1、精密垫片精冲工艺与模具设计摘要 分析了精密垫片的冲压工艺性，介绍了精密垫片的精冲工艺和精冲压力的计算及在普通冲床上实现精密冲裁的精冲复合模的设计。该模具投入生产后，冲出的零件毛刺极小，断面平整光滑，达到了预期的要求，保证了产品的质量。关键词：精密垫片 精冲工艺 模具设计1、引言精冲又称精密冲裁，是一种对模具有特殊要求的金属塑性加工工艺。这种冲裁件具有较高的尺寸精度与形状精度以及完全光亮的冲裁面。甚至可以直接装配使用。它具有优质、高效、生产成本低等特点， 容易实现自动化生产。精冲是在普通冲压的基础上发展起来的一种精密板料加工工艺，精冲成型工艺是在普通压力机或者专用压力机(精冲机)上，通过专用的精
2、密冲裁模具，在强力压料状态下对金属板料进行冲压，使金属材料产生塑性变形，由原材料直接获得比普通冲压零件精度高、光洁度好、平面度高、垂直度好，并拥有光洁剪切面及所需形状和质量特性的产品。精密冲裁的本质是将冲裁模具的凹凸模具之间的间隙调整到普通冲裁模具的 10，甚至实现负间隙(即凹凸模之间产生过盈)，从而大幅度提高冲裁件的精度。图 1 为冲裁间隙对冲裁件精度的影响关系图，图中，曲线与=0 的交点为最合理的间隙值。此时，冲裁件的尺寸与模具刃口的尺寸完全一致，当曲线位于交点右边时，冲裁件与模具间存在间隙。间隙越大，会使冲裁件与模具之间的摩擦力减小，所需要的冲裁力也小，但会造成冲裁件的变形增大，影响冲裁
3、件精度。 (a) 落料(b) 冲孔精密冲裁理论的核心是：固体在多向受压的情况下比在单向受压时塑性好、变形状态更好，更易变形。因此在板料精密冲裁时，利用精冲模特殊结构，在板料的剪切分离区，三向施压形成立体压应力状态，对材料进行纯剪切分离，实现精密冲裁。根据该理论发明的使用 V 型齿圈强力压边进行精冲的工艺技术简称 FB 精冲法。因此，近年来精冲技术得到了快速的发展，在机械工业领域得到了越来越高的重视。2 精冲工艺过程及特征用普通冲裁所得到的工件，剪切断面比较粗糙； 而且还有塌角、毛刺，并带有斜度，同时制件的尺寸精度也较低。当要求冲裁件的剪切面作为工作表面或配合表面时，采用一般的冲裁工艺往往不能满
4、足零件 的技术要求，这时，就可以采用精冲模具来解决上述存在的问题。精冲是直接从板料上一次冲出公差等级高、断面质量好的冲裁件。达到通常需后序精加工才可达到的精度要求，无需后序车、磨、铣等机加工。剪切面粗糙度 Ra=1.63.2m 尺寸公差达 IT8 级，而且保证零件的高平面度，大大降低了生产的加工成本。图 2为精冲工艺过程示意图，精冲过程是在压边力、反压力和冲裁力三力同时作用下进行的。图 2 精冲工艺过程示意图1-齿圈压板 2-凸凹模 3-顶杆 4-凹模 5-反压板 6-冲孔凸模 7-工 件图 3 为典型的精冲工艺“力能行程图” ，图中精冲的冲裁力曲线充分显示精冲过程为连续的塑性变形过程。普通冲
5、裁通过合理间隙的选取，使材料在凸、 凹模刃口处的裂纹重合，称之为“控制撕裂” 。一般凸模进人材料厚度的三分之一左右时，工件则完全和条料分离，凸模继续前进不再克服变形抗力，如图 2 中虚线所示。精冲技术中无论是工艺的力能参数、模具的几何参数、材料的性能和球化处理以及工艺润滑剂等等， 一切努力都集中围绕一个核心问题抑制材料的撕裂，使塑性剪切变形延续到剪切的全过程。图 3 精冲工艺“力能一行程图”3 零件工艺性分析图 4 所示为精密垫片结构图，为小批量生产，零件材料为 0Crl8Ni9Ti，强度大( b=650MPa)，有一定粘性。从零件尺寸精度来看，8 的外圆为有比较高的精度要求，8 外圆与 4
6、内孔有很高的同轴度要求，冲裁断面与零件两大面有垂直度要求，普通冲压不能达到要求。从工序的角度看，有冲孔和落料工序，剪切面粗糙度 Ra3.2m，属于光洁冲裁范畴，另外技术条件中要求零件两大面不得有任何划伤，且光滑平整。总体上看，该零件的冲压加工性不好，难度较大， 对模具的设计、选材、制造要求都较高。 图 4 精密垫片结构示意图4 零件精冲工艺方案制定由于该零件内外形同轴度要求高(同轴度0.025mm)，若采用级进模，存在步距定位误差，凸、凹模加工及装配误差，因此同轴度很难达到要求。现根据零件形状及生产批量小的特点，在分析冲压性质、冲压次数、冲压顺序和工序组合方式的基础上，决定采用精冲复合模结构，
7、这样既保证了落料与冲孔的同轴度，又避免了由于零件外形尺寸太小而带来的二次定位的困难，同时，采用复合模使零件的排样设计更加灵活，还可以将小凸模的保护套与推件板合为一体。复合模可以采用正装结构或倒装结构，其中倒装结构的废料能直接从压力机台面落下，而制件从上模推下，比较容易引出模外，操作方便安全。正装复合模的主要优点为顶件板、卸料板均为弹性的，条料与制件同时受压平作用，可使较软、较薄的制件达到平整要求，同时凸凹模的孔内不容易积聚冲孔废料，可减小孔内废料的胀力，有利于减小凸凹模的最小壁厚。经过对正、倒装复合模结构的分析比较，根据条料和零件外形尺寸的特点，针对该零件的特点，为了模具的制造方便和成本控制，
