数控冲床模具设计(有图纸)pdf

  数控冲床模具设计（有图纸） 数控冲床模具设计(有图纸) 摘 要 当前在板金冲压加工领域,数控转塔冲床以其冲压速度快、加工精度高、模具 通用性强、产品灵活多样等特点,得到普遍应用。本文介绍了数控冲床模具的设计, 分析了模具工位的配置,选用需要注意的几点,装配保养,以及加工时的注意点。并阐述了 模具的力学性能要求和模具结构对安全的影响!下文论述数控转塔冲床模具在使用 和维护中应遵循的一些技术要点,并针对实际问题提出对应的处理方法。 关键词:模具结构,模具性能,模具装配 目录 一、引言………………………………………………………………3 二、模具工位配置………………………………………………………3 三、模具选用的需要注意的几点………………………………………………4 1、标准模具的选用……………………………………………………5 四、模具的装配及保养…………………………………………………6 五、模具的间隙…………………………………………………………8 六、凹凸模刃口尺寸的设计计算………………………………………9 七、加工时的注意点……………………………………………………9 设计计算……………………………………………………………………9 2、注油润滑……………………………………………………………………12 3、带料及废料反弹……………………………………………………………12 八、模具的力学性能要求……………………………………………16 九、冲压模具结构对安全的影响……………………………………20 1 十、结束语……………………………………………………………22 参考文献………………………………………………………………22 一、引言: 随着经济的快速发展和市场需求的多样化,人们对产品生产周期的要求越来越 短,尤其在小批量甚至单件生产方面,要求现代制造技术不仅要有较高的柔性,还要 有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控冲压模具快速成形技术, 就是为适应此种状态而产生的。 模具工位配置 数控转塔冲床模具配置有两种情 ,分为32 工位及24 工位,具体见下图:图1-1 32 工位模具分布图 图1-2 24 工位模具分布图 旋转工位为C 工位,为用户选配工位: 工位类别 Station 32 工位 32 Station 24 工位 24 Station 尺寸范围 Dimension range A 16 12 1.6-12.7 B 12 8 12.8-31.7 C 2 2 31.8-50.8 D 1 1 50.9-88.9 E 1 1 89-114.3 注:圆以外的模具其尺寸指的是对角线方模对角线工位,模具分为标 准模具、成型模具及特殊形状模具三大类,标准模具指圆模图2-1、方模图2-3、长 2 方模、腰形模图 2-2;成型模具包括:浅拉伸、翻边、百叶窗、敲落孔、挤压成形等; 特殊形状模具包括:单 D、双D 图2-6、三角形图 2-4、六边形图 2-5等 通常一般模具的标注方法由下约定: 图2-1 圆模(ФD) 图2-2 腰形模 (ФA×B) 图 2-3 方模(A×B) 图2-4 三角模图 2-5 六角模 (SH) 图2-6 双 D模 三、模具选用的需要注意的几点 1、标准模具的选用 (1)模具的刃口直径应尽量大于加工板厚的 2倍,直径一般应大于 3mm,否则易折 断,寿命极短;但也不是绝对的,3mm直径以下推荐使用进口高速钢作为模具材料。 (2)加工厚板的模具尺寸接近工位极限尺寸时请往上选用大一级的工位以保证 有足够的退料力。 (3)加工厚板的模具刃口不允许有尖角,所有尖角应改为圆角过渡,否则 极易磨损或塌角,推荐在正常的情况下,尽可能用 R0.25t 的圆角半径来代替清 角。 (4)当加工的板材为高 Cr材料 (如 1Cr13等不锈钢)及热轧板材时,由于板材固 有的特性而不宜采用国产高 Cr模具,否则极易磨损、拉毛以及带料等一系列弊病, 推荐使用进口高速工具钢来作为模具材料。 (5)不同的数控冲床滑块的打击行程不同 ,因此要注意成型模具闭合高度的调整, 为保证成型的充分,推荐使用可调式打击头,应仔细的调整,每次调整建议还是不要超过 0.10mm,否则易引起模具损坏,甚至于损坏机器。 (6)成型应尽量浅,一般来说成型总高度不大于 8mm,之所以有这个高度所以它的 卸料要比较长时间,成型加工时一定要采用低速,最好要有延时。 (7)成型模具工位附近的工位不可用,因为成型模具高度远大于普通模,最好 是成型加工放在程序的最后来实现,冲完后拆除。 3 (8)对于拉伸成型模具,请选用轻型弹簧组件,以防止板料的撕裂或变形不均匀 及卸料困难等。 (9)让位问题,如两个成型的距离(前后、左右)比较近,则有一定的概率会出现干涉的 情况。 (10)成型模调整方法见下图: 图3-1 a、成型模具装上后,将件2松开,将件 1顺时针旋转,旋至最低点,再拧紧件2。 b、先空冲一下,如无异常,将板料送入冲压,量一下成型高度,如高度不够则将 件2松开,件1逆时针旋转(旋转一圈一般为2mm,具体看螺纹牙距的大小,请适度调 节,以免损坏模具),再拧紧件2,不断地调整、试冲,直到达到一定的要求高度。 四、模具的装配及保养 1、模具的刃磨 定期刃磨模具不仅能提高模具的常规使用的寿命,而且能提高机器的常规使用的寿命,所以说 掌握正确合理的刃磨时间很重要。模具要不要刃磨对用户来说很直接的方法就是: 冲孔累积到一定次数以后,检查冲孔质量是不是有较大的毛刺产生,再检查上模刃口是 否出现圆角(圆角?R0.1),光泽是否消失,如有这种情况出现,说明冲头已钝,此时需 要刃磨。 模具如果在适当的时候刃磨,常规使用的寿命可延长3倍,但不正确的刃磨,反而会急 速加剧模具刃口的破坏,减少其常规使用的寿命,模具刃磨有其配套的模具刃磨机,选择合 适的刃磨机器会极大的方便用户,提高生产效率,推荐使用扬州恒德模具有限公司研 制的HDM-200型冲模刃磨机,该机具有占地面积小,操作方便,噪声低,外形美观及刃 磨质量优等特点而深受用户青睐。刃磨时每次磨削进给量不应超过0.015mm,磨削 量过大会造成模具表面过热及烧伤,相当于退火处理,模具变软,会大大降低模具的 使用寿命,刃磨时必须加足冷却液,应保证冲头和下模固定平稳,刃磨砂轮表面要清 4 理干净,建议使用中软46粒度砂轮,模具刃磨量是一定的,正常为4mm,如果达到该 数值冲头就要报废,如果继续使用,容易造成模具和机器的损坏。最后刃磨应由受过 专业培训的人员操作。 注意:刃磨完后应及时退磁,并将模具高度调整得和刃磨前一样。 2、模具的使用寿命 对用户来讲,提高模具的使用寿命可以大大降低使用成本。影响模具的使用寿 命有以下几个方面的原因: (1)模具的材料是否经过特殊处理; (2)模具的结构形式; (3)下模的间隙; (4)上下模的位置精度; (5)调整垫片的合理使用; (6)冲压板材是否有良好的润滑; (7)冲压板材是否平整; (8)冲压板材的类型及厚度; (9)冲压机器每个转塔上下工位的对中性; (10)机器转塔上的导向键是否完好无损。 以上诸因素中最直接的就是板越厚,材料越硬以及步冲加工,模具寿命会越短, 另外把模具往模位里放之前,模位的周围要擦干净,清扫完后,往凸模上喷些油,然后 插入模位里,凹模可同样放入模位里。在这里应特别注意的是上下模的方向一致性, 安装前仔细看清楚上下模规格是否相同,同时刃口方向应一致,如果放错,一次就会 打碎模具,甚至会损伤机器。模具都安装好后,要边让转塔转动,边观察上下转塔间, 特别是凹模有没有高低不平,若有高低不平,要仔细检查原因。 5 3、平时不常用的模具应定期防锈和涂油,用完模具后要将模具清洗干净,摆放 整齐,用保护膜将其包好,装入模具盒内,放入固定的位置,以防模具被磕碰、起毛刺, 或落入灰尘、生锈,影响下一次使用。 4、下模间隙是根据加工的板厚确定的,如加工 2mm 板的下模不可加工 3mm 的板, 也不可加工1mm 的板,否则会加剧磨损甚至打坏模具。 5、当模具弹簧发生歪斜或缩短时应及时更换。 6、冲压时的入模量应控制在1-2mm 之间。 7、模具的闭合高度按图纸要求调整。 