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提高微型冲裁冲模寿命和零件质量-第三章:冲裁基础——各种工艺参数对冲床寿命和寿命的影响

时间:2021-07-03 11:34:48 作者:锌达铖机械 点击:

3.1.1. 冲模间隙的影响

一般来说,随着冲头与模具间隙的增大,翻滚区、断裂区、断裂角和毛刺增大,而剪切区减小。间隙不足会产生二次剪切,即在冲头和模具处产生的裂纹不符合要求;因此,一个环的材料进一步强调其剪切极限,消耗更多的能量。间隙过大,塑性变形大,毛刺大,断裂角大。此外,间隙不当也会降低刀具寿命。有一些研究已经研究了冲模间隙对零件边缘质量和冲头寿命的影响,其中一些如下所述。

2008年对厚度为0.58mm的铜合金进行了冲裁模拟,并将其与实验结果进行了比较。研究了冲模间隙在15°范围内对零件边缘质量的影响µm2.5%)至110µ直径为3.5mm的孔的下料过程中,m19%)。从有限元模拟中可以发现,滚翻和剪切边随着冲裁间隙的增加而增加,断裂边则减少,如图3.1所示。断裂角随间隙的增大而显著增大。

 

 


图3.1:0.58mm铜合金有限元模拟预测的零件边缘冲裁间隙的影响

3.1:0.58mm铜合金有限元模拟预测的零件边缘冲裁间隙的影响

图3.2:1.4mm厚DP590钢零件边缘的冲裁间隙影响 

3.2:1.4mmDP590钢零件边缘的冲裁间隙影响

 

 

2009年1.4mm厚的DP590进行了消隐研究。研究了直径10mm孔冲裁过程中间隙在5%20%范围内对零件边缘质量的影响。翻滚和断裂随着间隙的增加而增加,而剪切带随着间隙的增加而减小,如图3.2所示。

1996年也观察到了与2009年相同的效果,即在5%20%板厚的间隙下冲裁低碳钢、高碳钢、铜、铝和黄铜。直径12.7mm的孔被封堵。实验在0.15m/sec3.6m/sec的冲裁速度下进行。对于本研究中的所有材料,剪切带的长度随着间隙的增加而减小,如图3.3所示。然而,有些材料比其他材料对冲模间隙更敏感。试验在不同的冲裁速度下进行。所有材料的剪切长度都随着冲裁速度的增加而增加,在铜中更为显著。

 

冲模间隙对(左)0.15m/sec和(右)3.6m/sec剪切带的影响

图3.3:不同冲裁速度下冲模间隙对剪切边长度的影响 

3.3:不同冲裁速度下冲模间隙对剪切边长度的影响

 

2006年进行了一项研究,其中1400 MPa级板材,1mm厚,用PM4%V60 HRC冲头在三种不同间隙(板材厚度的6%10%14%)下进行冲压。在20万次冲程后测量冲头磨损。结果发现,较低的间隙会导致磨损,而较高的间隙会导致切削刃中的高弯曲应力,从而增加切边的风险。两者之间有一个最佳间隙,可降低刀具磨损(图3.4)。

 

图3.4:冲模间隙对刀具磨损的影响 

3.4:冲模间隙对刀具磨损的影响

 

2004年研究了矩形零件中冲模间隙对冲头寿命的影响。实验在1mmdocol800dp片材上进行。实验中,矩形拐角处的冲头采用两个半径,分别为0.2mm0.5mm。在半径为0.2mm的情况下,保持10%的恒定冲模间隙。冲模间隙沿直尺保持10%,但在冲头拐角半径为0.5mm的情况下,拐角处的最大间隙增加至20%,如图3.5所示。使用的工具材料是硬度为60 HRCVanadis 4

 

 

图3.5:冲模间隙对矩形(左)拐角处冲头磨损的影响(10%和  (右)冲模间隙为20% 

3.5:冲模间隙对矩形(左)拐角处冲头磨损的影响(10%

(右)冲模间隙为20%

 

矩形拐角处冲模间隙为10%的冲头在切削前持续了45000次行程。矩形拐角处冲模间隙为20%的冲头持续了200000次行程,无缺口。图3.5显示了矩形冲头上不同圆角半径的磨损刀具。

所有的研究表明,冲模间隙对毛边质量和冲头磨损的影响是一致的。值得注意的是,除[H]外的所有研究ögman2004]是针对圆形零件的下料而进行的,这可能是因为所涉及的简单性。为此,研究了板材和厚度、冲模间隙和冲裁速度对冲裁刃口质量和冲头磨损的影响。未研究冲孔形状对冲头磨损的影响。

