沖壓工藝與模具設計沖壓工藝過程設計

1、第6章 沖壓工藝過程設計沖壓工藝過程是沖壓件各加工工序的總和。加工工序不僅包括沖壓件所用到的沖壓加工基本工序，而且包括基本工序之前的準備工序、基本工序之間的輔助工序和基本工序之后的后續(xù)工序。工藝過程設計的任務就是根據(jù)生產(chǎn)條件，對這些工序的先后次序做出合理安排(協(xié)調組合)，其基本要求是技術上可行、經(jīng)濟上合算，還要考慮操作方便與安全。沖壓工藝過程的優(yōu)劣，決定了沖壓件的質量和成本，所以，沖壓工藝過程設計是一項十分重要的工作。6.1 沖壓工藝過程設計步驟沖壓工藝過程設計涉及的內容很多很廣，所以應分步進行，其步驟現(xiàn)已大體形成規(guī)律，可依據(jù)程序進行。一般步驟如下。1. 熟悉原始資料在接到?jīng)_壓件設計任務之后，

2、首先應熟悉以下原始資料：(1)產(chǎn)品圖及技術條件或實物樣品；(2)原材料的牌號、尺寸規(guī)格、沖壓性能；(3)生產(chǎn)綱領或生產(chǎn)批量；(4)可提供的沖壓設備種類、型號、規(guī)格、技術參數(shù)及使用說明；(5)可提供的模具制造能力與技術水平；(6)相關技術標準和資料。2. 沖壓件的工藝性分析按上述原始資料對沖壓件的結構形狀、尺寸、精度要求、材料性能等進行分析。判斷該沖壓件用沖壓工藝成形能不能達到規(guī)定的技術要求，需要哪幾種性質的工序和工步，各道中間工序件/半成品的形狀和尺寸由哪道工序完成，然后按前幾章分別闡述的沖壓工藝性要求逐個分析，裁定該沖壓件加工難易程度，裁定是否需要采取特殊工藝措施。由于生產(chǎn)條件(工藝裝備及生

3、產(chǎn)的傳統(tǒng)習慣)不同，工藝性的涵義也會有一些差異。若存在沖壓工藝性不好、沖壓加工困難，則應在不影響其使用性能的前提下提出修改意見，經(jīng)與產(chǎn)品設計人員協(xié)商同意后對沖壓件圖樣作出適合工藝性的修改。3. 確定最佳工藝方案通過工藝性分析，結合工藝計算，并經(jīng)分析比較確定最佳方案，這是沖壓工藝過程設計中十分重要的環(huán)節(jié)。其內容包括工藝性質、工序數(shù)目、工序順序、工序件/半成品件的形狀尺寸以及其他輔助工序的安排，6.2節(jié)將專題敘述。4. 完成工藝計算工藝方案確定后，對各道沖壓工序進行工藝計算，其內容主要包括：(1)排樣及計算材料消耗定額；(2)計算沖壓所需的力、所消耗的功；(3)計算凸、凹模工作部分尺寸。5. 選擇

4、模具類型及結構形式根據(jù)確定的工藝方案和沖壓件形狀特點、精度要求、生產(chǎn)批量、模具加工條件、操作方便與安全等要求，選定沖模類型及結構形式。一般而言，用復合模沖出的制件精度高于級進模，而級進模又高于單工序模。這是因為用單工序模沖壓多工序的沖壓件時，要經(jīng)過多次定位和變形，產(chǎn)生積累誤差大，沖壓件精度較低。復合模是在同一位置一次沖出，不存在定位誤差。因此，厚料、低精度、小批量、大尺寸的沖壓件宜單工序生產(chǎn)，用簡單模；薄料、小尺寸、大批量的產(chǎn)品宜用級進模連續(xù)生產(chǎn)；而形位精度高的產(chǎn)品，可用復合模加工相關尺寸。詳細內容見第7章。6. 選擇沖壓設備根據(jù)工藝計算結果和模具空間尺寸的估算值，結合可提供的沖壓設備情況，合

