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沖壓模具

2014/10/26 19:52:11      点击:

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一、简述沖壓模具--在冷冲压加工中,将材料(金属或非金属)加工成零件(或半成品)的一种特殊工艺装备,称为冷沖壓模具(俗称冷冲模)。冲压--是在室温下,利用安装在压力机上的模具对材料施加压力,使其产生分离或塑性变形,从而获得所需零件的一种压力加工方法。(AG娱乐网址裝置)

  沖壓模具是冲压生产必不可少的工艺装备,是技术密集型产品。冲压件的质量、生产效率以及生产成本等,与模具设计和制造有直接关系。模具设计与制造技术水平的高低,是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一,在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

二、分類

沖壓模具的形式很多,冲模也依工作性质,模具构造,模具材料三方面来分类。
 

  一般可按以下几个主要特征分类:(光電保護器)

  1.根據工藝性質分類

   a.冲裁模 沿封闭或敞开的轮廓线使材料产生分离的模具。如落料模、冲孔模、切断模、切口模、切边模、剖切模等。
 
   b.弯曲模 使板料毛坯或其他坯料沿着直线(弯曲线)产生弯曲变形,从而获得一定角度和形状的工件的模具。
 
   c.拉深模 是把板料毛坯制成开口空心件,或使空心件进一步改变形状和尺寸的模具。
 
   d.成形模 是将毛坯或半成品工件按图凸、凹模的形状直接复制成形,而材料本身仅产生局部塑性变形的模具。如胀形模、缩口模、扩口模、起伏成形模、翻边模、整形模等。
 
   2.根據工序組合程度分類
 
   a.单工序模 在压力机的一次行程中,只完成一道冲压工序的模具。
 
   b.复合模 只有一个工位,在压力机的一次行程中,在同一工位上同时完成两道或两道以上冲压工序的模具。
 
   c.级进模(也称连续模) 在毛坯的送进方向上,具有两个或更多的工位,在压力机的一次行程中,在不同的工位上逐次完成两道或两道以上冲压工序的模具。
 
   3、依産品的加工方法分類 
 
   依産品加工方法的不同,可將模具分成沖剪模具、彎曲模具、抽制模具、成形模具和壓縮模具等五大類。
 
   a. 冲剪模具:是以剪切作用完成工作的,常用的形式有剪断冲模、下料冲模、冲孔冲模、修边冲模、整缘冲模、拉孔冲模和冲切模具。
 
   b.彎曲模具:是將平整的毛胚彎成一個角度的形狀,視零件的形狀、精度及生産量的多寡,乃有多種不同形式的模具,如普通彎曲沖模、凸輪彎曲沖模、卷邊沖模、圓弧彎曲沖模、折彎沖縫沖模與扭曲沖模等。
 
   c.抽制模具:抽制模具是將平面毛胚制成有底無縫容器。
 
   d.成形模具:指用各種局部變形的方法來改變毛胚的形狀,其形式有凸張成形沖模、卷緣成形沖模、頸縮成形沖模、孔凸緣成形沖模、圓緣成形沖模。
 
   e.壓縮模具:是利用強大的壓力,使金屬毛胚流動變形,成爲所需的形狀,其種類有擠制沖模、壓花沖模、壓印沖模、端壓沖模。

 三、模具典型結構

通常模具是由二類零件組成:

  第一類 是工藝零件,這類零件直接參與工藝過程的完成並和坯料有直接接觸,包括有工作零件、定位零件、卸料與壓料零件等;
 

  第二類 是结构零件,这类零件不直接参与完成工艺过程,也不和坯料有直接接触,只对模具完成工艺过程起保证作用,或对模具功能起完善作用,包括有导向零件、紧固零 件、标准件及其它零件等,如表1.1.3所示。应该指出,不是所有的冲模都必须具备上述六种零件,尤其是单工序模,但是工作零件和必要的固定零件等是不可 缺少的。

四、模具先進制造工藝及設備

  模具制造技術現代化是模具工業發展的基礎。隨著科學技術的發展,計算機技術、信息技術、自動化技術等先進技術正不斷向傳統制造技術滲透、交叉、融合,對其實施改造,形成先進制造技術。
 

 模具先進制造技術的發展主要體現在:

