CN104282217A - 一种材料精冲性能实验装置和评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料精冲性能实验装置和评价方法，其实验装置包括上模部分、导板部分和下模部分；上模部分包括上模座、模柄、凸模垫板、凸模固定板和固定分段凸模；导板部分包括导板、回位弹簧、导板导套、系列活动分段凸模、氮气弹簧；下模座部分包括下模座、凹模、凹模压板、反顶块和氮气弹簧；其评价方法包括：S1.确定输入参数和输出变量；S2.确定实验方案；S3.设定评价标准；S4.评价材料精冲性能；S5.进行无量纲化处理；S6.进行灵敏度分析；S7.找出对输出变量影响程度大的工艺参数。本发明能够客观地评价材料的精冲性能，以及选取所评价材料的合理的精冲工艺参数，用于指导相关模具的设计和制造，为生产制造节约成本，创造经济效益。

Description

一种材料精冲性能实验装置和评价方法

技术领域

本发明涉及冲压领域，更具体地说，涉及一种材料精冲性能实验装置和评价方法。

背景技术

精密冲裁是一种先进的精密成形塑性加工技术，它是通过精冲模具，在专用压力机或改装的通用压力机上，使板料在三向压应力状态下沿着所需要轮廓进行纯剪挤分离，能得到断面光洁、垂直、平整度好、精度高的板状精密轮廓零件。精冲技术是多种基础工艺技术与多门学科技术综合体现的系统工程，由于其具有优质、高效、低耗等优势，从1923年至今90年来，发展非常迅猛。主要体现在以下四个方面：精冲零件结构向复杂化方向发展；精冲模具向“三高”方向发展；精冲设备向自动化及大型化方向发展；精冲材料向高强度方向发展。精冲技术的研究有了长足的进步，但这一技术在全国的应用还很不理想，大量适于精冲的板状精密轮廓零件仍是用传统的、低效率的铣削加工。精冲设备、精冲模具、精冲材料和精冲润滑油等在国内还不配套，有些还需从国外引进，制约了国内精冲技术的快速发展。

目前用于精冲的板材主要是容易冷挤压成形的材料：钢材主要是低碳钢、低合金钢和不锈钢，一般含碳量≤0.35％，抗拉强度≤650MPa的材料应用较广；有色合金主要是铝合金和铜合金。精冲材料不仅是保证能否实现精冲的重要条件之一，且是提高产品质量，降低生产成本及扩大精冲使用范围的重要因素，因此开发精冲材料日益受到重视。同一钢号经过不同的轧制方法和后加工及热处理工艺，其精冲性能差别甚大，对于这些满足不同实际需要的新材料的精冲性能研究，主要工艺参数的合理确定显得尤为重要。随着新材料的不断开发和材料处理方法的不断完善，以及精冲工艺逐步在国内各个金属加工行业的推广和普及，哪些材料适合精冲和如何选用精冲材料既满足精冲工艺要求又能获得最佳的技术经济效果，这是目前国内推广精冲工艺急待解决的重要问题之一。

在材料精冲性能评价方面，专利CN101379207A提出了一种测定冲裁下来的试样的端面的表面粗糙度，来评价材料精冲的加工性。然而，这种评价方法并没有具体的分析如何选择合理的工艺参数(凸模圆角值、凹模圆角值、冲裁间隙、压边力、反顶力)，也没有提出如何根据材料特性来指导材料精冲模具的设计制造。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于为工业生产和科研教学实验提供一种新的精冲实验装置，通过在该实验装置上完成的各种精冲实验可以建立各种材料的精冲质量和精冲工艺参数之间的数据库，用于评价材料的精冲性以及指导精冲模具结构尺寸的设计和压力机设备的选用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种材料精冲性能实验装置，包括上模部分、导板部分和下模部分；上模部分包括上模座、模柄、凸模垫板、凸模固定板、固定分段凸模、导柱、钢球保持架、四个滚动导套，所述固定分段凸模通过凸模垫板和凸模固定板安装在上模座上；

导板部分包括导板、回位弹簧、导板导套、系列活动分段凸模、提供压边力和卸料力的氮气弹簧、所述导板上设有V型齿圈压板，所述V型齿圈压板与四个滚动导柱过盈配合运动，系列活动分段凸模和导板之间采用过渡配合，在系列活动分段凸模和导板之间设置回位弹簧，使系列活动分段凸模和固定分段凸模始终保持紧贴状态，以及精冲结束后系列活动凸模回到初始位置；