8、成型模具同样应注意键槽的方向,试冲时严格按上述规定的调整步骤来进行, 并参照用户模具定单上的要求如拉伸高度、是否需预冲孔等,否则会损坏模具。 五、模具的间隙 冲裁间隙指凸模刃口与凹模刃口之间的间隙。 ZDa?dt Z 冲裁间隙 Da 凹模刃口尺寸 dt ??凸模刃口尺寸 Z 正常:上下微裂纹重合。 有单边间隙与双边间隙之分 凸模和凹模的间隙,用总差值来表示。例如:使用10 的凸模和10.3 的凹模 时,10.3-100.3(凹模的孔径-凸模的孔径间隙),间隙为0.3mm。我们所说的间隙指 双面总间隙,这个间隙,是冲孔加工最重要的因素之一。如果间隙选择不合适,会使 得模具寿命缩短,或出现毛刺,引起二次剪切等,使得切口形状不规则,脱模力增大等, 因此正确地选择间隙值非常重要。 6 根据目前市场上数控冲床模具生产厂的间隙比例选用统计,结合国有机床精度 的实际情况,建议采用以下的《推荐的下模间隙》,特殊情况,按用户要求制作。铝 板 碳钢板 不锈钢板 t1 14%t 14%t 22%t 3t?1 16%t 18%t 24%t t3 18%t 20%t 26%t t3 18%t 22%t 26%t 六、凹凸模刃口尺寸的设计计算 刃口尺寸的计算原则如下: 1 落料时,落料尺寸由凹模决定,应以凹模为设计基 ,凸模尺寸与凹模配制;冲 孔尺寸由凸模决定,应以凸模为设计基 ,凹模尺寸与凸模配制。凸、凹模配制时应 保证冲裁的合理间隙。 2)凸、凹模应考虑模具的磨损规律,凹模磨损后会增大落料件的尺寸,因而凹模 的刃口基本尺寸应接近落料件的最小极限尺寸;凸模刃口基本尺寸应趋向于孔的最 大极限尺寸。3)当凸、凹模采用配制加工时,刃口尺寸的制造公差一般为冲裁件公 差的1/3~1/4。如果凸、凹模分别加工时,其制造公差之和应小于或等于最大与最 小间隙之差的绝对值,即:(δ 凹+δ 凸)??Z -Zmin?。4)刃口尺寸计算要根据模具制 造特点,冲裁件的形状简单时,其模具采用分别加工法计算,冲裁件形状复杂时,其模 具用配制法计算。 七、加工时的注意点 (一)设计计算 1.冲压力计算 (1).例如:板厚6mm,Ф88.9mm 的板能不能冲切,不能凭空想象估计,它是由冲压 能力来确定的,一般冲孔所需的压力由下公式求得: 7 P A × t × P-冲压力 (kg) A-所冲孔的周长 (mm) t-板厚 (mm) -材料剪切强度 (kg/mm) D20 P3.14×20×6×42 P15825.6kg 冲压力为 15 吨 冲孔的最大孔径 如江苏扬力锻压机床有限公司生产的 MP8-30 冲床冲 6mm 热轧板,最大加工孔径 为: 30×10003.14×D×6×42 DФ37.9(mm) 所以说在 MP8-30 机床上冲 6mm 热轧板最大能冲 Ф37.9mm 的圆,超过此数值就 必须用其它方法来实现了,如小圆模步冲的方法。 2.压力中心的确定?模具压力中心是指冲压时诸冲压力合力的作用点位置。为 了确保压力机和模具正常工作,应使冲模的压力中心与压力机滑块的中心相重合。 否则,会使冲模和压力机滑块产生偏心载荷,使滑块和导轨间产生过大的磨损,模具 导向零件加速磨损,降低模具和压力机的使用寿命。 ?冲模的压力中心,可按下述原则来确定:? 1).对称形状的单个冲裁件,冲模的压力中心就是冲裁件的几何中心。? 2).工件形状相同且分布位置对称时,冲模的压力中心与零件的对称中心相重 合。? 3).形状复杂的零件、多孔冲模、 级进模的 压力中心可用解析计算法求出冲 模压力中心。解析法的计算依据是:各分力对某坐标轴的力矩之代数和 等于 8 诸力的 合力对该轴的力矩。求出合力作用点的 座标 位置 O?0x?0,y?0,即为 所求模具的压力中心 ?计算公式为:? ? ?因冲裁力与冲裁周边长度成正比, 所以式中的各冲裁力 P1、P2、P3……Pn, 可分别用各冲裁周边长度 L1、L2、L3……Ln代替,即:? ??3 排样 排样指冲裁件在条料上或条料在板料上的布置形式。 图4-1 4、模具和闭合高度,冲模压力机的关系 模具的闭合高度H 模具应介于压力机的最大装模高度H 与最小装模高度Hmin 之间,否则就不能保证正常的安装与工作。