5、理確定設備類型和標稱壓力。7. 編寫工藝過程卡沖壓工藝過程設計的歸宿是編制出沖壓工藝過程卡，它是針對具體沖壓產(chǎn)品，對其生產(chǎn)方式、方法、數(shù)量、質量等作出的全部決定和記載，其內容主要包括工序名稱、工序內容、工序說明(工序件/半成品形狀和尺寸)、模具類型、選用設備、檢驗要求等(參見表6.1、表6.2)。應該說明的是，上述各項內容難免互相聯(lián)系、互相制約，因而各設計步驟應前后兼顧和呼應，有時要互相穿插進行。6.2 沖壓工藝方案的確定在分析沖壓件加工工藝性的基礎上，提出各種可能的沖壓工藝方案，經(jīng)過綜合分析、比較，最后確定適合生產(chǎn)條件的最佳方案，其內容主要包括工序性質、工序數(shù)目、工序順序以及其他輔助工藝(熱

6、處理等)的安排。6.2.1 工序性質的確定工序性質是由沖壓件的結構形狀、尺寸精度、弱區(qū)的變形性質所決定。一般沖壓件的加工過程由表1.1、表1.2中所列的各基本工序中的一個或幾個組成，即可完成沖壓成形。簡單沖壓件的形狀能很直觀地反映出沖壓加工的工序性質類別，如圖6.1所示彎曲件，需經(jīng)落料、彎曲、沖孔等工序完成。但有些沖壓件工序性質類別并不能直觀地反映出來，其弱區(qū)和強區(qū)是相對的，必須通過計算和比較才能確定，如圖1.13所示“環(huán)形坯料的變形趨向”，改變坯料各部分的相對尺寸、改變模具工作部分的幾何形狀和尺寸，甚至改變坯料和模具之間的摩擦阻力，都會使坯料某部分由弱區(qū)轉化為強區(qū)，或由強區(qū)轉化為弱區(qū)，從而改

7、變沖壓工序的性質。為了使每道工序都能順利完成任務，必須使該道工序中應該變形的部分處于弱區(qū)，并保證需要變節(jié))。為了改善弱區(qū)的變形條件，有時要增加一些附加工序。如圖6.2所示的軸承蓋零件，其拉深系數(shù)為0.43，已超過極限拉深系數(shù)，不能一次拉深成形，該件的一種工藝方案為落料第1次拉深第2次拉深沖23mm孔，但若在落料同時，在坯料中心預沖11mm孔，則在拉深時凸緣仍然是弱區(qū)，但底部也可以產(chǎn)生一定的變形量，拉深時11mm孔擴大，底部的部分材料轉向側壁，從而使成形高度得到增加，而坯料直徑則可適當減小，因此可一次拉深成形，此時該件的工藝方案變?yōu)闆_孔(11)落料復合拉深沖孔(23)。顯然，后一方案更好。此外，

8、沖裁件如果平面度要求較高，應增加校平工序；彎曲件彎曲半徑太小時，應增加整形工序，使之達到要求；各類空心件若采用拉深工序，拉深件圓角半徑太小時，也要增加整形工序。圖6.1 彎曲件圖6.2 軸承蓋零件圖6.2.2 工序數(shù)目的確定沖壓件基本工序確定后，工序數(shù)目主要根據(jù)材料的極限變形參數(shù)(如拉深系數(shù)、翻邊系數(shù)、縮口系數(shù)、脹形系數(shù)等)來確定，此外，下列因素也對工序數(shù)目的確定產(chǎn)生影響。1. 沖壓件的形狀、尺寸要求的影響對于復雜的沖裁件，由于受模具結構或強度限制，常常將其內外輪廓分成幾個部分，用幾道沖壓工序或在級進模中分幾個工步進行沖裁。非?？拷目祝荒芡瑫r沖出，也要分步?jīng)_裁。彎曲件的工序數(shù)目決定于彎角的