下模座部分包括下模座、凹模、凹模压板、反顶块和氮气弹簧，所述凹模放置在下模座的空腔中并通过凹模压板固定在下模座上，所述下模座腔内设有三个均匀分布的调节螺钉，通过调节螺钉来调节系列活动分段凸模与凹模的对中精度。

本发明还提供一种材料精冲性能评价方法，步骤如下：

S1、确定精冲实验中相应的输入参数，如凸模圆角、凹模圆角、冲裁间隙、压边力、反顶力等，而每个参数可设定参数值的水平等级。输出变量根据实际实验过程中可测的数据，可以选取冲裁光洁面h和毛刺高度l。

S2、确定实验方案。如果输入参数的个数为m，每个参数的水平数目为n，则按以下实验方案进行实验：

a)首先取每个参数的最小值和最大值即第一个水平值和最后一个水平的值来进行全组合，有2^m种组合，即首先需按这种全组合来安排实验，这种取端值来全组合的实验，可以确定实验的量程，量程即2^m次实验中所有输入输出最大值与最小值之差。

b)然后取每个参数的中间水平值(中点值)来安排实验，只需做一次。

c)最后一个一个因素分别和中间参考数值进行组合实验，首先，只取第一个参数中除最小值、最大值和中点值之外的水平值，将第2至第m个参数的中间值固定住，这样共有(n-3)种组合进行模拟；依次是第二个参数第三个参数…直至最后一个参数，每个参数都只取该参数中除最大值、最小值和中点值之外的水平值，将其余的参数中点值固定来组合，共有(n-3)×m种组合。

可得到总实验次数为：

k＝2^m+1+(n-3)×m

S3、设定材料精冲性能评价标准。对于冲裁光洁面h，其值超过料厚S的90％时，则评定其值是合格的。对于毛刺高度l，根据所选坯料的抗力强度、零件厚度和加工精度，选取毛刺高度规定的范围值；若毛刺高度在此范围内，则评定其值是合格的，反之亦然。最后，综合考虑冲裁面光洁面h和毛刺高度l，只有实验过程中所测得的这两者的值都是合格的，即评定这种材料的精冲性能好。

S4、评价材料精冲性能。按照所设计的实验方案做完实验后，对精冲后的坯料进行冲裁光洁面和毛刺高度的测定。测完数据后，按照前面所设定的材料精冲性能评价标准，选取合理的实验数据，评价材料精冲性能。

S5、将前面所作的k次实验得到的数据，做无量纲化处理使所有参数处于同一平台，消除量纲影响。无量纲化处理的数据在进行多元线性回归分析处理，以便分析输入对输出的灵敏梯度(回归系数)。

S6、对实验数据进行无量纲化处理。具体方法如下：

$Z_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-x_{\mathrm{imed}\tan }}{x_{i\max }-x_{i\min }}$

式中i表示所有输入参数和输出变量的个数；j表示总的实验次数，其值可由式(1-1)求得；

x_ij---第j次模拟中第i个变量的值；

x_i medtan---第i个变量在所有实验次数中的中点参考值；

x_i max---第i个变量在所有实验中的最大值；

x_i min---第i个变量在所有实验中的最小值；

Z_if---第i个变量在第j次实验中无量纲处理后的值。

S7、分析实验数据，指导实践生产。根据前面所确定的输入参数(凸模圆角、凹模圆角、冲裁间隙、压边力、反顶力等)，以及对所测实验数据的无量纲化处理和灵敏度分析，找出对输出变量影响程度大的工艺参数。模具设计中，可以参考在实验中所得到的合理的实验数据来进行设计；实际生产过程中，对影响程度大的工艺参数可以提高其精度，对其它影响程度小的工艺参数则可以降低精度要求。这样，不仅可以快速准确地设计出满足的实际要求的模具，还能够在制造模具上节约成本，带来经济效益。

实施本发明的材料精冲性能实验装置和评价方法，具有以下有益效果：

1、凸模采用分段式替代常见的阶梯式、保护套等结构，不仅防止凸模在工作过程中折断同时还降低模具结构件的生产难度和数量，大幅降低凸模和凹模在装配过程中对中的精度要求。

2、将凹模用压板压在下模板的腔中，通过均匀分布的三个螺钉来调节其与系列活动分段凸模的对中精度的方法可以将系列活动分段凸模和凹模在生产和装配阶段的高精度要求降低。

3、通过设计的可更换的系列活动式凸模和凹模，以及提供压边力和反顶力的氮气弹簧，可以实现不同材料在不同工艺参数如凸模圆角、凹模圆角、冲裁间隙、压边力和反顶力下的精冲效果和规律，建立精冲材料的质量数据库。

