CN103611774B - 一种超声波辅助精冲成形工艺及其模具 - Google Patents
一种超声波辅助精冲成形工艺及其模具 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种精冲成形工艺及其装置。超声波辅助精冲成形工艺是指在精冲成形过程中将超声波输入到凸模中，使凸模产生共振，在凸模的底面产生高频振动，从而改变传统精冲变形特点，提高精冲件质量。超声波辅助精冲成形与传统精冲成形的相比具有以下优点：1）提高精冲材料成形性能，降低材料的流变应力，提高精冲零件质量，2）降低成形载荷，延长精冲模具寿命。本发明还设计了一种超声波辅助精冲成形模具装置。本发明对于扩大精冲材料范围，提高精冲件质量，延长精冲模具寿命具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种精冲成形工艺及其装置。
背景技术
精冲是一种先进的金属塑性成形工艺。通常意义上的精冲指的是强力压边精冲，与普通冲裁相比，一次精冲成形就可得到冲裁断面光亮、表面平整、尺寸精度高的零件。由于其优质、高效和低耗的特点，精冲工艺目前在航空航天、机械、电子和军工等领域得到了愈来愈广泛的应用。对于要求最小尺寸公差、具有最小粗糙度的功能零件，均可广泛使用精冲零件。目前随着汽车产业的兴起，精冲技术在汽车上的应用也得到长足的发展，一辆轿车上大约有40~200个精冲件。
目前精冲主要应用于低碳钢材料，中高碳钢的研究和应用非常少。这是因为随着材料含碳量升高，材料的强度升高、塑性降低。比如20号钢，45号钢和60号钢，其屈服强度分别为275MPa，355MPa和400MPa，伸长率分别为25%，16%和12%。在精冲过程中坯料受三向压应力而产生纯剪切变形，因此要求精冲材料具有较好的塑性，并且具有较低的强度。这不仅是保证实现精冲的重要条件，而且是提高产品质量，降低生产成本的重要保证。当材料塑性较差时，精冲工艺容易出现以下问题：1）零件易于出现各种缺陷。在精冲成形过程中，理想的精冲件断面为100%光亮剪切面。当材料塑性较差时，精冲件断面容易出现撕裂和破裂等缺陷。有时还会同时出现撕裂和破裂现象，从而出现二次剪切面和二次破裂缺陷。这些缺陷会严重影响精冲件的尺寸精度、零件的强度及其他使用性能。2）降低模具寿命。在精冲成形过程中，板料的塑性变形主要发生在由凸凹模形成的狭窄的剪切变形区里，剪切区里的材料在完全处于三向压应力状态下以纯剪切应变的方式进行冲裁。这种变形方式一方面能提高冲裁断面光洁度和尺寸精度，但是另一方面却使精冲模具的工作环境变得非常恶劣。另外由于精冲过程中的热效应和剧烈的摩擦等原因，在生产时很容易产生模具刃口侧面粘连、凹模胀裂、凸模崩刃以及塑性失稳等，导致精冲件质量下降以及模具磨损，甚至报废。当材料的塑性较差时，随着变形抗力增加，模具更加容易出现上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有精冲成形技术中的不足，提供一种超声波辅助精冲成形工艺及其模具，将超声波应用到精冲成形工艺中，利用超声波辅助塑性加工中的“表面效应”和“体积效应”，提高精冲材料成形性能，降低材料的流变应力，降低成形载荷。本发明能有效提高精冲零件质量，延长精冲模具寿命。
为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种超声波辅助精冲成形工艺，其特征在于它包括如下步骤：
1）准备超声波辅助精冲成形模具：