其关系为:Hmin+10mmH模具H?5mm 若模 具的闭合高度H 模具H,则该压机不能用,若H 模具H,则可以再加垫板。 (二)注油润滑 注油量和次数由加工材料的条件而定。无锈无垢的材料,要给模具注油,油用轻 机油。有锈有垢的材料,加工时锈会进入模具和外套之间,跟契子一样,使凸模不能 自由移动。这种情况下,如果上油,会使锈垢更容易沾上,因此冲这种材料时,相反要 把油擦干净,每半月要把模具分解一回,用汽油洗干净,重新组装,这样就能进行令人 满意的加工。 高速数控冲床模具必须严格进行保养,定期用轻机油对卸料套、注油口、模芯 本体与卸料套的接触面、凹模进行润滑,这样可延长模具的使用寿命。但是 过多的润滑油往往会滞留在上模端面,冲切时的打击容易使上模端面与废料之 间产生真空吸附作用,形成垫渣,即:废料反弹。遇到这种情况,应将板材的油垢清理 干净,并保持模具的干净,不要加注过量的润滑油,即可进行顺利的冲切。 9 (三)带料及废料反弹 冲头带料及粘连是指在正常情况下,上模芯与板料不能及时脱开或完全脱不 开。 1、带料的危害性: (1)会使模芯损坏或折断。 (2)会损坏夹钳以及损坏板料产品,卷曲的板材甚至会撞坏护罩。 2、引起带料的原因: (1)模具弹簧疲劳失效或断裂。 (2)入模量过大。 (3)模具导套与模芯滑动阻力大。 (4)所需退料力大于弹簧力。 (5)送料速度过快,弹簧响应不够或不灵敏。 (6)材料积屑瘤。 (7)废料反弹。 (8)模具间隙及精度等其它原因。 3、带料的解决方法: (1)根据样本及其它试验数据来看,弹簧预期寿命为50万次,有时在恶劣的条件 下还会更短,到时弹簧会疲劳而失去应有的弹性,弹簧会明显缩短甚至断裂,必须及 时向可信赖的模具供应商订购新弹簧。 (2)入模量应控制在1-2mm之间,过深会造成模芯的脱模行程和阻力加大,从而 延长了弹簧的反应时间,模芯未完全从板料中退出即送料,可能损坏模具、板材或夹 钳等。 (3)当滑动面上有过多的灰尘及其它脏东西或缺油时,会使滑动阻力变大,抵消 了一部分弹簧力,就可能引起带料,此时应将模具拆洗,加润滑油,改善润滑条件。 10 (4)推料力大于弹簧力主要是指冲压吨位大,有几种可能性,一是刃口严重钝化, 需额外的吨位,而且切断面粗糙及毛刺增大,产生很大的抵抗力,此时应及时刃磨;二 是模具间隙与板材不匹配,当模具间隙偏小时会使材料抱紧凸模,此时应选择与板材 匹配的下模或研磨下模使其间隙变大;三是当模具规格接近极限工位尺寸同时板料 较厚时,所需退料力大于弹簧力,此时需将其往上跳一级工位或选用重载弹簧。 (5)当高Cr模具材料与高Cr冲压板材(如1Cr13等不锈钢)连续冲裁时,温度会 升高而产生亲和力,相当于一对相同的摩擦付,极易磨损刃口或产生积屑瘤,所以当 冲不锈钢时推荐使用进口高速钢,而不能使用国产高Cr材料,如Cr12MoV等,此外, 冲压时会常遇到带附膜的不锈钢,此附膜既薄又韧,与板材粘贴松散有分离现象,冲 切时易产生带料,这种情况下一要选用刃口锋利的进口高速钢模具,二是要将有附膜 的一面放在下面,使附膜位于剪切层附近以达到被完整切下的目的,但这样做应充分 考虑毛刺面对零件的影响。 (6)废料反弹也是造成带料的重要原因之一,废料反弹后废料如果有一半在下模 处,会造成冲双料的现象,使模具严重偏载和吨位加大,从而引起带料或模具的损 坏。 (7)最后还有一点就是模具本身制造精度及机床模位对中精度问题,也可能引起 带料,此情况发生时应选用正规专业数控模具厂家制造的模具以及用校棒校正机器 模位。 4、废料反弹: 废料反弹指冲孔废料未能从凹模洞口顺利排出,反而反弹到凹模端面或零件毛 坯表面上的现象,此弹发的废料也称为垫渣。 5、废料反弹的危害性: (1)当冲模在垫渣附近继续冲切时,卸料导套会将垫渣击入板料表层,导致零件 因尺寸与表面质量不合格而报废。 11 (2)垫渣落在下转盘上使送料存在隐患,板材会被划伤甚至撞坏。 (3)有时因连续产生垫渣致使垫渣重叠超出模具强度极限而损坏模具,单件或小 量生产较多时,因垫渣导致的报废率就显著的提高。 (4)垫渣有一半在下模口处时冲击,会引起带料。 