4、用在通用材料实验机器上就可以完成对各种材料在不同工艺参数要求下的精冲过程，可以直观反映工艺参数对材料精冲质量的影响结果；通过大量的实验可以建立各种材料的精冲质量和工艺参数之间的关系的数据库，对于精冲模具关键结构和精冲设备的选取具有十分重要的实际意义，缩短精冲模具的制造过程，提高精冲零件生产的效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明材料精冲性能实验装置的主视图；

图2是本发明材料精冲性能实验装置的俯视图；

图3是本发明材料精冲性能实验装置的局部放大示意图；

图4是模拟断面测量图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1-图3所示，本发明材料精冲性能实验装置包括上模部分、导板部分和下模部分。

上模部分主要包括上模座13，凸模垫板14，模柄15，凸模固定板12，固定分段凸模21，滚动导套10等。固定分段凸模21通过凸模垫板14和凸模固定板12安装在上模座13上。上模座部分和导板部分通过卸料螺钉20和导柱8连接起来。导板部分主要包括导板7，系列活动分段凸模22和氮气弹簧11；其中导板7和导柱8的配合与导柱8和导套10的配合一致，采用过渡配合；系列活动分段凸模22和导板7的配合采用过渡配合，为使精冲结束后系列活动分段凸模回到初始位置，在系列活动分段凸模22和导板7之间设置了回弹弹簧23。下模部分主要包括下模座3，凹模29，凹模压板5，调节螺钉4，用于提供反顶力的氮气弹簧30和滚动导柱8等。凹模29放置在下模座3的空腔中并通过凹模压板5固定在下模座3上，凹模29刃口可配合系列活动分段凸模22加工，只需保证单边间隙即可，系列活动分段凸模22和凹模29的装配精度可通过均匀分布在下模座3上的三个调节螺钉4调节，无需闭锁销来对中凸模和凹模，大幅降低装配和加工精度。

精冲开始时的模具状态如图1所示，然后送入坯料26，上模部分和导板部分随着压力机冲头的下移整体下移直到导板7上的齿圈压板和坯料26，凹模29三者接触。继续下压时，导板7停止运动，氮气弹簧11提供持续稳定的压边力，氮气弹簧30提供持续稳定的反顶力，固定分段凸模21推动系列活动分段凸模22切入材料，直到完成整个冲裁过程，压力机停止下行。进入回程阶段后，上模部分随着压力机滑块上行，此时导板7在氮气弹簧11提供的卸料力下完成卸料动作，系列活动分段凸模22在回弹弹簧23的作用下回到初始位置，反顶器26将零件推出，整个精冲过程完成，如此继续下一个精冲进程。

所述系列活动分段凸模和凹模均用材料X155CrVMo12.1制成，硬度值为62±1HRC。坯料为20钢，屈服强度σ_s≥245MPa，抗拉强度σ_b≥410MPa；在厚度为3mm，直径为18mm的圆形件上落料一个直径为8mm的垫片。凹模尺寸设计为系列活动凸模按凹模尺寸配作。

以下数据都是通过模拟分析得到，用来阐明所提出的评价方法。对于冲裁光洁面h，其值超过料厚S的90％时，则评定其值是合格的。对于毛刺高度l，根据所选坯料的抗力强度、零件厚度和加工精度，选取毛刺高度规定的范围值；若毛刺高度在此范围内，则评定其值是合格的，反之亦然。最后，综合考虑冲裁面光洁面h和毛刺高度l，只有实验过程中所测得的这两者的值都是合格的，即评定这种材料的精冲性能好。对于所述毛刺高度l的评价标准范围值，可参考DIN9830中的f级来选取：所述坯料为20钢，抗拉强度σ_b≥410MPa，零件厚度为3mm，加工精度为f级，其毛刺高度l的合理大小范围为50～200μm。

模拟中可变的凸模圆角、凹模圆角、冲裁间隙、压边力和反顶力数据如表1：

表1模拟中输入工艺参数表

由前面介绍的实验方案可知，总的模拟次数为k＝2⁸+(5-3)×5+1＝43次。如下表2所示：

表2：模拟方案表

模拟完成后，对每一组模拟结果进行光洁度h和毛刺高度l的测定，如图4所示，测定完成后，根据所给出的材料精冲性能评价标准，在光洁度h和毛刺高度l都符合给定范围的情况下，选出了一组最优模拟输入工艺参数，如表3：