  1.高速銑削加工 
 

  普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數,而高速銑削加工則采用高的進給速度和小的切削參數,高速銑削加工相對于普通銑削加工具有如下特點:
 

  a.高效 高速铣削的主轴转速一般为15000r/min~40000r/min,最高可达100000r/min。在切削钢时,其切削速度约为400m/min, 比传统的铣削加工高5~10倍;在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高4~5倍。
 

  b.高精度 高速铣削加工精度一般为10μm,有的精度还要高。
 

  c.高的表面质量 由于高速铣削时工件温升小(约为3°C),故表面没有变质层及微裂纹,热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm,减少了后续磨削及抛光工作量。
 

   d.可加工高硬材料 可铣削50~54HRC的钢材,铣削的最高硬度可达60HRC。
 
   鑒于高速加工具備上述優點,所以高速加工在模具制造中正得到廣泛應用,並逐步替代部分磨削加工和電加工。 
 
   2.電火花銑削加工 
 
   电火花铣削加工(又称为电火花创成加工)是电火花加 工技术的重大发展,这是一种替代传统用成型电极加工模具型腔的新技术。像数控铣削加工一样,电火花铣削加工采用高速旋转的杆状电极对工件进行二维或三维轮 廓加工,无需制造复杂、昂贵的成型电极。日本三菱公司最近推出的EDSCAN8E电火花创成加工机床,配置有电极损耗自动补偿系统、CAD/CAM集成系 统、在线自动测量系统和动态仿真系统,体现了当今电火花创成加工机床的水平。
 
   3.慢走絲線切割技術 
 
   目前,数控慢走丝线切割技术发展水平已相当高,功能 相当完善,自动化程度已达到无人看管运行的程度。最大切割速度已达300mm2/min,加工精度可达到±1.5μm,加工表面粗糙度 Ra0.1~0.2μm。直径0.03~0.1mm细丝线切割技术的开发,可实现凹凸模的一次切割完成,并可进行0.04mm的窄槽及半径0.02mm内 圆角的切割加工。锥度切割技术已能进行30°以上锥度的精密加工。
 
   4.磨削及抛光加工技術 
磨削及抛光加工由于精度高、表面質量好、表面粗糙度值低等特點,在精密模具加工中廣泛應用。目前,精密模具制造廣泛使用數控成形磨床、數控光學曲線磨床、數控連續軌迹坐標磨床及自動抛光機等先進設備和技術。
 
   5.數控測量 
 
   产品结构的复杂,必然导致模具零件形状的复杂。传统 的几何检测手段已无法适应模具的生产。现代模具制造已广泛使用三坐标数控测量机进行模具零件的几何量的测量,模具加工过程的检测手段也取得了很大进展。三 坐标数控测量机除了能高精度地测量复杂曲面的数据外,其良好的温度补偿装置、可靠的抗振保护能力、严密的除尘措施以及简便的操作步骤,使得现场自动化检测 成为可能。
 
   模具先進制造技術的應用改變了傳統制模技術模具質量依賴于人爲因素,不易控制的狀況,使得模具質量依賴于物化因素,整體水平容易控制,模具再現能力強。

五、模具新材料及熱、表處理

  隨著産品質量的提高,對模具質量和壽命要求越來越高。而提高模具質量和壽命最有效的辦法就是開發和應用模具新材料及熱、表處理新工藝,不斷提高使用性能,

 

 

改善加工性能。
   1.沖壓模具材料
   制造沖壓模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。目前制造沖壓模具的材料绝大部分以钢材为主, 常用的模具工作部件材料的种类有:碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。 
   a.碳素工具鋼 
   在模具中應用較多的碳素工具鋼爲T8A、T10A等,優點爲加工性能好,價格便宜。但淬透性和紅硬性差,熱處理變形大,承載能力較低[1]。 
 

   b.低合金工具鋼 
 
   低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上加入了适量的合 金元素。与碳素工具钢相比,减少了淬火变形和开裂倾向,提高了钢的淬透性,耐磨性亦较好。用于制造模具的低合金钢有 CrWMn、9Mn2V、7CrSiMnMoV(代号CH-1)、6CrNiSiMnMoV(代号GD)等。 
 
   c. 高碳高铬工具钢 
 
   常用的高碳高铬工具钢有Cr12和Cr12MoV、 Cr12Mo1V1(代号D2),它们具有较好的淬透性、淬硬性和耐磨性,热处理变形很小,为高耐磨微变形模具钢,承载能力仅次于高速钢。但碳化物偏析严 重,必须进行反复镦拔(轴向镦、径向拔)改锻,以降低碳化物的不均匀性,提高使用性能。 
 