 

 

3.1.2. 冲孔拐角半径的影响[Picas2010]

2010年通过实验研究了冲头圆角半径和冲模间隙对冲头应力和冲头磨损的影响。所用空白材料为DP1000,厚度为2mm。冲头材料为铸钢(D2),回火和硬化至60-62 HRC。仿真结果表明,凸模圆角半径对凸模内Von-Mises应力的影响比间隙的影响更为显著。当角半径从0.01mm增加到0.1mm时,冲头中的最大应力减少了500 MPa,而当间隙从10%增加到20%时,仅减少了约50 MPa(图3.6

a) 是的。图3.6 b表明,冲孔载荷不随拐角半径的变化而显著变化。实验表明,冲头在出现磨损迹象前仅运行了几百次行程,在角半径为0.01mm的情况下,冲头在断裂前仅运行了3000次行程。拐角半径为0.1毫米的冲头连续冲出15000次,没有任何损坏迹象。30000次中风显示出一些磨损和边缘缺口。

 

图3.6:(a)0.1和0.01mm处10%、15%和20%间隙的最大Von Mises应力 

3.6:(a0.10.01mm10%15%20%间隙的最大Von Mises应力

角半径(b)角半径0.1mm0.01mm处的试验荷载位移图

 

 

有一个非常大的冲头圆角半径对毛边质量的影响没有讨论。

3.1.3. 卸料器压力对薄件毛边质量的影响

关于剥离器压力对毛坯质量影响的文献资料很少。剥离板主要用于帮助冲头从板料中取出,它在下料时将薄板固定到位以及改变应力模式和断裂路径方面也起着重要作用。

Bing&Wallbank实验研究了在金属板料切割中使用弹簧剥离器的效果。他们发现:

1.      使用弹簧剥离器降低了切割边缘上形成的毛刺高度;在某些地方,它减少了两倍。它还可以减少边缘外部的二次剪切。

2.      这一过程更受控制的弹簧剥离器举行了带材向下和防止弯曲-结果表明,在一半以下的变化量没有。

3.      在回程时,使用弹簧脱模器可形成水平毛刺。这是由于拉拔冲头的摩擦将带材向上拉,而卸料器将大块材料压平,并且冲头与模具的不对中会导致不平衡的横向力。

4.      毛刺高度的平均值在孔周围变化,毛刺高度读数的变化也是如此。这与使用的剥离器类型无关。

Jimma等人研究了影响引线框架尺寸精度的各种因素。其中一些是(i)带材的机械性能(ii)压力机和冲裁工具的静态和动态精度(iii)进给精度(iv)冲头的长细比(v)刀具磨损(vi)润滑剂(vii)冲裁速度(viii)带材保持力(ix)级数(x)弯曲引线框架的形状(xi)长宽厚比线索的数量。

[Sekine2005]使用了不同的卸料器压力,并改变了卸料器止动块的关闭高度,以提高引线框架尺寸的精度,并在更高的下料速度下减少振动。当引线宽度与薄板厚度一样窄时,间隙的轻微不平衡会导致引线框架偏转。研究了剥离力对引线框架尺寸精度的影响。高速时,卸料器振动也会导致冲裁过程中的不稳定。在本研究中,I型和L型模型是在一个级进模中冲压的。在本研究中,镍含量为42%,厚度为0.25毫米,抗拉强度为618兆帕的钢带被压制。本研究采用2%冲模间隙。冲头和冲模都是硬质合金制成的。冲头与脱模间隙6µ. 带钢夹持压力为0.8MPa116 psi),带钢夹持力为3500N。冲裁是在1001200 SPM使用60吨的直边曲柄压力机。

提高落料速度使脱料板的振动更加显著。在较高的速度下,由于剥离器的振动,带钢夹持力不能有效地施加到坯料上。因此,屏蔽导线偏转。剥离器一碰到板材,就会产生弯曲振动,0.1ms后,弯曲振动变为跷跷板振动。为避免振动,将剥离力从2600N增加到5500N,并将剥离器与止动块之间的间隙从140减小µ米到100µm(几乎等于材料的上表面)。在1200 SPM下,记录了不同剥离力和不同间隙下剥离器的动态振动(图3.7)。

对于I形引线框架,开发了一种新的剥离器,该剥离器具有更宽的按压区域和保护引线侧向下落的结构(图3.7)。板材厚度为0.15mm,引线宽度为0.120.150.20mm。当厚宽比大于1时,新设计的汽提塔与传统的汽提塔相比性能良好,但当厚宽比小于1时,性能相同。因此,新的设计对于较薄的引线宽度是成功的。