8、采用简易冲模技术。采用该种技术时在普通曲柄压力机(冲床) 或液压机一般只有一个滑块不可能同时产生精冲工艺要求的三种压力。为此，必须在模具或机床上采取措施，以获得精冲所需的辅助压力(齿圈压板力和推板反向力)，达到没有专用精冲压力机，用普通压力机也可进行精冲生产的目的。这种模具就是简易精冲模 (或称：普通压力机用精冲模)，它具有结构简单、制造方便、成本低等优点。模具结构确定后，可对其进行排样设计。排样图中的搭边及沿边是影响精冲断面质量的重要因素之一，大的搭边及沿边有利于提高精冲的断面质量，但不经济，因此在选择搭边和沿边值时，应在满足冲切断面质量的条件下尽可能选取最小值。在拟定精冲工艺时，排样要求比
9、普通冲裁工艺要高，搭边和沿边值的选取主要根据零件材料的厚度和强度来定，对本垫片而言，可根据冲压技术手册选取：搭边 a=2mm，沿边b=2mm。垫片排样图如图 5 所示。图 5 垫片排样图5 模具设计方案制定5.1 精冲压力的计算根据精密冲裁的变形机理，实现精密冲裁需提供三种力的作用，即使材料分离的剪切力，实现压料的压边力，反顶工件的反顶力，这三种力一般不是同时产生的，而是通过压力机的协调动作，按先后动作顺序交替产生的。垫片零件厚度为 0.5mm，即精密冲压凸模进入凹模的行程最大为 0.5mm，对于聚氮酯橡胶来讲压缩力变化不大，卸料力和推件力根据模具结构由弹性元件的预紧力在模具的回程中产生，因此
10、在垫片零件模具设计中使用聚氮酯橡胶可以代替精冲设备中的压边力和顶件力，实现无专用精密冲压设备的精密冲压。精冲总压力是完成制件精冲所需的总压力，是选用压力机的主要因素之一，也是考虑精冲模具强度的重要依据。根据相关资料所推导的公式，垫片的精冲压力计算如下：（1）冲裁力 NLtPb 124650.)84(1.3式中 L内外冲裁周边长度总和，mm；t材料厚度，mm； b材料抗拉强度，MPa。（2）齿圈压边力 NP4.891264.0.1（3）推板反压力 .1（4）精冲总压力 NP8369215.2 凸凹模间隙选取精冲的冲裁间隙小不允许凸模进入凹模型孔，凸模与凹模距离一般为 0.01mm。合理的间隙是保
11、证工件断面质量的重要因素。具体数值见相关手册。本例外形取 0.02mm；内孔取 0.01mm。5.3 凸凹模刃口尺寸计算落料仍以凹模为基准，冲孔以凸模为基准。不同的是精冲后工件外形和内孔均有微量收缩。（1）落料015.25.0min )6.97()( D凹015.967（2）冲孔01.025.max )4.983()( d凸01.973式中 D 凹 、d 凸 凹模、凸模尺寸，mm；Dmin工件最小极限尺寸，mm；dmax工件最大极限尺寸，mm；工件公差。为改善金属的流动性提高工件断面质量，应在 凹模刃口处倒圆角， 一般半径取 0.030.05mm。冲孔凸模圆角半径一般取 0.01mm 以下。5
12、.4 齿圈压板 齿圈压板是在压板上由围绕冲件边缘，并保持一定距离的凸起尖状齿圈组成。在精冲过程中，用齿圈压板上凸起的尖状齿圈预先压入板料，增加对板料的三向压应力，限制剪切区以外的材料流动，以达到防止产生材料撕裂的目的。并使冲件平整，不致产生弯曲变形。它在精冲后又起到卸料的作用。本例材料厚度8 5；抗拉强度 b=2535MPa；永久变形 8%10%；耐曲挠 10 万次以上无裂纹。其它零件如上下模块、凹模、凸凹模、卸料板、挡料销、弹簧等与普通冲裁模设计方法相同。 精冲过程中金属材料在三向受压的条件下进行塑性剪切变形，新生的剪切面模具工作表面之间发生强烈的磨擦并产生局部高温，所以必须采用润滑剂形成一
13、种耐压耐温的坚韧润滑膜附着在金属表面上，将新生 的剪切面和模具工作表面隔开，以改善材料与模具间的润滑条件减少磨擦、散发热量，从而提高了工件剪切面质量和模具寿命。图 6 聚氨酯橡胶式精冲模1、12垫板 2、10固定板 3凸模 4凹模垫板 5、13、15聚氨酯橡胶 6推板 7凹模 8齿圈压板 9顶杆11凸凹模 15托板 16拉杆 17传力杆7 结束语 当今自动化机械装置正迅速发展，精冲技术是一项行之有效的途径。它既能提高产品的质量，又明显减少机械加工的工时，从而大大降低了产品成本，将该技术用于相关零件的生产加工，将会给企业带来可观的经济效益。 参 考 文 献1 王孝培实用冲压技术手册M北京：机械工业出版社，20022陈锡栋，周小玉实用模具技术手册 M北京：机械工业出版社，20013 郝滨海冲压模具简明设计手册M北京：化学工业出版社，2004 4 陈万林等实用模具技术M北京：机械工业出版社，20005模具应用技术丛书编委冲模设计应用实例M北京：机械工业出版社1999