   d. 高碳中铬工具钢 
 
   用于模具的高碳中铬工具钢有Cr4W2MoV、Cr6WV 、Cr5MoV等,它们的含铬量较低,共晶碳化物少,碳化物分布均匀,热处理变形小,具有良好的淬透性和尺寸稳定性。与碳化物偏析相对较严重的高碳高铬钢相比,性能有所改善。 
 
   e. 高速钢 
 
   高速钢具有模具钢中最高的的硬度、耐磨性和抗压强 度,承载能力很高。模具中常用的有W18Cr4V(代号8-4-1)和含钨量较少的W6Mo5 Cr4V2(代号6-5-4-2,美国牌号为M2)以及为提高韧性开发的降碳降钒 高速钢 6W6Mo5 Cr4V(代号6W6或称低碳M2)。高速钢也需要改锻 ,以改善其碳化物分布 。 
 
   f. 基体钢 
 
   在高速钢的基本成分上添加少量的其它元素,适当增减 含碳量,以改善钢的性能。这样的钢种统称基体钢。它们不仅有高速钢的特点,具有一定的耐磨性和硬度,而且抗疲劳强度和韧性均优于高速钢,为高强韧性冷作模 具钢,材料成本却比高速钢低。模具中常用的基体钢有 6Cr4W3Mo2VNb(代号65Nb)、7Cr7Mo2V2Si(代号LD)、5Cr4Mo3SiMnVAL(代号012AL)等。 
 
   g. 硬质合金和钢结硬质合金 
 
   硬質合金的硬度和耐磨性高于其它任何種類的模具鋼,但抗彎強度和韌性差。用作模具的硬質合金是鎢钴類,對沖擊性小而耐磨性要求高的模具,可選用含钴量較低的硬質合金。對沖擊性大的模具,可選用含钴量較高的硬質合金。
 
   钢结硬质合金是以铁粉加入少量的合金元素粉末(如 铬、 钼 、钨、钒等)做粘合剂,以碳化 钛或碳化钨为硬质相 ,用粉末冶金方法烧结而成。钢结硬质合金的基体是钢,克服了硬质合金韧性较差、加工困难的缺点,可以切削、焊接、锻造和热处理。 钢结硬质合金含有大量的碳化物,虽然硬度和耐磨性低于硬质合金,但仍高于其它钢种,经淬火、回火后硬度可达 68 ~ 73HRC。
 
   h.新材料
 
   沖壓模具使用的材料属于冷作模具钢,是应用量大、使 用面广、种类最多的模具钢。主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2(相当于我国Cr12MoV)性能基础上,分为 两大分支:一种是降低含碳量和合金元素量,提高钢中碳化物分布均匀度,突出提高模具的韧性。如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公 司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。另一种是以提高耐磨性为主要目的,以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。如德国的 320CrVMo13,等。
 
   2.熱處理、表處理新工藝 
为了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蚀性,必须采用热、表处理新技术,尤其是表面处理新技术。除人们熟悉的镀硬铬、氮化等表面硬化处理方法 外,近年来模具表面性能强化技术发展很快,实际应用效果很好。其中,化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)以及盐浴渗金属(TD)的方法是几种 发展较快,应用最广的表面涂覆硬化处理的新技术。它们对提高模具寿命和减少模具昂贵材料的消耗,有着十分重要的意义。 六、沖壓模具材料的选用原则
 

    在沖壓模具中,使用了各种金属材料和非金属材料,主要有碳钢、合金钢、铸铁、铸钢、硬质合金、低熔点合金、锌基合金、铝青铜、合成树脂、聚氨脂橡胶、塑料、层压桦木板等。
 

   制造模具的材料,要求具有高硬度、高強度、高耐磨性、適當的韌性、高淬透性和熱處理不變形(或少變形)及淬火時不易開裂等性能。
 
   合理選取模具材料及實施正確的熱處理工藝是保證模具壽命的關鍵。對用途不同的模具,應根據其工作狀態、受力條件及被加工材料的性能、生産批量及生産率等因素綜合考慮,並對上述要求的各項性能有所側重,然後作出對鋼種及熱處理工藝的相應選擇。
 
   1. 生产批量
當沖壓件的生産批量很大時,模具的工作零件凸模和凹模的材料應選取質量高、耐磨性好的模具鋼。對于模具的其它工藝結構部分和輔助結構部分的零件材料,也要相應地提高。在批量不大時,應適當放寬對材料性能的要求,以降低成本。
 