 

 


剥离器保持力(N

止动器和脱扣器之间的间隙(µ)

1)

2600

140

2)

2600

100

3)

5500

140

4)

5500

100

1200SPM时汽提塔的动态特性             新设计的工字钢框架剥离器的机械模型                                                                                                   

3.7:(左)1200SPM时汽提塔的动态特性(右)新设计的工字钢框架剥离器的机械模型

 

强大的剥离力增加了静水压应力的范围,延缓了裂纹的形成和发展,产生了更长更好的剪切带。

3.2. 冲压材料和涂层

通过使用更新和更好的材料、表面处理和涂层,可以降低冲压故障。WC是微型零件高速冲裁中最常用的冲头材料

部分。

3.2.1. 冲裁中使用的不同冲压材料和涂层

冲裁中使用的冲头材料和涂层在很大程度上取决于板材和预期的刀具寿命。

钢材

Uddeholm的一些工具钢是

AISI D2–高碳/铬工具钢,含大量碳化铬,13%,二次硬化后硬度为59-61 HRC

AISI S7-具有特殊冲击性能的防震钢。广泛用于中冷加工工具。

Carmo/Calmax–第一代纯马氏体基体结构的车身模具钢。关于磨损、延展性、可焊性和感应淬火的优化性能曲线。58 HRC是低温回火后的潜在硬度。

Diemax–新开发的基体钢,具有最佳的延展性、淬透性和回火抗力组合,硬度高达57-58 HRC。硬度是通过高温回火实现的,这有助于表面涂层。

Caldie–新的车身模具钢是从旧牌号Carmo发展而来,但具有高温回火设施,硬度为60-62 HRC,仍然保持非常好的延展性、淬透性和回火抗力。基体是钢,也非常适合表面涂层。Sleipner–AISI A2D2的发展。与D2相比,由于二次硬化后碳化铬含量减少,6%13%D2)和更高的硬度势,64 HRC61 HRCA2/D2),塑性得到改善。

Roltec–粉末冶金和传统冷加工钢之间的喷射成形等级。具有良好的耐磨性和延展性的钢,硬度可达65

人权理事会。

其他常用的下料工具钢有:

AISI M2-具有令人钦佩的耐磨性、韧性和抗压强度。这种综合性能使其优于许多高合金冷作钢。CPM M4-高钒专用高速钢,在冷加工冲头、模具刀片和高速轻切削的切削应用中表现出比M2M3更好的耐磨性和韧性

 

 

粉末冶金(PM)、金属陶瓷和陶瓷

PM

Vanadis 4-PM钢为高性能工具提供了极好的耐磨性和延展性。

Vanadis 4 Extra–所有粉末冶金冷加工钢的延展性和耐磨性、混合磨料和粘合剂的最佳组合。

Vanadis 6–PM钢比Vanadis 4具有更好的耐磨性。

Vanadis 10–一种高钒合金粉末冶金等级,具有高耐磨性和延展性的最佳组合。

Vancron 40–一种氮合金粉末冶金钢,具有非常好的低摩擦性能,具有优异的耐磨损性。

金属陶瓷/硬质合金

WC–在不同的磨损应用中应用最广泛的复合材料,由于其高耐磨性和强度以及韧性的出色结合[Klassen 2011]TiC-TiC基金属陶瓷(含镍合金或钢粘结剂),由于其高比强度(低密度)在某些应用中已被证明是成功的,高粘合耐磨性,良好的焊接性和抗氧化性[Klassen 2011]

在加工铜、镍和纯铁时,硬质合金的磨损可能很快。其原因是硬质合金中的钴与铜或镍之间的亲和力使硬质合金的磨损速度加快[米苏米技术中心]

陶瓷

先进陶瓷具有强度高、断裂韧性高、晶粒细小、气孔少或无气孔等特点。它们通常用于高磨损或腐蚀性环境。

Y-TZP(氧化钇四方氧化锆多晶)-氧化锆合金陶瓷用于一些冲压应用。虽然它有很好的耐磨性,但它在金属成形应用中并不是很常用,因为它对弯曲非常苛刻。

Uddeholm对刀具磨损特性的比较如图3.8所示。

 

图3.8:B级工具材料特性 

3.8:B级工具材料特性

 