所述超声波辅助精冲成形模具包括上模板1、凸模座2、压力垫板3、导柱5、V形压边圈6、导套8、下模板9、凸模16、凹模17、顶料杆18；上模板1和下模板9可作相对运动；压力垫板3固定在上模板1上，压力垫板3上设有通孔，上模板1上开有一凸模座孔，凸模座2穿入上模板1上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱5的上端与上模板1固定，导柱5的下端位于导套8内，导套8的下端与下模板9固定；V形压边圈6位于压力垫板3的下方并与压力垫板3固定，凸模16的下端穿过V形压边圈6上的凸模通孔；凹模17固定在下模板9上，顶料杆18的上端穿过凹模17上的顶料杆通孔，顶料杆18与液压柱塞相连；
凸模16的上端与凸模座2之间由超声波振动装置固定；
根据精冲落料零件19的尺寸，确定凸模16的外径，根据超声波发生器产生的超声振动的频率，确定凸模16的长度，使凸模16在输入的超声波作用下能产生共振；
2）将板料7置于V形压边圈6和凹模17之间；
3）启动液压机（一台液压机可分控制上模板1下行、凸模座2下行、顶料杆18上行），模具的上模板1和下模板9在液压机作用下作相对运动并带动压力垫板3和V形压边圈6运动，从而使V形压边圈6压住板料7（以一定的压边力压住板料7）；
4）启动超声波振动装置，使凸模在超声波作用下产生共振，凸模的底面粒子产生高频振动；
5）液压机的液压柱塞下行，推动凸模座下行，同时顶料杆对板料施加一个反压力，实现凸模对材料的精密冲裁；
6）凸模座和凸模上行，顶料杆上行，顶出零件（精冲落料零件）。
所述的超声波振动装置包括超声波放大器11、超声波换能器4和超声波发生器；凸模16通过螺钉与超声波放大器11相连），超声波放大器11与超声波换能器4固定连接（通过螺杆紧密连接），超声波换能器4通过电缆10连接超声波发生器；超声波换能器4位于超声波放大器11的上面，超声波放大器11和超声波换能器4位于压力垫板3上的通孔内；超声波放大器11固定在凸模座2上。
为了固定超声波振动装置，超声波放大器11上设有一个法兰，法兰上设有6个孔；通过螺钉14通过法兰上的孔，将超声波放大器11与垫板13连接起来；4根螺杆12的上端部分别与凸模座2通过螺纹连接，4根螺杆12的下端部分别穿过垫板13上的孔后由螺帽15固定。
实现上述工艺的超声波辅助精冲成形模具，其特征在于它包括上模板1、凸模座2、压力垫板3、导柱5、V形压边圈6、导套8、下模板9、凸模16、凹模17、顶料杆18；上模板1和下模板9可作相对运动；压力垫板3固定在上模板1上，压力垫板3上设有通孔，上模板1上开有一凸模座孔，凸模座2穿入上模板1上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱5的上端与上模板1固定，导柱5的下端位于导套8内，导套8的下端与下模板9固定；V形压边圈6位于压力垫板3的下方并与压力垫板3固定，凸模16的下端穿过V形压边圈6上的凸模通孔；凹模17固定在下模板9上，顶料杆18的上端穿过凹模17上的顶料杆通孔，顶料杆18与液压柱塞相连；凸模16的上端与凸模座2之间由超声波振动装置固定。
本发明的有益效果是：基于精冲过程中存在的问题，本发明提出将超声波应用到精冲成形工艺中。通过将高强度超声波输入到冲头中，在冲头表面产生高频周期振动位移。因此，在超声波辅助精冲成形过程中冲头与工件之间由于振动而产生瞬间分离，从而使工件产生强烈的“体积效应”和“表面效应”，主要体现在以下四个方面：1）由于静应力的叠加和温度效应的影响使得坯料的流变应力减小；2）摩擦力矢量反向使得在振动周期的部分时间里摩擦力有利于变形加工；3）局部热效应的作用使得局部粘焊现象减少；4）振动改善加工润滑条件。因此，通过超声波高频振动，提高材料精冲成形性能、降低精冲变形抗力，有效克服上述精冲成形工艺所存在的问题。这对于提高精冲件质量和延长精冲模具寿命具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的超声波辅助精冲模具示意图。
图2是精冲零件的示意图。
图3是垫板的示意图。
图4是超声波放大器的示意图。
