣易于固定 ,制造 容易 ,剛度 、強(qiáng)度都較好 。為了防止應(yīng)力集中 , 提高疲勞壽 命 ,應(yīng)增大尺寸過渡處的圓角半徑 。c1 一般不采用退刀槽 ,在凸模刃口端面不能留有中心孔 ,以防止刃面受力而產(chǎn)生崩刃失效 。d1 沖頭的后端應(yīng)有強(qiáng)硬的承壓板承受沖壓沖擊力 ,在 沖頭外采用具有導(dǎo)向的強(qiáng)力彈性卸料裝置 ,將坯料壓緊不 竄動 ,使沖頭不受坯料偏移和卸料引起的側(cè)向力 。e1 沖頭 熱 處 理 可 適 當(dāng)

13、降 低 硬 度 , 提 高 韌 性 , 一 般 為圖 3 全長導(dǎo)向結(jié)構(gòu)原理圖b1 一般沖孔凸模都只采用局部導(dǎo)向結(jié)構(gòu) ,圖 2 所示的 模具卻采用了全長導(dǎo)向結(jié)構(gòu) ,其原理圖如圖 3 所示 。凸模 的上部分由 3 個(gè)固定的扇形塊保持著固定導(dǎo)向 ( 見 A - A·設(shè)計(jì)與研究·25彭成允 鄧 明 小孔沖裁的特征 、失效形式及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)HRC5456 。f 1 降低尺 寸 過 渡 處 表 面 粗 糙 度 。對 模 具 進(jìn) 行 研 磨 拋 光 ,以提高表面精度 ,降低粗糙度 ,消除微觀裂紋 、波峰 ,消 除應(yīng)力集中源 。沖頭制造所帶來的細(xì)微裂紋相當(dāng)于一個(gè)個(gè) 應(yīng)力集中源 。在拉 -

14、壓循環(huán)應(yīng)力作用下 ,很容易擴(kuò)散 ,造成沖頭疲勞斷裂 。因此小沖頭的表面粗糙度應(yīng)取 R a 014 以 下 。小沖頭與卸料板應(yīng)取較高的配合精度 , 一般取 H7/ h6配合 ,甚 至 H7/ f 6 。凸 模 與 固 定 板 采 用 H7/ m6 , 也 可 采 用 H7/ h6 。在卸料板的精確導(dǎo)向下凸模固定部分有適當(dāng)?shù)恼{(diào) 整余地 ,可避免因沖裁模制造精度誤差而產(chǎn)生側(cè)向力 。4 結(jié) 論小孔沖裁模具的壽命較一般沖裁模低 , 但只要充分分 析其受力狀況 ,并在模具選材 、結(jié)構(gòu)和沖壓工藝等方面認(rèn)真 考慮 ,完全可以有效地提高他的使用壽命 。參考文獻(xiàn) :彭成允 1 厚板小孔沖裁的力學(xué)分析 J 1 重

15、慶 工 學(xué) 院 學(xué) 報(bào) ,2001 ( 5) :761彭成允 1 厚板小孔 ( 窄槽) 沖裁模具壽命有關(guān)問題探討J 1 鍛 壓技術(shù) ,2000 ( 6) :50112(上接第 10 頁)利用可行方向法和混合策略求解十桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)構(gòu) 的結(jié)果見表 1 。表 1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)的結(jié)果可行方向法優(yōu)化解/ cm2 混合策略優(yōu)化解/ cm2設(shè)計(jì)變量x 1 x 2 x 3 x 4 x 5 x 6 x 7 x 8 x 9x 10目標(biāo)數(shù)值 F ( X) / kg2021320164149180100100019711555316814012913815801642 3421951800164151161941900

16、16411485217713916813619701932 302圖 3 十桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化迭代過程參考文獻(xiàn) :葉元烈 1 機(jī)械優(yōu)化理論設(shè)計(jì) M 1 北京 : 中國計(jì)量出版社 ,2001132 - 601魏 紅 1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和梯度類算法的混合優(yōu)化方法研究 D 1南京 :南京工業(yè)大學(xué) ,20011易繼鍇 ,候女妥彬 1 智能控制技術(shù) M 1 北京 : 北京工業(yè)大學(xué) 出版社 ,19991102 - 1121陳 文 偉 1 智 能 決 策 技 術(shù) M 1 北 京 : 電 子 工 業(yè) 出 版 社 ,19981134 - 1461Feury C ,Braibant V . St ruct ural optim

17、izatio n :a new dual met ho d using mixed variablesJ 1 Internatio nal Jo urnal fo r Numerical fo r Met ho ds in Engineering ,1986 ,23 ( 3) :409 - 4301王金諾 ,黃文培 1B P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在超重機(jī)箱形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J 1 超重運(yùn)輸機(jī)械 ,1998 ( 6) :221123十桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化迭代過程如圖 3 所示 。綜上所述 ,利用高度非線性映射能力將 B P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 和梯度法結(jié)合起來 ,提出了混合優(yōu)化的策略 ,使得 B P 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于機(jī)械機(jī)構(gòu)優(yōu)

18、化設(shè)計(jì)成為可能 ; 同時(shí)和傳統(tǒng)的有約束優(yōu)化方法相比 ,提高了收斂速度 ,并能進(jìn)一步提高優(yōu)化 結(jié)果 。457(上接第 22 頁)系統(tǒng)時(shí) ,只需按照閥桿尺寸 受力分析 強(qiáng)度校核 輸出結(jié)果的步驟 , 輸入所需的參數(shù) , 單擊一下按鈕就可 以 了 。 圖 7 是閥桿摩擦阻力扭矩分析計(jì)算的界面 。的閥門 ,本系統(tǒng)更體現(xiàn)出高效的優(yōu)勢 。對于一個(gè)閥門設(shè)計(jì)人員 ,從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到強(qiáng)度驗(yàn)算到出工程圖 ,能在 幾個(gè)小時(shí)內(nèi)設(shè)計(jì)出符合市場需求的一種規(guī)格的軌道式球 閥 ,大大縮短了設(shè)計(jì)周期 ,滿足了顧客需求 ,為企業(yè)占領(lǐng)市 場先機(jī)提供了技術(shù)保障 ,產(chǎn)生了較大的經(jīng)濟(jì)效益 。參考文獻(xiàn) :楊源泉 1 閥門設(shè)計(jì)手則M 1 北京 :機(jī)械工業(yè)出版社 ,19921董仁揚(yáng) 1 三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件