表面处理和涂层

常见的表面处理工艺有:

i) 渗氮

ii)物理气相沉积(PVD

iii)化学气相沉积(CVD

iv)热扩散(TD

CVDTD在不需要高精度的成形应用中效果最好。由于涉及高加工温度,变形和尺寸变化发生。PVD具有较低的加工温度;因此,它可以适应更精确的模具。

金属成形工具中常用的涂层有TiNTiCTiCNTiAlN

TiCrNAlCrNCrN。最多是一种PVD固体润滑涂层,由硫和钼组成[Dayton Progress]

应该理解,就涂层附着力而言,并非所有涂层都与所有工具材料匹配。同样,不建议对所有工具材料进行表面处理。

 

3.2.2. WC冲头与陶瓷冲头的比较(Y-TZP[DiRuggiero 2000]

WCY-TZP两种不同材料为例,对冲头寿命进行了评估。实验条件见

3.1

 

3.1案例研究:WC和陶瓷冲头在铜引线框架精密冲压中的比较


项目

现有冲压参数

Z-mat陶瓷模具

冲头类型

穿孔冲头

穿孔冲头

冲头尺寸

0.008in–0.012in横截面

0.008in–0.012in横截面

冲头材料

WC:10%-15%钴,亚微米

粒子

亚微米Z-Mat陶瓷

粒子

剥离器间隙

每侧最大0.0001英寸

每侧最大0.0001英寸

模具制造工艺

电火花加工

分裂和地面

材料冲压

.008in-.012in

铜合金194

.008in-.012in

铜合金194

压力机速度

450标准普尔

450标准普尔

结果

250万次重划

1100多万次重划

 

 

作者认为,一种两相材料,例如碳化钨,即使表面光洁度很高,也容易被金属吸附,原因有两个:1)金属粘结相(通常是钴)对铜和镍等其他金属有亲和力;2)电火花加工过程中会出现钴耗尽。这些都是克服而使用陶瓷冲头。必须记住,陶瓷冲头不能像WC冲头那样承受弯曲载荷。在设计模具和其他陶瓷冲头模具时必须考虑到这一点。

3.2.3. 环境友好的金属成形摩擦学系统[Bay2010]

研究了多层电工钢片干冲的各种冲孔材料和涂层,其中中间绝缘玻璃涂层会导致过度磨损。对aisid2PM高速钢(HSS)冲头进行了类金刚石(DLC)、金属类金刚石(Me-DLC)和TiC放电涂层(EDC)的PVD试验。所有的涂层都使冲头寿命延长了大约三倍。将EDCAISI D2的低温工艺处理相结合,可将刀具寿命延长9倍。对层状电工钢板的冲裁进行了相似的试验研究,对AlCrNTiCNTiAlN+WC/C涂层粉末冶金高速钢和硬质合金的冲裁材料进行了试验。PM-HSSAlCrN联合应用效果最佳。在铝薄板穿孔冲头上涂上TiCN涂层,由于减少了磨损和磨损,使刀具寿命提高了10倍,取得了良好的效果。Oerlikon Balzers报告说,用AlCrN涂层冲头的刀具寿命是TiNTiCN的三倍。

3.2.4. 提高冲压工具的耐磨性[Straffelini 2010]

评估了各种工具材料和涂层。本文首次建立了毛刺高度与刀具磨损的关系。根据毛刺高度评估各种工具材料和处理/涂层。坯料的厚度为2.2mm,由冷轧带钢进行球化退火。其化学成分为:0.7%C0.7%Mn0.2%Si。图3.8ab)显示了本研究中使用的零件和工具的形状。

3.8c)显示了各种工具材料的毛刺高度及其性能。

S390Uddeholm生产的粉末冶金高速钢,QTCQCT是两种不同的低温处理方法

S390钢。硬质合金是硬质合金,陶瓷H40SAlCrN是由Oerlikon Balzers意大利公司在S390钢上进行PVD涂层。从这张图中可以看出,比S390具有AlCrN PVD涂层的表现最好,其次是陶瓷。

图3.9:(a)零件成形(b)实验中使用的工具(c)为各种工具材料/处理/涂层测量的毛刺高度 

                               a) (b)(c

 

3.9:(a)零件成形(b)实验中使用的工具(c)为各种工具材料/处理/涂层测量的毛刺高度

 

3.3. 模拟中使用的材料模型和断裂模型

3.3.1. 材料模型

高速冲裁模拟需要材料在极高应变(~3)和应变率(高达105)下的流动应力数据。目前,材料并没有在很高的应变和应变率下同时测试。拉伸试验可以进行非常高的应变率,但颈缩开始发生在应变远低于1,特别是在高应变率。扭转试验是可用的,但它们也不能达到~3的高应变。因此,外推数据的材料模型用于模拟材料。材料数据的准确性以及在更高应变和应变率下模拟的准确性是未知的。