图5是螺杆的示意图。
图中：1-上模板；2-凸模座；3-压力垫板；4-超声波换能器；5-导柱；6-V形压边圈；7-板料；8-导套；9-下模板；10-电缆（连接超声波发生器）；11-超声波放大器；12-螺杆；13-垫板；14-螺钉；15-螺帽；16-凸模（或称精冲凸模）；17-凹模；18-顶料杆，19-精冲落料零件（精冲零件）。
具体实施方式
一种超声波辅助精冲成形工艺，它包括如下步骤：
1）准备超声波辅助精冲成形模具：
所述超声波辅助精冲成形模具包括上模板1、凸模座2、压力垫板3、导柱5、V形压边圈6、导套8、下模板9、凸模16、凹模17、顶料杆18；上模板1和下模板9可作相对运动（设在模架上）；压力垫板3固定在上模板1上，压力垫板3上设有通孔，上模板1上开有一凸模座孔，凸模座2穿入上模板1上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱5的上端与上模板1固定，导柱5的下端位于导套8内，导套8的下端与下模板9固定；V形压边圈6位于压力垫板3的下方并与压力垫板3固定（V形压边圈6起到压料作用），凸模16的下端穿过V形压边圈6上的凸模通孔；凹模17固定在下模板9上，顶料杆18的上端穿过凹模17上的顶料杆通孔，顶料杆18与液压柱塞相连；
凸模16的上端与凸模座2之间由超声波振动装置固定；
根据精冲落料零件19的尺寸，确定凸模16的外径，根据超声波发生器产生的超声振动的频率，确定凸模16的长度，使凸模16在输入的超声波作用下能产生共振；
2）将板料7置于V形压边圈6和凹模17之间；
3）启动液压机（一台液压机可分控制上模板1下行、凸模座2下行、顶料杆18上行），模具的上模板1和下模板9在液压机作用下作相对运动并带动压力垫板3和V形压边圈6运动，从而使V形压边圈6压住板料7；
4）启动超声波振动装置，使凸模在超声波作用下产生共振，凸模的底面粒子产生振幅为μ的高频振动；
5）液压机的液压柱塞下行，推动凸模座下行，同时顶料杆对板料施加一个反压力，实现凸模对材料的精密冲裁；
6）凸模座和凸模上行，顶料杆上行，顶出零件（精冲落料零件）。
所述的超声波振动装置（或称超声振动系统）包括超声波放大器（或称振幅放大器）11、超声波换能器4和超声波发生器；凸模16通过螺钉与超声波放大器11相连，超声波放大器11与超声波换能器4通过螺杆紧密连接，超声波换能器4通过电缆10连接超声波发生器；超声波换能器4位于超声波放大器11的上面，超声波放大器11和超声波换能器4位于压力垫板3上的通孔内；超声波放大器11固定在凸模座2上。
为了固定超声波振动装置，超声波放大器11上设有一个法兰，法兰上设有6个孔；通过螺钉14通过法兰上的孔，将超声波放大器11与垫板13连接起来；4根螺杆12的上端部分别与凸模座2通过螺纹连接，4根螺杆12的下端部分别穿过垫板13上的孔后由螺帽15固定。
实现上述工艺的超声波辅助精冲成形模具，它包括上模板1、凸模座2、压力垫板3、导柱5、V形压边圈6、导套8、下模板9、凸模16、凹模17、顶料杆18；上模板1和下模板9可作相对运动；压力垫板3固定在上模板1上，压力垫板3上设有通孔，上模板1上开有一凸模座孔，凸模座2穿入上模板1上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱5的上端与上模板1固定，导柱5的下端位于导套8内，导套8的下端与下模板9固定；V形压边圈6位于压力垫板3的下方并与压力垫板3固定，凸模16的下端穿过V形压边圈6上的凸模通孔；凹模17固定在下模板9上，顶料杆18的上端穿过凹模17上的顶料杆通孔，顶料杆18与液压柱塞相连；凸模16的上端与凸模座2之间由超声波振动装置固定。
Claims (4)
1.一种超声波辅助精冲成形工艺，其特征在于它包括如下步骤：
1）准备超声波辅助精冲成形模具：