9、多少、相對位置和彎曲方向。2. 工序合并情況的影響對于多工序的沖壓件，應盡可能把沖壓基本工序合并起來，采用復合工序或級進工序，以提高生產(chǎn)效率。料薄、尺寸小的沖壓件，宜通過工序合并，用級進工序進行沖壓；形位精度高的沖壓件，宜通過工序合并，用復合工序加工相關尺寸，反之宜采用單工序分散沖壓。工序合并與否，還需考慮沖壓設備能力、模具制造能力、模具造價及使用的可靠性。3. 沖壓件的尺寸精度及形位公差要求如圖6.3所示的某鎖圈，因為內孔是配合尺寸，有精度要求，所以其工藝方案為落料成形沖孔。如果其內孔22沒有精度要求，則其工藝方案可以是落料沖孔復合成形。這樣工序少、效率高。圖6.3 有精度要求的鎖圈彎曲件彎

10、曲角度公差要求較高時，需增加校正彎曲；有凸緣拉深件底部和凸緣有平面度要求時，要增加整形工序。拉深件的口部、翻邊件的邊緣等都難以直接做到規(guī)則而平齊，因而一般情況下，拉深件、翻邊件等最后都有一道修邊工序。若對周邊口部沒有較高要求時，修邊工序可省略。4. 坯料類型的影響如圖5.24所示，該制件如用板料加工，從落料到最后沖孔共需6道工序，改為用管料則只需切斷、縮口、第2次縮口共3道工序。當然，這種替代只有對細長的管類制件才有效。5. 操作安全與方便方面的要求工人操作是否安全、方便也是在確定工藝方案時要考慮的一個十分重要的問題。例如，對于一些形狀復雜、需要進行多道工序沖壓的小型件，如果用單工序模分步?jīng)_壓

11、，需用手鉗放置或取出坯料/工序件/制件，多次進出危險區(qū)域，很不安全。還可能出現(xiàn)定位困難。為此，有時即使批量不大，也采用比較安全的級進模進行沖壓。圖6.4和圖6.5所示即為一實例。圖6.4 形狀復雜的小沖壓件圖6.5 形狀復雜的小沖壓件在級進模上連續(xù)沖壓的排樣1沖廢；2沖廢；3切邊、沖工藝孔；4壓包；5壓彎；6壓彎；7切斷圖6.6所示制件，第1道工序拉深出的是以后沖側孔和翻邊兩道工序的定位尺寸，為了防止工序件轉動，還需增加周向定位，所以，沖裁兩個5.5工藝孔。圖6.6 增加定位工藝孔的制件又如圖6.7(a)所示沖裁件，3個槽與3個小孔之間有相對位置要求。圖6.7(b)、(c)所示為用單工序模進行

12、沖裁的兩種工藝方案。工藝方案1先沖出帶槽的型孔，再以型孔定位沖出3個小孔。該方案定位較復雜，操作不方便，效率低而且不安全。工藝方案2先沖大圓孔，再以大圓孔定位沖3個槽和3個小孔，這樣定位簡單可靠，操作方便安全，效率高。圖6.7 沖裁工藝方案的比較6.2.3 工序順序的安排各沖壓工序的先后順序，主要根據(jù)沖壓件的形狀、工序性質、材料的變形規(guī)律及沖壓件的精度和定位要求來安排。安排的一般原則為：(1)所有的孔，只要其形狀和尺寸不受后續(xù)工序的變形影響，都應在平板坯料上沖出。因為在立體沖壓件上沖孔時操作不方便，定位困難，模具結構復雜。另外，先沖的孔還可以作為后續(xù)工序的定位孔。(2)對于帶孔(缺)的平板沖裁