3.3.2. 断裂模型

韧性断裂准则在经验假设下工作,即当工件的最大损伤值超过临界损伤值时,会发生延性断裂。为了建立一个能准确预测断裂的韧性断裂准则,许多学者进行了大量的研究。

表明在复杂情况下很难确定准则和相应的临界损伤值,因为准则不仅与材料性能有关,而且还与应力状态和变形过程有关。

表明不可能用单一标准捕捉不同应力状态下韧性裂纹形成的所有特征。对于不同的应力三轴度范围,需要不同的函数来预测裂纹的形成。

进行实验,在不同冲模间隙下料X30Cr13不锈钢。间隙为板材厚度的1%15%。采用不同的损伤准则进行仿真(i) 塑性加工(iiCockroft&LathamiiiRice&Tracy和(ivOyane等人。Rice&Tracy模型适用于表示冲裁中的三轴性。采用Rice&TracyOyane等方法对落料过程中发生的韧性断裂进行了合理的描述。

AHSS DP 590进行了四个冲压间隙的下料研究。对不同的断裂准则进行了评价,并与实验数据进行了比较。当比较实验和实验所得的零件边缘测量值时,采用的Rice&Tracy准则给出了最接近的结果

模拟。

3.4. 冲床失效模拟建模与实验

3.4.1. 冲头失效机理

冲头失效大致可分为以下几种类型。

磨损

磨损是固体表面的损坏,包括材料的损失或位移。磨损是由工件和刀具之间的滑动接触引起的。主要有两种磨损类型[UddeholmSSAB 2008ASTM G40 2005]

1.  磨粒磨损是由硬颗粒被迫在固体表面上移动而引起的。

2.  粘着磨损是指由于接触固体表面之间的局部粘合导致两个表面之间的材料转移或任何一个表面的损失而导致的磨损。

侧面/侧面磨损[Luo1999]

这是冲头的侧面在剪切时产生磨损的情况。冲头侧面磨损是粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损共同作用的结果。冲头的这种侧磨损会导致冲孔的内径变小,并增加冲头和模具之间的间隙。此外,剪切过程中工件的变形(拉边)也会增加。

面部磨损[Luo1999]

在剪切过程中,冲头的表面会产生磨损,从而导致冲头边缘变得圆钝。这可能是机械磨损和微切削的结果。这将降低剪切过程中冲头的锋利度,并增加冲压件的变形。此外,零件的毛刺变大,压力机中的噪声级也变得很高。图3.10显示了冲头示意图中的端面和侧面磨损。

 

图3.10:冲头侧面和端面磨损示意图 

3.10:冲头侧面和端面磨损示意图

 

 

 

 

碎屑

冲头的外观会显示出一些微小的压碎、碎片和切割边缘的断裂。其原因可能是反复的冲击载荷或热冲击。如果冲头的表面太粗糙,那么冲头的切削刃很容易发生剥落[Luo1999]。碎屑是高应力的结果,超过了工具材料的疲劳强度[[UddeholmSSAB 2008]。图3.11显示了冲头切削刃上的碎屑图像。

 

图3.11:冲头切削刃上的碎屑磨损 

3.11:冲头切削刃上的碎屑磨损

 

开裂

这种外观在冲头边缘表面显示出许多不规则的微裂纹(图3.12)。它可能是剪切过程中机械疲劳或热疲劳的结果。当这些裂纹在剪切过程中进一步扩展时,冲头边缘会产生碎屑,或在极端情况下产生宏观断裂。

 

图3.12:冲头表面的裂纹 

3.12:冲头表面的裂纹

粗骨折

这是冲头表面的宏观断裂现象,如图3.13所示。可以看出,断裂循环生长部分的海滩标记是疲劳破坏的结果。此外,还可能是剪切过程中切削刃上的碎屑和裂纹造成的附加损伤。

 

图3.13:冲头上的大体断裂 

3.13:冲头上的大体断裂

 

磨损

磨损(拾取),这是由于工作材料的滑动接触和粘合性质产生的巨大摩擦力造成的(图3.14)。磨损机理与粘着磨损密切相关。

 

图3.14:冲头表面磨损 

3.14:冲头表面磨损

 