所述超声波辅助精冲成形模具包括上模板（1）、凸模座（2）、压力垫板（3）、导柱（5）、V形压边圈（6）、导套（8）、下模板（9）、凸模（16）、凹模（17）、顶料杆（18）；压力垫板（3）固定在上模板（1）上，压力垫板（3）上设有通孔，上模板（1）上开有一凸模座孔，凸模座（2）穿入上模板（1）上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱(5)的上端与上模板(1)固定，导柱(5)的下端位于导套(8)内，导套(8)的下端与下模板(9)固定；V形压边圈(6)位于压力垫板(3)的下方并与压力垫板(3)固定，凸模(16)的下端穿过V形压边圈(6)上的凸模通孔；凹模(17)固定在下模板(9)上，顶料杆(18)的上端穿过凹模(17)上的顶料杆通孔，顶料杆(18)与液压柱塞相连；
凸模(16)与凸模座(2)之间由超声波振动装置固定；
根据精冲落料零件(19)的尺寸，确定凸模(16)的外径，根据超声波发生器产生的超声振动的频率，确定凸模(16)的长度，使凸模(16)在输入的超声波作用下能产生共振；
2）将板料(7)置于V形压边圈(6)和凹模(17)之间；
3）启动液压机，模具的上模板（1）和下模板（9）在液压机作用下作相对运动并带动压力垫板（3）和V形压边圈（6）运动，从而使V形压边圈（6）压住板料（7）；
4）启动超声波振动装置，使凸模在超声波作用下产生共振，凸模的底面粒子产生高频振动；
5）液压机的液压柱塞下行，推动凸模座下行，同时顶料杆对板料施加一个反压力；随着凸模下行，顶料杆下行，实现凸模对材料的精密冲裁；
6）凸模座和凸模上行，顶料杆上行，顶出零件。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助精冲成形工艺，其特征在于：所述的超声波振动装置包括超声波放大器（11）、超声波换能器（4）和超声波发生器；凸模（16）通过螺钉与超声波放大器（11）相连，超声波放大器（11）与超声波换能器（4）固定连接，超声波换能器（4）通过电缆（10）连接超声波发生器；超声波换能器（4）位于超声波放大器（11）的上面，超声波放大器（11）和超声波换能器（4）位于压力垫板（3）上的通孔内；超声波放大器（11）固定在凸模座（2）上。
3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助精冲成形工艺，其特征在于：超声波放大器（11）上设有一个法兰，法兰上设有6个孔；由螺钉（14）通过法兰上的孔，将超声波放大器（11）与垫板（13）连接起来；4根螺杆（12）的上端部分别与凸模座（2）通过螺纹连接，4根螺杆（12）的下端部分别穿过垫板（13）上的孔后由螺帽（15）固定。
4.根据权利要求1所述工艺的超声波辅助精冲成形模具，其特征在于它包括上模板（1）、凸模座（2）、压力垫板（3）、导柱（5）、V形压边圈（6）、导套（8）、下模板（9）、凸模（16）、凹模（17）、顶料杆（18）；压力垫板（3）固定在上模板（1）上，压力垫板（3）上设有通孔，上模板（1）上开有一凸模座孔，凸模座（2）穿入上模板（1）上的凸模座孔中，凸模座上端的螺纹孔与液压机上的液压柱塞相连接；导柱（5）的上端与上模板（1）固定，导柱（5）的下端位于导套（8）内，导套（8）的下端与下模板（9）固定；V形压边圈（6）位于压力垫板（3）的下方并与压力垫板（3）固定，凸模（16）的下端穿过V形压边圈（6）上的凸模通孔；凹模（17）固定在下模板（9）上，顶料杆（18）的上端穿过凹模（17）上的顶料杆通孔，顶料杆（18）与液压柱塞相连；凸模（16）与凸模座（2）之间由超声波振动装置固定。
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