   2. 被冲压材料的,性能、模具零件的使用条件
 
   当被冲压加工的材料较硬或变形抗力较大时,冲模的 凸、凹模应选取耐磨性好、强度高的材料。拉深不锈钢时,可采用铝青铜凹模,因为它具有较好的抗粘着性。而导柱导套则要求耐磨和较好的韧性,故多采用低碳钢 表面渗碳淬火。又如,碳素工具钢的主要不足是淬透性差,在冲模零件断面尺寸较大时,淬火后其中心硬度仍然较低,但是,在行程次数很大的压床上工作时,由于 它的耐冲击性好反而成为优点。对于固定板、卸料板类零件,不但要有足够的强度,而且要求在工作过程中变形小。另外,还可以采用冷处理和深冷处理、真空处理 和表面强化的方法提高模具零件的性能。对于凸、凹模工作条件较差的冷挤压模,应选取有足够硬度、强度、韧性、耐磨性等综合机械性能较好的模具钢,同时应具 有一定的红硬性和热疲劳强度等。
 
   3. 材料性能
 
   應考慮材料的冷熱加工性能和工廠現有條件。
 
   4. 降低生产成本
 
   注意采用微變形模具鋼,以減少機加工費用。
 
   5. 开发专用模具钢
 
   對特殊要求的模具,應開發應用具有專門性能的模具鋼。
 
   6. 考虑我国模具的生产和使用情况
 
   選擇模具材料要根據模具零件的使用條件來決定,做到在滿足主要條件的前提下,選用價格低廉的材料,降低成本。
 
七、模具CAD/CAM技術
 
  計算機技術、機械設計與制造技術的迅速發展和有機結合,形成了計算機輔助設計與計算機輔助制造(CAD/CAM)這一新型技術。
 
   CAD/CAM是改造传统模具生产方式的关键技术, 是一项高科技、高效益的系统工程,它以计算机软件的形式为用户提供一种有效的辅助工具,使工程技术人员能借助计算机对产品、模具结构、成形工艺、数控加工 及成本等进行设计和优化。模具CAD/CAM能显著缩短模具设计及制造周期、降低生产成本、提高产品质量已成为人们的共识。
 
   隨著功能強大的專業軟件和高效集成制造設備的出現,以三維造型爲基礎、基于並行工程(CE)的模具CAD/CAM技術正成爲發展方向,它能實現面向制造和裝配的設計,實現成形過程的模擬和數控加工過程的仿真,使設計、制造一體化。
 
   快速经济制模技术为了适应工业生产中多品种、小批量 生产的需要,加快模具的制造速度,降低模具生产成本,开发和应用快速经济制模技术越来越受到人们的重视。目前,快速经济制模技术主要有低熔点合金制模技 术、锌基合金制模技术、环氧树脂制模技术、喷涂成形制模技术、叠层钢板制模技术等。应用快速经济制模技术制造模具,能简化模具制造工艺、缩短制造周期(比 普通钢模制造周期缩短70%~90%)、降低模具生产成本(比普通钢模制造成本降低60%~80%),在工业生产中取得了显著的经济效益。对提高新产品的 开发速度,促进生产的发展有着非常重要的作用。
 
八、沖壓模具行业发展现状及技术趋势

   改革开放以来,随着国民经济的高速发展,市场对模具的需求量不断增长。近 年来,模具工业一直以15%左右的增长速度快速发展,模具工业企业的所有制成分也发生了巨大变化,除了国有专业模具厂外,集体、合资、独资和私营也得到了 快速发展。浙江宁波和黄岩地区的“模具之乡”;广东一些大集团公司和迅速崛起的乡镇企业,科龙、美的、康佳等集团纷纷建立了自己的模具制造中心;中外合资 和外商独资的模具企业现已有几千家。 随着与国际接轨的脚步不断加快,市场竞争的日益加剧,人们已经越来越认识到产品质量、成本和新产品的开发能力的重要性。而模具制造是整个链条中最基础的要 素之一。近年许多模具企业加大了用于技术进步的投资力度,将技术进步视为企业发展的重要动力。一些国内模具企业已普及了二维CAD,并陆续开始使用UG、 Pro/Engineer、I-DEAS、Euclid-IS等国际通用软件,个别厂家还引进了Moldflow、C-Flow、DYNAFORM、 Optris和MAGMASOFT等CAE软件,并成功应用于冲压模的设计中。 
 