3.4.2. 影响刀具磨损和磨损的因素

接触压力

通过降低接触压力可以避免所有失效类型。冲裁过程中冲头和板材之间的接触压力取决于(i)板材(ii)冲模间隙,(iii)冲头圆角半径和(iv)被冲裁的型材。

表面质量

虽然刀具表面比板材表面光滑得多,但磨损受刀具表面质量的影响。在涂层前后抛光工具表面有助于减少磨损。板材的粗糙度几乎没有影响[RooijSchipper 2001]

工具材料和涂层

选择合适的刀具材料和涂层是避免磨损和磨损的关键。必须根据应用选择高韧性和高压缩屈服强度的工具材料。应选择摩擦系数较低的涂层[Podgornik等人2006]

润滑

除非有固体薄膜润滑涂层,否则需要润滑以减少传统涂层(CrNTD)的磨损和磨损。润滑剂有助于在涉及高接触压力和温度的过程中获得更好的性能。可能需要极压(EP)添加剂[RooijSchipper 2001Janoss 2008年;Kim等人,2006]

3.4.3. 磨损模型

文献中有许多基于经验的关系式,它们将滑动接触中的磨粒和粘着表面磨损描述为所经历的接触条件的函数。

其中包括[Rhee1970][Bayer1993][Archard1953]提出的一些众所周知的方程式,其中磨损率W通常表示为法向载荷L、滑动距离S和磨损系数K的函数,形式如下:W=K Lm Sn,其中mn是经验常数[Yan 2012],磨损系数K通常通过实验确定。数值有限元模拟中常用的一些磨损模型如表3.2所示。


3.2(续)

 

 

 

 

3.2(续)


 

 

 

H=稳态温度下模具的硬度k=实验系数

P=局部压力

L=滑动距离

 


      

 

w=磨损量σN=正常压力

H=取决于温度的硬度,θ,

还有时间,t

Vrel=滑动速度

Δt=时间间隔n=循环次数

 PA.W     JK______H(j)

w=磨损深度

K—磨料磨损系数

P—接触面法向压力,Hj冲裁行程处的模具硬度(j),v—接触面滑动速度,c—冲裁行程总数,a—实验常数

 

从表3.2给出的磨损方程可以看出,某些特定参数定义了磨损。它们是法向载荷/压力、模具硬度、温度、接触面的滑动距离/速度。模具的硬度可以通过改变模具材料、通过改善润滑条件来改变温度以及通过进行小的设计更改来改变正常负载/压力。

3.4.4. 刀具磨损对零件刃口质量的影响

刀具磨损对零件刃口质量影响显著。刀具磨损导致毛刺的形成和毛刺长度的增加。毛刺长度通常是工业上判断零件质量的重要标准。毛刺长度表示何时应重新研磨刀具以获得锋利的模具和冲头半径。研究还发现,在较高的冲裁间隙下,刀具磨损的影响更为明显。

Makich等人,2008年】提出了一种利用光学方法量化毛刺体积的方法。该方法用于测量刀具磨损对毛刺产生量的影响。从图3.15可以看出,随着初始冲程的增加,产生的毛刺体积迅速增加。随着冲程的增加,毛刺会不断增加,然后毛刺会再次增加。此图案也可能取决于板材。

 

图3.15:刀具磨损导致的毛边体积随冲程增加 

3.15:刀具磨损导致的毛边体积随冲程增加

 

图3.16:板材对毛刺体积的影响 

3.16:板材对毛刺体积的影响

 

毛刺的体积也取决于被毛坯的板材。图3.16显示,与其他板材相比,一些板材产生的毛刺要少得多。例如,Mat 3显示

与垫子A相比,毛刺减少约30%,即使在垫子3被覆盖时刀具磨损已经很好地开始。

通过增加冲头和模具的圆角半径,可以用有限元模拟的简单方法估计刀具磨损。刀具磨损对零件刃口质量影响显著。刀具磨损导致毛刺的形成和毛刺长度的增加,如图3.17所示【Husson等人,2008年】。还观察到,在较高的冲裁间隙下,刀具磨损的影响更为明显(图3.17)。

 

图3.17:0.58mm厚铜合金模拟预测的刀具磨损和冲裁间隙对零件边缘质量的影响 

3.170.58mm厚铜合金模拟预测的刀具磨损和冲裁间隙对零件边缘质量的影响

 

3.5. 高速冲裁

3.18显示了高速冲裁中常用的工具。小型电子元件制造中的高速冲裁循环包括以下步骤:

iRAM向下移动,使剥离板与坯料接触。

ii)闸板的进一步向下运动使脱料板弹簧在卸料板上施加压力,并在坯料上施加压力。

(三)下料作业发生

iv)冲头进一步向下移动,直到BDC

v) 冲头向上运动,冲头以相反方向摩擦板材

vi)冲头由剥离板从板材上剥离

vii)卸料器弹簧松开,卸料器板从板材上弹起

 