13、件，如果采用單工序模，一般先落料再沖孔(缺)；若選用級進工序，則先沖孔(缺)后落料。(3)對于帶孔的彎曲件，應參照彎曲件的工藝性分析安排沖孔工序，當孔徑與變形區(qū)或孔與基準面有較高要求時，應先彎曲后沖孔。除此之外，一般情況下都應先沖孔后壓彎。(4)對于帶孔(缺)的拉深件，一般先拉深后沖孔(缺)。對于帶底孔的拉深件，當孔徑要求不高時，可先沖孔后拉深。即使孔徑要求較高(如圖6.3所示)，為使確定的工序順序有利于發(fā)揮材料的塑性，以減少工序數(shù)量，也可采取先沖孔后拉深，最后修邊達到要求。(5)對于多角彎曲件，應從材料變形區(qū)的相互影響和彎曲時坯料偏移走向兩方面安排先后彎曲的順序。一般先彎外角后彎內角。(6)

14、對于復雜旋轉體拉深件，一般按由大到小順序進行拉深(先拉出大尺寸的外形，后拉深小尺寸的圓筒)。對于非旋轉體復雜形狀的拉深件，為便于材料的變形流動，應先成形內部形狀再拉深外部形狀。(7)附加的整形工序、校平工序，應安排在基本成形之后。熱處理及酸洗工序，一般安排在多次拉深工序中間或壓彎工序之前。6.2.4 工序件/半成品形狀與尺寸工序件/半成品是坯料和成品制件之間的過渡件。每個工序件/半成品都可分為兩個組成部分：已成形部分形狀和尺寸與成品制件相同；待成形部分形狀和尺寸與成品制件不同(是過渡性的)。這些過渡性的尺寸和形狀，雖然在沖壓加工完成后會完全消失，但對每道工序的成形及整個沖壓件的質量卻有重要的影

15、響。因此，工序件/半成品形狀尺寸的確定是沖壓工藝方案確定的重點內容之一。圖6.8所示為氣閥罩的沖壓工藝過程。第2次拉深工序之后，形成了直徑為16.5的圓筒形部分，這部分形狀和尺寸在以后的加工過程中不再發(fā)生變化。在確定工序件/半成品尺寸時，必須使被這部分隔開的兩端的材料面積正好等于以后各道工序里形成制件相應部分的面積。為了使第3次拉深(反拉深成為可能)，將第2道工序得到的工序件/半成品底部做成球面，以儲存較多的材料。顯然如果第2道工序得到的工序件/半成品底部為平面，則需要用脹形方法成形，就可能造成制件底部開裂。圖6.8 多道工序工序件/半成品設計(a) 落料與首次拉深復合；(b) 第2次拉深；(

16、c) 脹形與整形；(d) 沖孔與切邊復合；(e) 外緣及內孔翻邊；(f) 折邊6.3 沖壓工藝過程設計實例下面通過兩個實例進一步說明沖壓工藝過程設計。例6.1 圖6.9為汽車空調器前端蓋，材料為08F鋼，t =1mm，屬于大量生產(chǎn)。要求確定工藝過程方案。圖6.9 汽車空調器前端蓋解：(1)制件結構工藝性分析該沖壓件屬于階梯形筒形件。其尺寸精度按前述各章所規(guī)定判斷，可以通過普通沖壓加工方法獲得，而R0.5，R1，R2.5以及平面度要求均需通過整形工序方能達到。(2)工序性質確定對于SR9凸包，由于坯料直徑與凸模直徑之比顯然大于2.5(參見圖1.13(d)，且凸包高度3t，不能拉深成形。通過簡單的

17、工藝試驗驗證，該凸包可通過一次局部脹形獲得，且對坯料外圓尺寸影響很小。所以，各大直徑部分的拉深可以看作是不帶凸包部分的有凸緣階梯筒形件的拉深(如圖6.10所示，為了計算及表述方便，圖中尺寸已全部轉化為材料的中線尺寸)，只要將制件的形狀成形好，其他工序就比較容易了。由此可判定該制件所需的基本沖壓工序為局部脹形、拉深、沖孔(包)、切邊。(3)工序數(shù)目、工序順序的確定依據(jù)圖6.10，按4.6節(jié)中的有關公式，參照相關設計手冊，計算出坯料直徑為95mm(含切邊余量，計算過程略)。于是坯料相對厚度t /D1/951.056%。小節(jié)中介紹，若該階梯筒形件采用由大臺階至小臺階的拉深方法，兩個臺階直徑之比為36