6、引起废料反弹的原因: (1)模具自身的原因 a.间隙是否合理b. 刃口是否锋利 c.模具入模是否适中 d.润滑是否有利 (2)材料状态的原因 a.材料表面状态是否良好 b. 材料附着层方向是否有利于冲击 (3)程序编制的原因 a.模具选择 b.冲切顺序与方向 c.冲击尺寸的确定 7、废料反弹的解决方法: (1)下模间隙偏大会使废料向上翘曲,使得其与凹模内表面的接触面积减少,磨 擦阻力更小,在高速冲的状态下会出现废料反弹,所以针对间隙过大的情 ,一定要 选择正真适合的间隙,有时甚至可以考虑使用较小一点的间隙。 (2)刃口锋利的模具冲击次数达到一定次数后,刃口边缘像霜一样发白而且变圆, 这都是加工硬化和钝化造成的,在这种状态下加工会使废料对凸模刃口边缘的包容 现象越来越明显,极有可能随上模的返回而一同带出凹模,遇到这种情况必须立即刃 磨刃口,刃磨后必须用退磁器进行消磁。 (3)上模刃口直径或宽度在9mm 以上的采用聚胺脂退料钉,宽度在8mm 以下,大 工位细长模具采用2?斜刃口,能有效的防止废料反弹,但聚胺脂属于易损件,所以用 户在使用过程中应每星期进行检查并及时更换,可以向模具生产厂家直接订购,斜刃 口应在刃磨后仍保持斜刃口,不能因为没有设备或怕麻烦而将其磨成平刃口。 12 (4)入模量应控制在1-2mm之间,过浅会造成废料不能完全剪断,在送料时废料 会随着板材的移动而被带出下模,在这里就涉及到模具刃磨量的问题,如模具刃磨超 过4mm后就必须考虑换模芯了,否则凸模对凹模的伸入量会越来越少,同时冲击时作 用于板材上的能量会增加,从而引起板料产生较大的翘曲,这方面原因会增加废料反 弹的产生机会。 (5)下模刃口深度过高时,会造成废料重叠,废料间的空气压缩后,上面的废料会 随冲头回程而弹出下模,标准的下模刃口深度应为入模量、料厚、刃磨量的总和。 (6)上下模或上下模位严重偏心时,单边过大的毛刺同样会使废料随板材的移动 而被带出下模。 (7)上模底部或板料上一般不可避免有点润滑油或防锈油,但决不可多到形成流 体,冲击时容易使上模端面与废料之间产生真空吸附作用,形成废料反弹,遇到这种 情况需将上模或板料上的油擦掉。 (8)板料的附者层也是引起废料反弹的重要因素之一,跟解决带料一样,需选用 刃口锋利的模具,同时应将附着层的一面放在下面。 (9)高速数控冲床应用之所以越来越广泛,一个很重要的原因是它具有拼接冲切 的柔性加工特点。虽然如此,在编程时不要图省事随意选择模具。针对某一型孔的 特点,首先选择能一次完成型孔的模具,须拼切加工时,应选用最小拼切废料最大、 最接近模具尺寸的模具 。若最小拼切废料太小,模具间隙较大时废料不易被冲切掉, 即使废料被冲切掉入凹模,若滞留在前次废料之上,很容易因振动反弹跳出凹模,形 成废料反弹,所以要一定科学地选用模具。 (10)除此之外,还有冲切顺序、方向及尺寸等多方面因素,都能引起废反弹,只 能靠生产一线操作技术人员不断加工实践、总结,才能最大限度地排除引起废料反 弹的各种不利因素。 八、模具的力学性能要求 13 1、模具的力学性能要求--常规力学性能 模具材料的性能是由模具材料的成分和热处理后的组织所决定的。模具钢的基 本组织是由马氏体基体以及在基体上分布着的碳化物和金属间化合物等构成。 模具钢的性能应该满足某种模具完成额定工作量所具备的性能,但因各类模 使用条件及所完成的额定工作量指标均不相同,故对模具性能要求也不同。又因为 不同钢的化学成分和组织对各种性能的影响不同,即使同一牌号的钢 也不可能同时获得各种性能的最佳值,一般某些性能的改善会损失其他的性 能。因而,模具工作者常根据模具工作条件及工作定额要求选用模具钢及最佳处理 工艺,使之达到主要性能最优,而其他性能损失最小的目的。 对各类模具钢提出的 性能要求主要包括:硬度、强度、塑性和韧性等。 2、模具的力学性能要求--硬度 硬度表征了钢对变形和接触应力的抗力。测硬度的试样易于制备,车间、试验 室一般都配备有硬度计,因此,硬度是很容易测定的一种性能,而且硬度与强度也有 一定关系,可通过硬度强度换算关系得到材料硬度值。