图3.18:高速冲裁中常用的工具 

3.18:高速冲裁中常用的工具

 

[Hirsch等人,2011]进行了实验,以测量1000 SPM高速冲裁中的冲头载荷。在0.29mm厚的铜合金板上覆盖90.6mm的孔。冲头上记录的各种力如图3.19所示。首先记录由于剥离器板固定引起的振动,然后记录由于冲裁操作引起的力峰值。随后是冲头侧面摩擦板材产生的摩擦力。然后,释放脱扣器弹簧并记录振动。板材被压制的速度不得而知。冲裁力似乎随着速度的增加而增加。但脱钉板脱钉引起的振动随速度的增加而迅速增加。

 

图3.19:冲裁过程中每分钟100、300、500和1000次冲裁的力 

3.19:冲裁过程中每分钟1003005001000次冲裁的力

 

这可能是唯一一个研究了各种速度(SPM)对冲裁循环中各种力变化的影响的研究。由于高速压力机的工作速度可达4000 SPM,因此了解冲裁循环中产生的不同力以及了解哪些力受速度的影响变得极为重要。

3.6. 压力机稳定性和反向加载

冲床、工装和冲头的稳定性对刀具寿命长和零件质量好起着非常重要的作用。导致冲床和工装变形的原因有很多,其中一些是(i)冲裁载荷不均匀(ii)导向系统不准确(iii)冲裁过程中的反向载荷[Jimma等人,1990]研究了高速冲裁中冲压刚度与零件质量之间的关系[Behrens等人,2010]在板材成形模拟中考虑了机器性能,以将冲压性能与板材成形过程耦合[Groche et al2007]描述了一种为成形机生成数值模型的程序,并展示了在数值模拟中使用的动态相关机器参数的实验获取方法。

快速通过或反向加载是另一个重要的因素,有助于新闻界,工具和冲床的寿命。冲裁较厚或很强的材料时,穿透力很明显。在下料过程中,部分材料被剪切,其余部分断裂。压裂速度比剪切速度快得多,在压力机上的裂缝末端有一个明显的反吨位。压具组件在断裂前达到最大挠度。断裂后,它们会以很高的速度弹回原来的形状,并且在没有对手的情况下会突然释放能量。柱塞被加速到高速。压力机的传动系在每个运动部件周围都有间隙。当间隙反转时,柱塞突然停止消耗所有能量并发出冲击波。压力机的偏转方向与向前吨位形成时的方向相反,快速通过力也称为反向吨位。如图3.20所示,对于非常坚固的材料,反向吨位可高达50%或更多。

 

图3.20:快速穿越期间的力 

3.20:快速穿越期间的力

冲头错开,氮气缓冲缸和液压阻尼器是一些常用的解决方案,用于解决问题的快速通过。然而,氮气钢瓶和液压阻尼器在高速冲裁中不是可行的解决方案,因为它们不能在如此高的速度下工作。

3.7. 翻边

有几个因素会影响孔的可翻边性,如(i)板材(ii)落料时使用的冲压间隙(iii)剪切孔的质量(iv)翻边时使用的冲头形状(v)翻边时毛刺的位置。以往已有一些学者研究了毛边质量对孔扩张率(HER)的影响,对这一问题有了更好的认识。然而,在这方面还需要做更多的工作,因为对如何描述毛坯边缘的可翻边性还不是很清楚

但是。

[Karelove等人,2007]研究了切割方法对DP800CP800钢孔翻边性的影响。图3.21显示,线切割只会导致与所需孔几何形状的微小偏差。线切割产生的锐边会产生不利影响,因为它们可能是孔扩张期间的应力集中点。这一事实也可以解释,尽管线切割程序的精度明显较高,但其增加值并不比钻孔的测量值高多少。研究表明,孔边和孔表面质量对材料的孔翻边性有很大的影响。

 

 

图3.21:(顶部)冲孔(a)、钻孔(b)和线切割(c)孔的横截面积显微图 

3.21:(顶部)冲孔(a)、钻孔(b)和线切割(c)孔的横截面积显微图

DP800(底部)孔边缘条件对她的影响

 