18、.4/51.10.712，顯然小于表4.2中規(guī)定的極限拉深系數(shù)(0.750.76)，故由大臺階拉至小臺階不能一次拉出，需2次拉成。若采用先拉小臺階再拉大臺階的拉深方法，拉深小臺階時的拉深系數(shù)為36.4/950.383，且通過工藝計算，第1次拉成小臺階部分后高度為22157(mm)，中間坯料直徑dt191mm(按拉入凹模材料比制件最后對應的實際表面積多3%5%計算，過程略)，于是dt1/d191/36.42.5，查表4.16可知極限拉深系數(shù)為0.38，說明從95圓坯料可一次拉出該小臺階。拉大臺階(51.1)時，由于小臺階已成形，且處于大臺階筒形件底部，因此，大臺階拉深可視為由直徑D91圓坯料，拉

19、成凸緣直徑76、筒體直徑51.1的有凸緣拉深，于是dt /d76/51.11.487，拉深系數(shù)m1d /D51.1/910.56，此值大于表4.16中所列有凸緣件首次拉深的極限拉深系數(shù)0.49。說明該臺階可一次拉深成形。采取上述2種拉深方法，通過拉深所得到的拉深件工序件/半成品形狀尺寸如圖6.11所示。由圖可知，R0.5，R2.5，R3及平面度精度均未達最終要求，且各臺階直徑和高度都略大于最終沖壓件圖要求，這是因為在后續(xù)整形工序中，還有一小部分材料需要流動，以避免整形時小圓角部位的材料過度變薄。這類中間尺寸確定的依據(jù)是保證各部位金屬材料表面積等于或略大于(大3%5%)制件圖中各相應部位的實際面

20、積(計算盡量精確)，而在實際生產(chǎn)中，是通過嚴格控制各次拉深時凸模進入凹模的深度來實現(xiàn)的。圖6.10 前端蓋的拉深件形狀尺寸圖6.11 前端蓋拉深件工序件/半成品形狀尺寸在SR9凸包處，先沖5孔對整形獲得R0.5，R1圓角時材料的變形流動有利底部材料的轉移(孔徑擴大)而使各圓角得到減小，考慮整形對孔的影響，此時沖孔凸模設計成4.8左右，并將沖孔與整形復合起來(先沖孔再整形)一次成形。當然，這樣得到的孔徑精度不高，若孔徑尺寸精度要求較高時，則不宜采用此安排。其他各孔(包)由于孔(包)徑尺寸要求較高，且距整形圓角處距離較近，故不宜安排在整形前完成。又考慮到各孔(包)的相對位置要求較高，且最小孔邊距大

21、于表2.16中規(guī)定，故沖孔(包)工序可以和切邊工序復合起來。(4)工藝方案確定綜上所述，該制件有兩種沖壓工藝方案，其工序圖分別如圖6.12和圖6.13所示。圖6.12 由大臺階到小臺階拉深的工藝方案(a) 脹形落料復合；(b) 第1次拉深；(c) 第2次拉深；(d) 第3次拉深；(e) 沖孔整形復合；(f) 沖孔(包)切邊復合圖6.13 由小臺階到大臺階拉深的工藝方案(a) 脹形落料復合；(b) 第1次拉深；(c) 第2次拉深；(d) 沖孔整形復合；(e) 沖孔(包)切邊復合比較這兩種方案，顯然圖6.13所示方案工序少，生產(chǎn)效率高，模具制造成本低，適合大批量生產(chǎn)，且所獲得的制件表面質量也較高(