按硬度范围划定的模具类别, 如高硬度(52~60HRC),一般用于冷作模 ,中等硬度(40~52HRC),一般用于热作模 具。 钢的硬度与成分和组织均有密切关系,通过热处理,可以获得很宽的硬度变化范 围。如新型模具钢012Al和CG-2可分别采用低温回火处理后硬度为60~62HRC,采 用高温回火处理后硬度为50~52HRC,因此可用来制作硬度要求不同的冷、热作模 具。因而这类模具钢可称为冷作、热作兼用型模具钢。 模具钢中除马氏体基体外,还存在更高硬度的其他相,如碳化物、金属间化合物 等。表l为常见碳化物及合金相的硬度值。 表1 各种相的硬度值 相 硬度HV 14 铁素体 约100 马氏体:ω C 0.2% 约530 马氏体:ω C 0.4% 约560 马氏体:ω C 0.6% 约920 马氏体:ω C 0.8% 约980 渗碳体Fe 3 C 850~1100 氮化物 1000~3000 金属间化合物 500 模具钢的硬度主要取决于马氏体中溶解的碳量(或含氮量),马氏体中的含碳量 取决于奥氏体化温度和时间。当温度和时间增加时,马氏体中的含碳量增多马氏体 硬度会增加,但淬火加热温度过高会使奥氏体晶粒增大,淬火后残留奥氏体量增多, 又会导致硬度下降。因此,为选择最佳淬火温度,通常要先作出该钢的淬火温度?晶 粒度?硬度关系曲线。 马氏体中的含碳量在一定程度上与钢的合金化程度有关,尤其当回火时表现更 明显。随回火温度的增高,马氏体中的含碳量在减少,但当钢中合金含量越高时,由 于猕散的合金碳化物折出及残留奥氏体向马氏体的转变,所发生的二次硬化效应越 明显,硬化峰值越高。 常用硬度测量方法有以下几种: (1).洛氏硬度(HR) 是最常用的一种硬度测量法,测量简便、迅速,数值可以从 表盘上直接选出。洛氏硬度常用三种刻度,即HRC、HRA、HRB。三种刻度所用压 头、试验力及适用范围见表1-2。 表1-2 洛氏硬度试验规范 硬度符号 硬度头规格 试验力/L 应用范围 HRC 120?金刚石圆锥 1471 20~70 15 HRA 120?金刚石圆锥 588.4 20~88 HRB φ 1.588mm 钢球 980.6 20~100 (2).布氏硬度(HB) 用淬火钢球作硬度头,加上一定试验力压人工件表面,试验 力卸掉以后测量压痕直径大小,再查表或计算,使得出相应的布氏硬度值HB。 布氏硬度测试主要用于退火、正火、调质等模具钢的硬度测定。 (3).维氏硬度(HV) 采用的压头是具有正方形底面的金刚石角锥体,锥体相对两 面间的夹角为136?,硬度值等于试验力F 与压痕表面积之比值。 此法可以测试任何金属材料的硬度,但最常用于测定显微硬度,即金属内部不同 组织的硬度。 三种硬度大致有如下的关系:HRC?1/10HB,HV?HB(当400HBS 时) 3、模具的力学性能要求--强度 强度即钢材在服役过程中,抵抗变形和断裂的 能力。对于模具来说则是整个型面或各个部位在服役过程中抵抗拉伸力、压缩力、 弯曲力、扭转力或综合力的能力。 衡量钢材强度常用的方法是进行拉伸试验。拉伸试验是在拉伸试验机上进行的 , 试棒需按规定的标准制备,拉伸过程中在记录纸上绘出拉伸力F 与伸长量Δ L 之间 的关系图,即所谓的拉伸曲线图,分析拉伸曲线图就可以得出金属的强度指标。对于 在压缩条件下工作的模具,还经常给出抗压强度。 对于模具钢,特别是含碳量高的冷作模具钢,因塑性很差,一般不用抗拉强度而 是以抗弯强度作为实用指标。抗弯试验甚至对极脆的材料也能反映出一定的塑性。 而且,弯曲试验产生的应力状态与许多模具工作表面产生的应力状态极相似,能比较 精确地反映出材料的成分及组织因素对性能的影响。 在拉伸曲线图上有一个特殊点,当拉力到达这一点时,试棒在拉力不增加或有所 下降情况下发生明显伸长变形,这种现象称为屈服。这时的应力称为这种 16 材料的屈服点。而当外力去除后不能恢复原状的变形,这部分变形被保留下来, 成为永久变形,称为塑性变形。屈服点是衡量模具钢塑性变形抗力的指标,也是最常 用的强度指标。对模具材料要求具有高的屈服强度,如果模具产生了塑性变形,那么 模具加工出来的零件尺寸和形状就会发生变化,产生废品,模具也就失效了。 