表3：最优模拟输入工艺参数

这组工艺参数模拟下的结果测定，其光洁度h达到了2.73119mm，毛刺高度l为0.0512mm，都在给定的评价标准之内，即评定20钢的精冲性能好。

在对20钢的精冲性能进行评价之后，接下来需要对所测定的模拟数据进行无量纲化处理，来进行灵敏度分析。无量纲化处理后的数据如表4：

表4：无量纲化处理后的值

无量纲化处理的数据需要进行多元线性回归分析处理，以便分析输入对输出的灵敏梯度。线性回归分析结果见下表5：

表5：线性回归分析结果

从回归分析的结果可以看出，在20钢精冲过程中，对输出变量光洁度影响最关键的输入参数是单边间隙值和反顶力；对输出变量毛刺高度影响最关键的输入参数是凸、凹模圆角值。

模具设计中，可以参考在实验中所得到的合理的实验数据来进行设计；实际生产过程中，对影响程度大的工艺参数可以提高其精度，对其它影响程度小的工艺参数则可以降低精度要求。这样，不仅可以快速准确地设计出满足的实际要求的模具，还能够在制造模具上节约成本，带来经济效益。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种材料精冲性能实验装置，其特征在于，包括上模部分、导板部分和下模部分；

上模部分包括上模座、模柄、凸模垫板、凸模固定板、固定分段凸模、导柱、钢球保持架、四个滚动导套，所述固定分段凸模通过凸模垫板和凸模固定板安装在上模座上；

导板部分包括导板、回位弹簧、导板导套、系列活动分段凸模、提供压边力和卸料力的氮气弹簧、所述导板上设有V型齿圈压板，所述V型齿圈压板与四个滚动导柱过盈配合运动，系列活动分段凸模和导板之间采用过渡配合，在系列活动分段凸模和导板之间设置回位弹簧，使系列活动分段凸模和固定分段凸模始终保持紧贴状态，以及精冲结束后系列活动凸模回到初始位置；

下模座部分包括下模座、凹模、凹模压板、反顶块和氮气弹簧，所述凹模放置在下模座的空腔中并通过凹模压板固定在下模座上，所述下模座腔内设有三个均匀分布的调节螺钉，通过调节螺钉来调节系列活动分段凸模与凹模的对中精度。

2.一种利用权利要求1实验装置的材料精冲性能评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定精冲实验中相应的输入参数和输出变量；

S2、确定实验方案，输入参数的个数为m，每个参数的水平数目为n，

总实验次数k为：

k＝Z^m+1+(n-3)×m

S3、设定材料精冲性能评价标准；

S4、评价材料精冲性能；

S5、对实验数据进行无量纲化处理，具体方法如下：

$Z_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-x_{i\mathrm{median}}}{x_{i\max }-x_{\mathrm{imtn}}}$

式中i表示所有输入参数和输出变量的个数；j表示总的实验次数，

x_ij---第j次模拟中第i个变量的值；

x_imedian---第i个变量在所有实验次数中的中点参考值；

x_imax---第i个变量在所有实验中的最大值；

x_imin---第i个变量在所有实验中的最小值；

Z_ij---第i个变量在第j次实验中无量纲处理后的值；

S6、对无量纲化处理的数据进行灵敏度分析，将前面所作的k次实验得到的数据，做无量纲化处理使所有参数处于同一平台，消除量纲影响，无量纲化处理的数据再进行多元线性回归分析处理，分析输入对输出的灵敏梯度；

S7、根据前面所确定的输入参数，以及对所测实验数据的无量纲化处理和灵敏度分析，找出对输出变量影响程度大的工艺参数。

3.根据权利要求2所述的材料精冲性能评价方法，其特征在于，所述输入参数为凸模圆角、凹模圆角、冲裁间隙、压边力和反顶力，所述输出变量为冲裁光洁面h和毛刺高度l。

4.根据权利要求3所述的材料精冲性能评价方法，其特征在于，在所述步骤S3中，对于冲裁光洁面h，其值超过料厚S的90％时，则评定其值是合格的；对于毛刺高度l，根据所选坯料的抗力强度、零件厚度和加工精度，选取毛刺高度l规定的范围值；若毛刺高度l在此范围内，则评定其值是合格的；冲裁面光洁面h和毛刺高度l，只有实验过程中所测得的冲裁面光洁面h和毛刺高度l的值都是合格的，才评定这种材料的精冲性能好。

5.根据权利要求3所述的材料精冲性能评价方法，其特征在于，通过更换凹模可以提供实验所需的不同凹模圆角，其间凹模刃口尺寸保持不变；对于给定凹模圆角的凹模，一方面保证活动分段凸模圆角不变情况下，更换系列活动分段凸模的刃口尺寸，实现精冲过程中的冲裁间隙值变化；另一方面，在保证系列活动分段凸模与凹模间隙值一致情况下，改变凸模圆角，得到精冲实验过程中所需的不同凸模圆角。