22、參小節(jié)中論述)。(5)確定各工序模具種類和型式?jīng)_壓工藝方案確定后，各工序的模具種類自然就確定了，即落料脹形復合模、第1次(小臺階)拉深模、第2次(大臺階)拉深模、沖孔整形復合模、沖孔切邊復合模。有代表性的各模具結構形式如圖6.14、圖6.15、圖6.16所示。其中圖6.16中的剛性限位塊的作用即為傳遞整形力。在試模調整時應注意壓力機的下死點位置是否到位。圖6.14 落料脹形復合模圖6.15 第2次拉深模圖6.16 沖孔整形復合模(6)確定沖壓設備根據(jù)前面各章所述的有關計算沖壓力的公式和方法，分別確定各工序所需的總壓力，然后根據(jù)可提供的沖壓設備情況確定各工序所用沖壓設備的類型及規(guī)格(計算過程從略

23、)。(7)編寫沖壓工藝過程卡片汽車空調器前端蓋的沖壓工藝過程見表6.1，沖壓工藝過程卡片格式參見附錄A。表6.1 汽車空調器前端蓋沖壓工藝過程序號工序工序(步)內容及要求工 裝設 備備 注1輔將18009001.0板料裁成長料，表面無嚴重銹蝕及劃傷，尺寸達工藝說明要求2沖壓包落料復合壓包部分不允許破裂，允許沖件毛刺0.08，形狀尺寸達工藝說明要求落料脹形復合模250kN3沖第1次拉深無起皺、拉裂，形狀尺寸達工藝說明要求第1次拉深模350kN4沖第2次拉深無起皺、拉裂，形狀尺寸達工藝說明要求第2次拉深模350kN5沖沖孔整形復合各被整形圓角R0.5，R1，R2.5，R3達要求，且無明顯變薄，形狀

24、尺寸達工藝說明要求沖孔整形復合模250kN6沖沖孔(包)切邊復合沖裁毛刺0.08，形狀尺寸達產(chǎn)品圖要求沖孔切邊復合模250kN注：1. 排樣見圖6.17。2. 各工序之間應安排工序檢驗，計數(shù)抽樣按GB 28282000標準。例6.2 確定圖6.18所示芯軸托架的沖壓工藝方案。材料為08鋼，年產(chǎn)量2萬件。要求無嚴重劃傷，孔不許有變形。圖6.17 汽車空調器前端蓋排樣圖圖6.18 芯軸托架解：(1)制件結構工藝性分析該制件10mm孔內裝有芯軸，通過4個5mm孔與機身連接，為保證良好的裝配條件，5個孔的公差均為IT9級，表面不允許有嚴重劃傷。該制件的彎曲半徑均大于其材料的最小彎曲半徑，且制件精度要求

25、不高，不需要校形。所有的孔可以用高精度沖模沖出。因此，該制件可以用沖壓加工成形。(2)確定工藝方案沖壓該制件所需的基本工序為沖孔、落料及彎曲。其彎曲工藝方案有圖6.19所示的3種。因此，沖壓該制件的工藝方案可能有以下幾種。圖6.19 芯軸托架彎曲工藝方案方案1 落料與沖10mm孔復合(如圖6.20(a)所示)，彎曲外部兩角并使中間兩角預彎45(如圖6.20(b)所示)，彎曲中間兩角(如圖6.20(c)所示)，沖四個5mm孔(如圖6.20(d)所示)。圖6.20 芯軸托架工藝方案1及模具結構形式方案2 落料與沖10mm孔復合(同方案1)，彎曲外部兩角(如圖6.21(a)所示)，壓彎中間兩角(如圖6.21(b)所示)，沖4個5mm孔(同方案1)。方案3 落料與沖10mm孔復合(同方案1)，壓彎4個角(圖6.22)，沖4個5mm孔(同方案1)。方案4 全部工序采用帶料級進沖壓，圖6.23所示的排樣圖表示了它的沖壓過程。圖6.21 芯軸托架工藝方案2及模具結構形式圖6.22 芯軸托架工藝方案3及模具結構形式圖6.23 芯軸托架工藝方案4(級進沖壓排樣圖)比較上述各方案可以看