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冲裁和成形组合应用的精冲工艺


放大字体  缩小字体 发布日期:2018-02-13
1.工艺概述

    近年来,采用无切削加工,将板料加工成结构零件,越来越具有重要的意义。厚度到15mm的板料,以卷料或条料的形式,作为冲件的毛坯使用的也越来越多。精冲技术作为一种板料加工工艺方法,具有特殊的优点,它可以和成形工艺如压印、弯曲及镦锻等组合应用,开辟新的生产途径,即在很少的几个工步中,就可以加工出高质量的功能零件,因此有些铸造的或粉末冶金制造的零件,可以被精冲件代替,将不可避免的机加工降低到最低的程度。

    一种生产工艺的成功使用,不仅要靠其解决加工技术问题方面的吸引力,而且最终还要靠其经济性来决定。冲件的几何形状是越来越多样化,而其生产批量则有多有少。一种加工工艺,只有既有高度的灵活性,同时又能保证加工出高质量的零件才具有竞争性。与此相应,现在可以通过采用标准化的零件、标准化的换模模架和自动化的送料及卸件机构,解决一部分问题。此外,我们注意到精冲工艺明显地扩大了应用范围,但是这要靠解决下面的一些问题:

    (1)工件的结构设计要满足其功能性方面的要求,而且要适于加工。

    (2)最佳的材料选择。

    (3)最佳的模具结构。

    构件的结构设计要满足功能及加工方面的要求,这是其加工经济性的最基本的前提。首先要了解该零件在什么位置上完成什么样的功能,然后再在质量特点和最经济的加工方法之间,寻求最佳的结合点。在零件的结构设计中,不要因为局部要求公差严格,就把整个工件的公差都要求严格;也不能因为零件局部要求高强度的材料,就把整个工件都用高强度的材料。只有通过了解工件的实际功能,可能采用的加工方法及其能达到的公差要求,所用材料的性能,这样才能找到最佳的解决问题的办法。

2.应用实例

    下面举三个例子,针对图1中所示的几种精冲件,进行详细的说明。

 

    (1)液压泵中的控制底板图2所示为液压泵中的控制底板,材料为31CrMol2G,厚度8.5mm,上面有6个腰形槽,宽度5.75mm,尺寸公差为±0.05mm。该零件材料强度高,槽宽和料厚相比尺寸很小,这就决定了它的精冲难度;零件上的6个腰形槽尺寸公差要求很严格,以便在扭转该控制板时,能精确控制一定的油流量;此外,零件所有表面都应当是光洁的,表面粗糙度值很小,并且要求很耐磨。 

 

    该零件以前是纯切削加工制成的,先是用棒料切断,然后钻中心孔、铣槽,后改用精冲加工,就比较经济,因为所有的公差及性能都是可以达到的。该零件目前的加工工艺为:用8.5mm厚的31crM012G钢带在复合模中进行精冲,去毛刺,用气体渗氮法表面淬硬。所有冲裁面为l00%的光洁面,表面粗糙度值大大低于所要求的最大值Ra=1.61.6μm,一般都能达到Ra=0.5μm。控制底板的加工关键点是全部光洁,表面粗糙度值很小。

    (2)轿车离合器轮毂  图3所示为轿车离合器轮毂,允许有10%的撕裂带。该轮毂的功能表面如内齿部,方孔的径向边、内槽及外圆周上的凸耳等,其公差都相对比较大,为±0.1mm,所要求的表面粗糙度值为尺Ra=2.4μm,这样的公差已能完全保证轮毂的功能性要求。由于该零件承受经常变化的负荷及较大的磨损,在此种情况下材料的强度要求才是最重要的,材料的抗拉强度Rm值应当在850~1050MPa之间。如果选用退火软钢进行精冲,然后再热处理,则由于其变形而不可取。现在选用高强度细晶粒结构钢QStE500证明是成功的,零件在复合模中进行精冲,在去毛刺之后即可用于装配。 

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    (3)开罐刀具如果用精冲和成形工艺组合加工,则材料的选择更具有重要意义,因为在一般情况下,首先要将材料成形,此时会产生冷硬现象,对最后进行的精冲不利。

    图4所示刀具的加工,是材料变形的极端例子,此刀是在双排连续复合模中用6个工步通过多次成形和精冲加工出来的。此刀用在电动开罐器上,不论从其几何形状,还是从所要求的强度性质来看,都应该属于复杂的冲件。因为工件除要求尺寸公差很小外,工件本身特性如夹紧部位很厚,刀尖部位很薄,工件心部要韧性好,而刃部要求硬度高,这些都使得开始认为难于用纯成形方法加工出来。可是现在通过精冲和成形的组合工艺,采用双排连续复合模加工(排样图见图5)已可以实现,并且零件不需要后续的机加工。该零件现加工工艺和模具原理(见图6)如下:采用ck10号钢、厚(2±0.05)mm的软退火条料加工,抗拉强度Rm390MPa,组织结构为95%~100%球状渗碳体均布,在第1工步冲定位孔、切口,在第2工步预压形,第3工步冲槽及外形(用精冲加工出刀的轮廓和以后要进行弯曲的部分),第4工步为精压成形,第5工步为弯曲90。,第6工步为零件的精冲落料。然后通过砂带磨床去毛刺后,用碳氮共渗法使刀的表面硬度达到60HRC,最后进行镀铬。

3.模具材料的选择与表面硬化工艺

    从以上所选的三个例子可明显地看出,工件越复杂对材料的要求就越高。今天,在普通结构纲厚20mm钢板上,可以实现精冲孔;而在高强度的钢板上,冲外形复杂的工件,则对钢材的材质有特殊的要求。例如近年来开发的微合金细晶粒结构钢,其抗拉强度超过Rm=800MPa,而其精冲性能依然很好。

    材料的强度高,意味着模具的负荷就高,这就不但会影响到模具的设汁结构,而且影响到模具材料的选择。加工类型和模具材料的类型,决定了冲件的质量和模具成本。后二者与模具的磨损和所需的批量,共同影响解决问题的经济性。基于这种原因,对于小批量生产,一般宁可选用较简单的模具,必要时增加附加的工序;而对于大批量的生产,则值得采用多级的连续联合模,其工作元件要仔细加工,使其磨损降低到最小程度,以保证达到模具的高寿命。

    为了提高模具寿命,除了采用传统的渗氮及渗硼等表面硬化工艺外,模具的工作元件的表面可以涂敷TiN和Tic等硬质材料。在很多情况下,采用硬质合金作为模具材料也是很成功的,特别是用于制造进行成形工序的元件,因为成形时,有工件材料的塑性流动,使模具强烈磨损。涂层的工艺意义,在于使模具的基体材料保持韧性,而表层材料为耐磨层。硬质材料涂层的突出特点,是减小磨粒磨损,模具的热负载小,工件的表面粗糙度值在Ra=0.5μm以下。每一种涂层法都有其优缺点,其所能达到的模具寿命的提高也是不同的。虽然采用cvD法(化学气相沉积法)生成的涂层与基体的黏附性比PvD法(物理气相沉积)要好,但对于用模具钢制造的精冲模元件进行涂层,也只有在某些特殊情况下才予以采用。cvD法涂敷的程序为淬火,涂敷,在超过1000℃的反应温度下,淬火会引起淬火变形,这是对于精冲技术不允许的较大的尺寸变化。现在,采用相对年轻的PvD法进行涂敷,受到越来越多的重视,因为进行PvD法时,表面涂层的温度保持在550℃以下,模具材料的组织和模具的尺寸都不会产生变化。
 
 
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