[Mori et a2010]进行了类似的研究,其中采用二次平滑操作来改善孔的可翻边性。本研究采用DP980级材料。用一个圆锥角(30°)的冲头进行平滑操作°) 小于翻边冲头(60)上的角度°). 平滑负荷是不同的,看看它对她的影响。图3.22显示了在不同载荷下平滑后的毛坯边缘,其中断裂带被平滑。平滑载荷的差异导致翻边前边缘质量的差异。这反过来又使翻边性有所不同,如图3.23所示。这些实验研究表明,毛边质量对板材的孔翻边性起着重要的作用。

 

 

图3.22:平滑表面以及剪切边缘上的滚翻深度、抛光表面、断裂表面和平滑表面百分比与平滑载荷之间的关系 

3.22:平滑表面以及剪切边缘上的滚翻深度、抛光表面、断裂表面和平滑表面百分比与平滑载荷之间的关系:(aP=16.2 kN(b) 

 

图3.23:极限膨胀率与平滑负荷之间的关系 

3.23:极限膨胀率与平滑负荷之间的关系

 

 

 

 

3.8. 研究需要

在文献综述的基础上,提出了提高零件刃口质量和刀具寿命的研究方向。

1.     高速冲裁中刀-板材料相互作用的理解

虽然已经有几项高速冲裁的研究,但是只有Hirsch等人的一项研究关注了整个冲裁周期中刀具和板材之间的相互作用。这是一个很好的第一步,但是数据只能提供高达1000 SPM,而今天的印刷机可以走得更快。对刀具材料的良好理解对于设计坚固的刀具非常重要。因此,作为第一步,在这项研究中寻求对刀具和板材之间的良好理解。

2.     利用盲板试验开发流动应力数据的方法

为了对冲裁过程进行精确的有限元模拟,需要在与冲裁相同的变形条件下建立良好的流动应力模型。目前,高应变率可通过使用分裂霍普金森杆(SHB)试验实现,高应变率可通过使用剪切试验达到1。然而,SHB是非常昂贵的,并且在冲裁时应变速率高达3。由于落料是变形达到高应变率和高应变率的极少数成形操作之一,因此需要将其作为获取材料在高应变率和高应变率下的流动应力数据的方法进行研究。

3.     变冲模间隙提高冲头寿命

冲裁过程中冲模间隙对冲模寿命的影响已被许多研究者所研究。然而,除了一项研究外,所有的研究都是针对圆形零件的冲裁进行的,这并不是大多数冲裁形状。冲头几何形状(切口形状)对冲头/模具磨损的影响在文献中不可用。切削几何形状、冲模间隙和冲头磨损之间的关系在文献中也不可用。由于提高刀具寿命(主要是通过使用更好、更新的刀具材料和涂层)一直是人们关注的一个领域,因此研究人员过去没有研究过诸如最佳几何依赖冲模间隙之类的设计准则。因此,作为提高冲头/模具寿命的一种潜在方法,需要研究与几何有关的冲头-模具间隙。如果这一概念被证明能提高冲头/模具的寿命,则可以在冲头-模具间隙和被切割的几何形状之间建立关系。

4.     改进的剥离器设计,提供更好的零件边缘质量

传统上,脱模器仅用于在冲裁过程中保持板材,并在冲头返回时将板材从冲头上剥落。但是,如果剥离器板以足够的压力保持板材,则可能会在板材上产生压缩应力,这有助于减少翻车和延迟断裂的发生。文献中没有发现汽提塔压力对毛边质量的影响,尽管众所周知,当汽提塔压力施加压力时比不施加压力时获得更好的毛边。毛边质量随汽提塔压力的变化在文献中没有发现。因此,需要了解所施加的剥离器压力和毛边质量之间的关系。

5.     优化冲头拐角设计提高冲头/模具寿命

冲头/模具的拐角半径通常与拐角半径相关联。文献中发现,在面和侧面相交处使用恒定半径时,冲头拐角半径会产生影响。在现实中,冲头首先加工有一定的冲头拐角半径,但在后来的锐化中,冲头的底面被磨光以达到锐度。相反,如果设计了能提高刀具寿命的冲头拐角设计,而刀具寿命提高了10倍左右,则可以避免重新锐化,并且可以制造一次性使用的冲头镶块。

6.     防止冲头断裂的冲头设计指南

冲头长度和截面设计在确定冲头破损时至关重要。在制造小型电子元件时,冲头穿过剥离板上的槽。由于冲头和脱料板之间的间隙约为几微米,冲头和脱料板之间的相互作用可能导致冲头磨损和脱料板内冲头侧面区域的断裂。在电子零件的高速冲裁中,作用在冲头侧面的力、冲头几何形状和冲头破损之间的关系是一个需要理解的重要关系。



 

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