4、模具的力学性能要求--塑性 淬硬的模具钢塑性较差,尤其是冷变形模具钢,在很小的塑性变形时即发生脆 断。衡量模具钢塑性好坏,通常采用断后伸长率和断面收缩率两个指标表示。 断后伸长率是指拉伸试样拉断以后长度增加的相对百分数,以δ 表示。断后伸 长率δ 数值越大,表明钢材塑性越好。热模钢的塑性明显高于冷模钢。 断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断以后,断裂部分截面的缩小量与原 始截面之比,以ψ 表示。塑性材料拉断以后有明显的缩颈,所以ψ 值较大。而脆性 材料拉断后,截面几乎没有缩小,即没有缩颈产生,ψ 值很小,说明塑性很差。 5、模具的力学性能要求--韧性 韧性是模具钢的一种重要性能指标,韧性决定了材料在冲击试验力作用下对破 裂的抗断能力。材料的韧性越高,脆断的危险性越小,热疲劳强度也越高。对于衡量 模具脆断倾向,冲击韧度试验具有重要意义。 冲击韧度是指冲击试样缺口处截面积上的冲击吸收功,而冲击吸收功是指规定 形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。冲击试验有夏比U 形缺口冲击试验(试样开成U形缺口)、夏比V形缺口冲击试验(试样开成V形缺口) 以及艾式冲击试验。 影响冲击韧度的因素很多。不同材质的模具钢冲击韧度相差很大,即使同 一种材料,因组织状态不同、晶粒大小不同、内应力状态不同冲击韧度也不相 同。通常是晶粒越粗大,碳化物偏析越严重(带状、网状等),马氏体组织越粗大等都 17 会促使钢材变脆。温度不同,冲击韧度也不相同。一般情况是温度越高冲击韧度值 越高,而有的钢常温下韧性很好,当温度下降到零下20~40?时会变成脆性钢。 为了提高钢的韧性,必须采取合理的锻造及热处理工艺。锻造时应使碳化物尽 量打碎,并减少或消除碳化物偏析,热处理淬火时防止晶粒过于长大,冷却速度不要 过高,以防内应力产生。模具使用前或使用过程中应采取一些措施减少内应力。 6、模具的力学性能要求-- 热疲劳抗力及断裂韧度 热疲劳抗力表征了材料热疲劳裂纹萌生前的工作寿命和萌生后的扩展速率。热 疲劳通常以20??750?条件下反复加热冷却时所发生裂纹的循环次数或当循环一定 次数后测定裂纹长度来确定。热疲劳抗力高的材料不易发生热疲劳裂纹,或当裂纹 萌生后,扩展量小、扩展缓慢。断裂韧度则表征了裂纹失稳扩展抗力,断裂韧度高, 则裂纹不易发生失稳扩展。 7、模具的力学性能要求-- 耐磨损性能 冷作模具服役时,被成形的坯料会沿着模具表面既滑动又流动,在模具与坯料间 产生很大摩擦力。这种摩擦力使模具表面受到切应力作用,在其表面划刻出凹凸痕 迹,这些痕迹与坯料不平整表面相咬合,逐渐在模具表面造成机械破损即磨损。冷作 模具,特别是正常失效的冷作模具,多数因磨损而报废。因此,对冷作模具最基本的 要求之一就是耐磨性。一般条件下材料硬度越高,耐磨性越好。但耐磨性与在软基 体上存在的硬质点的形状、分布也有很大关系。 冷作模具的磨损包括磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损与疲劳磨损。 8、模具的力学性能要求-- 断裂抗力 除常规力学性能如冲击韧度、抗压强度、抗弯强度等一次性断裂抗力指标外, 小能量多次冲击断裂抗力更切合冷作模具实际使用状态性能。作为模具材料性能指 标还包括抗压疲劳强度、接触疲劳强度等。这种疲劳断裂抗力指标是由在一定循环 18 应力下测得的断裂循环次数,或在一定循环次数下导致断裂的载荷来表征的。关于 是否把断裂韧度作为冷作模具材料的一项重要处能指标,尚待研究和探讨。 九、冲压模具结构对安全的影响 (一)模具的主要零件、作用及安全要求 1、.工作零件凸凹模是直接使坯料成形的工作零件,因此,它是模具上的关键零 件。凸凹模不但精密而且复杂,它应满足如下要求:(1)应有足够的强度,不能在冲压 过程中断裂或破坏;(2)对其材料及热处理应有适当要求,防止硬度太高而脆裂。 2、定位零件定位零件是确定坯件安装位置的零件,有定位销(板)、挡料销 (板)、导正销、导料板、定距侧刀、侧压器等。