一、現狀

  以汽车覆盖件模具为代表的大型沖壓模具的制造技术已取得很大进步,东风汽车公司模具厂、一 汽模具中心等模具厂家已能生产部分轿车覆盖件模具。此外,许多研究机构和大专院校开展模具技术的研究和开发。经过多年的努力,在模具CAD/CAE /CAM技术方面取得了显著进步;在提高模具质量和缩短模具设计制造周期等方面做出了贡献。 
 

  例如,吉林大学汽车覆盖件成型技术所独立研制的汽车覆盖件冲压成型分析KMAS软件,华中 理工大学模具技术国家重点实验室开发的注塑模、汽车覆盖件模具和级进模CAD/CAE/CAM软件,上海交通大学模具CAD国家工程研究中心开发的冷冲模 和精冲研究中心开发的冷冲模和精冲模CAD软件等在国内模具行业拥有不少的用户。 
 

  虽然中国模具工业在过去十多年中取得了令人瞩目的发展,但许多方面与工业发达国家相比仍有 较大的差距。例如,精密加工设备在模具加工设备中的比重比较低;CAD/CAE/CAM技术的普及率不高;许多先进的模具技术应用不够广泛等等,致使相当 一部分大型、精密、复杂和长寿命模具依赖进口。 
 

   模具技術的發展應該爲適應模具産品“交貨期短”、“精度高”、“質量好”、“價格低”的要求服務。
 

二、未来沖壓模具制造技术发展趋势

  達到這一要求急需發展如下幾項: (1)全面推廣CAD/CAM/CAE技術 
 

  模具CAD/CAM/CAE技术是模具设计制造的发展方向。随着微机软件的发展和进步,普 及CAD/CAM/CAE技术的条件已基本成熟,各企业将加大CAD/CAM技术培训和技术服务的力度;进一步扩大CAE技术的应用范围。计算机和网络的 发展正使CAD/CAM/CAE技术跨地区、跨企业、跨院所地在整个行业中推广成为可能,实现技术资源的重新整合,使虚拟制造成为可能。  
   (2)高速銑削加工 
 

  国外近年来发展的高速铣削加工,大幅度提高了加工效率,并可获得极高的表面光洁度。另外, 还可加工高硬度模块,还具有温升低、热变形小等优点。高速铣削加工技术的发展,对汽车、家电行业中大型型腔模具制造注入了新的活力。目前它已向更高的敏捷 化、智能化、集成化方向发展。 
   (3)模具掃描及數字化系統 
 

  高速扫描机和模具扫描系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能,大大 缩短了模具的在研制制造周期。有些快速扫描系统,可快速安装在已有的数控铣床及加工中心上,实现快速数据采集、自动生成各种不同数控系统的加工程序、不同 格式的CAD数据,用于模具制造业的“逆向工程”。模具扫描系统已在汽车、摩托车、家电等行业得到成功应用,相信在“十五”期间将发挥更大的作用。 
   (4)電火花銑削加工 
 

  电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术,这是一种替代传统的用成型电极加工型腔的新 技术,它是有高速旋转的简单的管状电极作三维或二维轮廓加工(像数控铣一样),因此不再需要制造复杂的成型电极,这显然是电火花成形加工领域的重大发展。 国外已有使用这种技术的机床在模具加工中应用。预计这一技术将得到发展。 
   (5)提高模具標准化程度 
   我國模具標准化程度正在不斷提高,估計目前我國模具標准件使用覆蓋率已達到30%左右。國外發達國家一般爲80%左右。 
   (6)優質材料及先進表面處理技術 
   選用優質鋼材和應用相應的表面處理技術來提高模具的壽命就顯得十分必要。模具熱處理和表面處理是否能充分發揮模具鋼材料性能的關鍵環節。模具熱處理的發展方向是采用真空熱處理。模具表面處理除完善應發展工藝先進的氣相沈積(TiN、TiC等)、等離子噴塗等技術。 
   (7)模具研磨抛光將自動化、智能化 
   模具表面的質量對模具使用壽命、制件外觀質量等方面均有較大的影響,研究自動化、智能化的研磨與抛光方法替代現有手工操作,以提高模具表面質量是重要的發展趨勢。 
   (8)模具自動加工系統的發展 
   這是我國長遠發展的目標。模具自動加工系統應有多台機床合理組合;配有隨行定位夾具或定位盤;有完整的機具、刀具數控庫;有完整的數控柔性同步系統;有質量監測控制系統。

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