设计定位零件时应考虑操作便捷, 不应有过定位,位置要便于观察,最好采用前推定位、外廓定位和导正销定位等。 3.、压料、卸料及出料零件压料零件有压边圈、压料板等。 压边圈可对拉延坯料加压边力,从而防止坯料在切向压力的作用下拱起而形成 皱褶。压料板的作用是防止坯料移动和弹跳。顶出器、卸料板的作用是便于出件和 清理废料。它们由弹簧、橡胶和设备上的气垫推杆支撑,可上下运动,顶出件设计时 应具有足够的顶出力,运动要有限位。卸料板应尽量缩小闭合区域 或在操作位置上铣出空手槽。暴露的卸料板的四周应设有防护板,防止手指伸 入或异物进入,外露表面棱角应倒钝。 4、导向零件导柱和导套是应用最广泛的一种导向零件。其作用是保证凸凹模 在冲压工作时有精确的配合间隙。因此,导柱、导套的间隙应小于冲裁间隙。导柱 设在下模座,要保证在冲程下死点时,导柱的上端面在上模板顶面以上最少5至10 毫米。导柱应安排在远离模块和压料板的部位,使操作者的手臂不用越过导柱送取 料。 19 5、支承及夹持零件它包括上下模板、模柄、凸凹模固定板、垫板、限位器 等。上下模板是冲模的基础零件,其他各种零件都分别安装固定在上面。模板的平 面尺寸,尤其是前后方向应与制件相适应,过大或过小均不利于操作。 有些模具(落料、冲孔类模具)为了出件方 ,需在模架下设垫板。这时垫板最 好与模板之间用螺钉连接在一起,两垫板的厚度应绝对相等。垫板的间距以能出件 为准,不要太大,以免模板断裂。 6、紧固零件它包括螺钉、螺母、弹簧、柱销、垫圈等,一般都采用标准件。冲 压模具的标准件用量较多,设计选用时应保证紧固和弹性顶出的需要,避免紧固件暴 露在表面操作位置上,防止碰伤人手和妨碍操作。 (二)模具设计的安全要点 在结构上应尽量保证进料、定料、出件、清理废料的方便。对于小型零件的加 工要严禁操作者的手指、手腕或身体的其他部位伸入模区作业;对于大型零件的加 工,若操作者必须手入模内作业时,要尽可能减少入模的范围,尽可能缩短身体某部 位在模内停留的时间,并应明确模具危险区范围,配备必要的防护措施和装置。 模具上的各种零件应有足够的强度及刚度,防止使用的过程中损坏和变形,紧固零 件要有防松动措施,避免意外伤害操作者。 不允许在加工过程中发生废料或工件飞弹现象,影响操作者的注意力,甚至击伤 操作者。另外要避免冲裁件毛刺割伤人手。不允许操作者在进行冲压操作时有过大 的动作幅度,避免出现使身体失去稳定的姿势;不允许在作业时有过多和过难的动 作。应尽量避免冲压加工时有强烈的噪声和振动。模具设计应在总图上标明模具重 量,便于安装,保障安全。20千克以上的零件加工应有起重搬运措施,减轻劳动强 度。装拆模具零件时应方便安全,避免有夹手、割手的可能;模具要便于解体存放。 总之,模具中的哪怕是细微的问题都会影响安全,只有对每种作业中的具体问题进行 分析,才能提出模具中的安全需要注意的几点。 20 十、结束语 数控冲床模具的生产量比较大,。因此要求尽可能地简化模具结构,降造成 本,并充分的利用厂方现有的机床,还要求能够为将来的大批量生产留有余地。由于在 设计的过程中采用了CAD 和数控加工技术使得设计和制造的难度有所降低,图纸、 文件的整理和提炼也相应快了许多。实践证明,用计算机辅助进行模具设计和制造, 有很高的实用价值。 参考文献: 1. 吴宗泽.机械设计实用手册.化学工业出版社.1999 2. 成大先.机械设计手册.化学工业出版社.2004 3. 李洪.实用机床设计手册.辽宁科学出版社.1999 4. 邓昭铭、张莹.机械设计基础.高等教育出版社.2000 5. 邱宣怀、吴宗泽、郭芝俊.机械设计.高等教育出版社.1989 6. 郭学陶、机械设计.航空工业出版社.1992 7.邱宣怀、吴宗泽、郭芝俊.机械设计.高等教育出版社.1989 8.邓昭明、张莹. 机械设计基础.高等教育出版社.2000 9.彭建声. 简明模具工实用技术手册. 机械 工业出版社,1993 10.唐志玉. 模具设计师指 . 国防工业出版社,1999 21

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